h264、sps、pps详解

1、学习路线

step1、初步了解h264，了解h264数据帧分类和识别

step2、h264语法相关算法解析，这里对理解h264的视频帧很重要。通俗的说h264数据定义是由一组Bit组成，但是某个字段不是固定专有几个bit，它是根据其值通过算法转义保存。

step3、sps、pps帧语法定义

2、h264简介

在H.264/AVC视频编码标准中，整个系统框架被分为了两个层面：视频编码层面（VCL）和网络抽象层面（NAL）。其中，前者负责有效表示视频数据的内容，而后者则负责格式化数据并提供头信息，以保证数据适合各种信道和存储介质上的传输。NAL占一个字节。

NAL单元（NALU）：NAL的基本语法结构，它包含一个字节的头信息和一系列来自VCL的称为原始字节序列载荷（RBSP）的字节流。数据流是储存在介质上时：每个NALU 前添加起始码：0x00000001(或者0x000001)，用来指示一个 NALU的起始和终止位置。我们平时的每帧数据就是一个NAL单元（SPS与PPS除外）。

编码器将每个NAL各自独立、完整地放入一个分组，因为分组都有头部，解码器可以方便地检测出NAL的分界，并依次取出NAL进行解码。每个NAL前有一个起始码 0x00 00 01（或者0x00 00 00 01），解码器检测每个起始码，作为一个NAL的起始标识，当检测到下一个起始码时，当前NAL结束。同时H.264规定，当检测到0x000000时，也可以表征当前NAL的结束。那么NAL中数据出现0x000001或0x000000时怎么办？H.264引入了防止竞争机制，如果编码器检测到NAL数据存在0x000001或0x000000时，编码器会在最后个字节前插入一个新的字节0x03，这样：

0x000000－>0x00000300

0x000001－>0x00000301

0x000002－>0x00000302

0x000003－>0x00000303

解码器检测到0x000003时，把03抛弃，恢复原始数据（脱壳操作）。解码器在解码时，首先逐个字节读取NAL的数据，统计NAL的长度，然后再开始解码。

NALU头由一个字节组成, 它的语法如下:

+---------------+

|0|1|2|3|4|5|6|7|

+-+-+-+-+-+-+-+-+

|F|NRI| Type |

+---------------+

F: 1 个比特.

forbidden_zero_bit. 在 H.264 规范中规定了这一位必须为 0.

NRI: 2 个比特.

nal_ref_idc. 取 00 ~ 11, 似乎指示这个 NALU 的重要性, 如 00 的 NALU 解码器可以丢弃它而不影响图像的回放. 不过一般情况下不太关心

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这个属性.

Type: 5 个比特.

nal_unit_type. 这个 NALU 单元的类型. 简述如下:

0 没有定义

1 一个非IDR图像的编码条带（bp帧）

slice_layer_without_partitioning_rbsp( )

2 编码条带数据分割块A

slice_data_partition_a_layer_rbsp( )

3 编码条带数据分割块B

slice_data_partition_b_layer_rbsp( )

4 编码条带数据分割块C

slice_data_partition_c_layer_rbsp( )

5 IDR图像的编码条带 (i帧)

slice_layer_without_partitioning_rbsp( )

6 辅助增强信息 (SEI)

sei_rbsp( )

7 序列参数集（sps帧）

seq_parameter_set_rbsp( )

8 图像参数集

pic_parameter_set_rbsp( pps帧)

9 访问单元分隔符

access_unit_delimiter_rbsp( )

10 序列结尾

end_of_seq_rbsp( )

11 流结尾

end_of_stream_rbsp( )

12 填充数据

filler_data_rbsp( )

13 序列参数集扩展

seq_parameter_set_extension_rbsp( )

14...18 保留

19 未分割的辅助编码图像的编码条带

slice_layer_without_partitioning_rbsp( )

20...23 保留

24 STAP-A 单一时间的组合包

25 STAP-B 单一时间的组合包

26 MTAP16 多个时间的组合包

27 MTAP24 多个时间的组合包

28 FU-A 分片的单元

29 FU-B 分片的单元

30-31 没有定义

当遇到 00 00 00 01 67表示sps帧

当遇到 00 00 00 01 68 表示pps帧

3、h264语法相关算法解析

1、无符号指数哥伦布熵编码

1.1 编码过程

1、将待编码的数加1转换为最小的二进制序列(假设一共M位)；

2、此二进制序列前面补充M-1个0；

3、enjoy！

1.1.1 示例

对 4 进行无符号指数哥伦布熵编码

1、将4加1(为5)转换为最小的二进制序列即 101 (此是M=3)

2、此二进制序列前面补充M-1即两个0

3、得出的4的无符号指数哥伦布熵编码的序列为 00101

1.2 解码过程

1、获取二进制序列开头连续的N个0

2、读取之后的N+1位的值,假设为X

3、X-1获取解码后的值

1.2.1 示例

如对 00101进行无符号指数哥伦布熵解码

1、获取开头连续的N个0，此时N = 2

2、再向后读取N+1位的值,即 101,为5

3、 5 - 1 =4 获取其解码后码值，enjoy!

1.3 其他

注意0的无符号指数哥伦布熵编码的二进制序列为 1

2 有符号指数哥伦布熵编码

2.1 编码过程

1、将待编码的数的绝对值转换为最小的二进制序列(假设一共M位)

2、在此二进制序列后补充一位符号位0表示正，1表示负

3、在此二进制序列前补充M个0

4、enjoy

2.1.1 示例1

如对4进行有符号指数哥伦布熵编码

1、4的绝对值转为最小二进制序列，即 100 (此时M = 3)

2、后面补充符号位，0 即 1000

3、前面补充M个0，即 0001000

4、enjoy

2.1.2 示例2

如对-15进行有符号指数哥伦布熵编码

1、-7的绝对值转为最小二进制序列,即 1111 (此时M = 4)

2、后面补充符号位，1，即 11111

3、前面补充M个0,即 000011111

4、enjoy

2.2 解码过程

1、获取二进制序列开头连续的N个0

2、读取之后的N位的值,假设为X

3、获取最后1位符号位

4、获取解码后码值

2.2.1 示例1

如对二进制序列 0001000 进行有符号指数哥伦布熵解码

1、获取开头连续的N个0，此时N = 3

2、再获取N为数值,即 100 即为4

3、获取最后的符号位，0，即为正值

4、故此序列解码后的码值为4

2.2.2 示例2

如对二进制序列 000011111 进行有符号指数哥伦布熵解码

1、获取开头连续的N个0，此时N = 4

2、再获取N为数值,即 1111 即为15

3、获取最后的符号位，1，即为负值

4、故此序列解码后的码值为-15

4、sps语法

5、pps语法

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