H.264入门级概念之I、B、P帧

MPEG压缩中的 I、B、P帧

首先,MPEG-1压缩的基本思想:帧内压缩和帧间压缩。
其次,时间相关性的统计分析:统计的结果表明,在间隔1~2帧的图像中,各像素只有10%以下的点,其亮度差值变化超过2%,而色度差值的变化只有1%以下。

采用的压缩方法: 分组:把几帧图像分为一组(GOP),为防止运动变化,帧数不宜取多。
1.定义帧:将每组内各帧图像定义为三种类型,即I帧、B帧和P帧;
2.预测帧:以I帧做为基础帧,以I帧预测P帧,再由I帧和P帧预测B帧;
3.数据传输:最后将I帧数据与预测的差值信息进行存储和传输。

I帧:帧内编码帧
I帧特点:
1.它是一个全帧压缩编码帧。它将全帧图像信息进行JPEG压缩编码及传输;
2.解码时仅用I帧的数据就可重构完整图像;
3.I帧描述了图像背景和运动主体的详情;
4.I帧不需要参考其他画面而生成;
5.I帧是P帧和B帧的参考帧(其质量直接影响到同组中以后各帧的质量);
6.I帧是帧组GOP的基础帧(第一帧),在一组中只有一个I帧;
7.I帧不需要考虑运动矢量;
8.I帧所占数据的信息量比较大。

P帧:前向预测编码帧。
P帧的预测与重构:P帧是以I帧为参考帧,在I帧中找出P帧“某点”的预测值和运动矢量,取预测差值和运动矢量一起传送。在接收端根据运动矢量从I帧中找出P帧“某点”的预测值并与差值相加以得到P帧“某点”样值,从而可得到完整的P帧。
P帧特点:
1.P帧是I帧后面相隔1~2帧的编码帧;
2.P帧采用运动补偿的方法传送它与前面的I或P帧的差值及运动矢量(预测误差);
3.解码时必须将I帧中的预测值与预测误差求和后才能重构完整的P帧图像;
4.P帧属于前向预测的帧间编码。它只参考前面最靠近它的I帧或P帧;
5.P帧可以是其后面P帧的参考帧,也可以是其前后的B帧的参考帧;
6.由于P帧是参考帧,它可能造成解码错误的扩散;
7.由于是差值传送,P帧的压缩比较高。

B帧:双向预测内插编码帧。
B帧的预测与重构
B帧以前面的I或P帧和后面的P帧为参考帧,“找出”B帧“某点”的预测值和两个运动矢量,并取预测差值和运动矢量传送。接收端根据运动矢量在两个参考帧中“找出(算出)”预测值并与差值求和,得到B帧“某点”样值,从而可得到完整的B帧。
B帧特点
1.B帧是由前面的I或P帧和后面的P帧来进行预测的;
2.B帧传送的是它与前面的I或P帧和后面的P帧之间的预测误差及运动矢量;
3.B帧是双向预测编码帧;
4.B帧压缩比最高,因为它只反映丙参考帧间运动主体的变化情况,预测比较准确;
5.B帧不是参考帧,不会造成解码错误的扩散。

注:I、B、P各帧是根据压缩算法的需要,是人为定义的,它们都是实实在在的物理帧,至于图像中的哪一帧是I帧,是随机的,一但确定了I帧,以后的各帧就严格按规定顺序排列

视频压缩中，每帧代表一幅静止的图像。而在实际压缩时，会采取各种算法减少数据的容量，其中IPB就是最常见的。

I帧表示关键帧，你可以理解为这一帧画面的完整保留；解码时只需要本帧数据就可以完成（因为包含完整画面）

P帧表示的是这一帧跟之前的一个关键帧（或P帧）的差别，解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面。（也就是差别帧，P帧没有完整画面数据，只有与前一帧的画面差别的数据）

B帧是双向差别帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别（具体比较复杂，有4种情况，但我这样说简单些，有兴趣可以看看我上面提供的资料），换言之，要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高，但是解码时CPU会比较累~。

从上面的解释看，我们知道I和P的解码算法比较简单，资源占用也比较少，I只要自己完成就行了，P呢，也只需要解码器把前一个画面缓存一下，遇到P时就使用之前缓存的画面就好了，如果视频流只有I和P，解码器可以不管后面的数据，边读边解码，线性前进，大家很舒服。

但网络上的电影很多都采用了B帧，因为B帧记录的是前后帧的差别，比P帧能节约更多的空间，但这样一来，文件小了，解码器就麻烦了，因为在解码时，不仅要用之前缓存的画面，还要知道下一个I或者P的画面（也就是说要预读预解码），而且，B帧不能简单地丢掉，因为B帧其实也包含了画面信息，如果简单丢掉，并用之前的画面简单重复，就会造成画面卡（其实就是丢帧了），并且由于网络上的电影为了节约空间，往往使用相当多的B帧，B帧用的多，对不支持B帧的播放器就造成更大的困扰，画面也就越卡。

一般平均来说，I的压缩率是7（跟JPG差不多），P是20，B可以达到50，可见使用B帧能节省大量空间，节省出来的空间可以用来保存多一些I帧，这样在相同码率下，可以提供更好的画质。

B帧（B frame）

B帧法是双向预测的帧间压缩算法。当把一帧压缩成B帧时，它根据相邻的前一帧、本帧以及后一帧数据的不同点来压缩本帧，也即仅记录本帧与前后帧的差值。只有采用B帧压缩才能达到200：1的高压缩。

也就是说，有B帧的视频，是比较耗费CPU/图像处理器的

B 帧在 MPEG-4 中有四种参考模式，如果是同时参考前后的画面压缩，则记录的是和 (前画面 pixel 值后画面 pixel 值)/2 的差值，也就是和「前后画面的平均」的差值。所以记录的差值个数和 P 帧一样，只有一个，没有增加。

而因为 B 帧位于前后画面的中间，以「前后画面的平均」，也就是「前后画面的中间值」来作为预测数值（预测 B 帧的 pixel 数值为多少？如果有误差，再记录差值），这样这个预测数值会比单独使用前一个画面来预测，更接近目前真正的 B 帧的数值，可想而知，如此所需要记录的差值就会很小甚至可以根本不用记录，所以便可以省下很多的 bits，提高压缩率。

例如
亮度变化 -> I B P 7 8 9

如果 B 只参考前一个画面压缩，则需记录差值 1。如果以 (I P)/2 压缩，则差值为 0，不需记录差值。（虽然要记录两个矢量，不过矢量也可以再做进一步预测压缩，总的来说，还是会比单独参考前一个画面压缩来得小很多）如果画面不是这样变化怎么办？通常来讲画面都会是这样变化，如果不是这样变化我们就不使用 B 帧就算变化不是如此规则，换个方式想，B 帧可以参考的画面还是比 P 帧多，再怎么找，也还是 B 帧可以找到误差更小的方块来使用的机率大（因为可以选择、参考的对象较多），所以 B 帧还是比 P 帧的压缩率来得高。（而且高很多，差距非常大）

除了压缩率以外，B 帧对画质的影响…是有的，因为 B 帧这种参考前后画面的特性，等于有内插（interpolation）的效果，所以可以减少噪讯。

MPEG-4 中的 B 帧，也是非常具有威力的，除了以前的三种参考模式，还有 Direct Mode，连矢量的纪录都省了。虽然
MPEG-4 之中有 4MV 的功能，可以记录四个矢量，不过编码器在压缩的时候会判断，到底是使用 4MV 压出来的结果小，还是使用传统的方法压出来的结果小？

如果使用传统的方法压出来的结果小，便使用传统的方法记录，如果使用 4MV 压出来的结果小，才使用 4MV 来记录。

（ps. 4MV 不会用在 backward 预测）

您可以观察 VirtualDub 压缩时画面上显示的蓝线，您会发现蓝线和蓝线之间通常会有很短的蓝线插在中间，造成空隙，而且差距很大，这个就是夹在 P 之间的 B 在发挥压缩威力如果是用 DivX 5 更明显，因为 DivX 5 只能够使用 IBPBPBPB… 这种一个 B 接一个 P 的形式，所以画面上的蓝线就是「一长一短、一长一短」这样排列。

关键帧和过渡帧的联系与区别

1、两个关键帧的中间可以没有过渡帧（如逐帧动画），但过渡帧前后肯定有关键帧，因为过渡帧附属于关键帧；
2、关键帧可以修改该帧的内容，但过渡帧无法修改该帧内容。
3、关键帧中可以包含形状、剪辑、组等多种类型的元素或诸多元素，但过渡帧中对象只能是剪辑（影片剪辑、图形剪辑、按钮）或独立形状。