H.264学习笔记之一（层次结构，NAL，SPS）

一 H.264句法

1.1元素分层结构

H.264编码器输出的Bit流中，每个Bit都隶属于某个句法元素。句法元素被组织成有层次的结构，分别描述各个层次的信息。

图1

H.264分层结构由五层组成，分别是序列参数集、图像参数集、片（Slice）、和宏块和子块。参数集是一个独立的数据单位，不依赖于参数集外的其它句法元素。图2描述了参数集与参数集外的句法元素之间的关系。

图2

一个参数集不对应某一个特定的图像或序列，同一序列参数集可以被多个图像参数集引用，同理，同一个图像参数集也可以被多个图像引用。只在编码器认为需要更新参数集的内容时，才会发出新的参数集。

在H.264中，图像以序列为单位进行组织。一个序列的第一个图像叫做IDR图像，IDR图像都是I帧，H.264引入IDR图像为了解码的同步，当解码器解码到IDR图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列。这样，如果前一个序列出现重大错误，在这里可以获得重新同步的机会。IDR图像之后的图像永远不会使用IDR之前的图像的数据来解码。

IDR是I帧，但I帧不一定是IDR。I帧之后的图像有可能会使用I帧之前的图像做运动参考。

1.2描述子

描述子描述从Bit流中取出句法元素的方法。

编号	语法	说明
1	ae（e）	CABAC
2	b（8）	读进连续的8个Bit
3	ce（v）	CAVLC
4	f（n）	读进连续的n个Bit
5	i（n）/i（v）	读进连续的若干Bit，并把它们解释为有符号整数
6	me（v）	映射指数Golomb熵编码
7	se（v）	有符号指数Golomb熵编码
8	te（v）	截断指数Golomb熵编码
9	u（n）/u（v）	读进连续的若干Bit，并把它们解释为无符号整数
10	ue（v）	无符号指数Golomb熵编码

表1

1.3句法的表示方法

句法元素的名称由小写字母和一系列下划线组成，变量名称是大小写字母组成，中间没有下划线。

二句法表

定义了H.264的句法，指明在码流中依次出现的句法元素及它们出现的条件、提取描述子等。句法表是分层嵌套的。

句法表中的C字段表示该句法元素的分类，这是为片区服务，分类的具体含义如下表描述。

nal_unit_type	NAL类型	C
0	未使用
1	不分区、非IDR的片	2,3,4
2	片分区A	2
3	片分区B	3
4	版分区C	4
5	IDR图像中的片	2,3
6	补充增强信息单元（SEI）	5
7	序列参数集	0
8	图像参数集	1
9	分界符	6
10	序列结束	7
11	码流结束	8
12	填充	9
13..23	保留
24..31	不保留

表2

2.1 NAL语法

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 0x000001，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。对于NAL中数据出现0x000001或0x000000时，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。

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。

句法	C	Desc
nal_nuit(NumBytesInNALunit){/* NumBytesInNALunit为统计出来的数据长度 */
forbidden_zero_bit /* 等于0 */	All	f(1)
nal_ref_idc/* 当前NAL的优先级，取值范围0-3 */	All	u(2)
nal_unit_type /* NAL类型，见表2描述 */	All	u(5)
NumBytesInRBSP=0
for(i=1;i<NumBytesInNALunit;i++){
if(i+2<NumBytesInNALunit && next_bits(24)==0x000003{
/* 0x000003伪起始码，需要删除0x03这个字节 */
rbsp_byte[NumBytesInRBSP++]	All	b(8)
rbsp_byte[NumBytesInRBSP++]	All	b(8)
i+=2/* 取出前两个0x00后，跳过0x03 */
emulation_prevention_three_byte/* equal to 0x03 */	All	f(8)
}else{
rbsp_byte[NumBytesInRBSP++] /* 继续读取后面的字节 */	All	b(8)
}
}

表3

2.2序列参数集（SPS）

句法	C	Desc
seq_parameter_set_rbsp(){
profile_idc/* 指明所用的Profile */	0	u(8)
constraint_set0_flag	0	u(1)
constraint_set1_flag	0	u(1)
constraint_set1_flag	0	u(1)
reserved_zero_5bits /* equal to 0 */	0	u(5)
level_idc /* 指明所用的Level */	0	u(8)
seq_parameter_set_id /* 指明本序列参数集的id号，0-31，被图像集引用，编码需要产生新的序列集时，使用新的id，而不是改变原来参数集的内容 */	0	ue(v)
log2_max_frame_num_minus4/* 为读取元素frame_num服务，frame_num标识图像的解码顺序，frame_num的解码函数是ue(v)，其中v=log2_max_frame_num_minus4+4，该元素同时指明frame_num的最大值MaxFrameNum=2( log2_max_frame_num_minus4+4)*/	0	ue(v)
pic_order_cnt_type /* 指明poc的编码方法，poc标识图像的播放顺序，poc可以由frame_num计算，也可以显示传送。poc共三种计算方式 */	0	ue(v)
if(pic_order_cnt_type==0)
log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4 /* 指明变量MaxPicOrderCntLsb的值，MaxPicOrderCntLsb＝2(log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4+4) */	0	ue(v)
else if(pic_order_cnt_type==1){
delta_pic_order_always_zero_flag /* 等于1时，元素delta_pic_order_cnt[0]和delta_pic_order_cnt[1]不在片头中出现，并且它们的默认值是0，等于0时，上述两元素出现的片头中 */	0	u(1)
offset_for_non_ref_pic /* 用来计算非参考帧或场的poc，[-2³¹,2³¹-1] */	0	se(v)
offset_for_top_to_bottom_field/* 计算帧的底场的poc */	0	se(v)
num_ref_frames_inpic_order_cnt_cycle /* 用来解码poc,[0.255] */	0	ue(v)
for(i=0;i<num_ref_frames_inpic_order_cnt_cycle;i++)
offset_for_ref_frame[i]/* 用来解码poc，对于循环中的每个元素指定一个偏移 */	0	se(v)
}
num_ref_frames /* 参考帧队列可达到的最大长度，[0,16] */	0	ue(v)
gaps_in_frame_num_value_allowed_flag /* 为1，允许slice header中的frame_num不连续 */	0	u(1)
pic_width_inmbs_minus1 /* 本元素加1，指明以宏块为单位的图像宽度PicWidthInMbs=pic_width_in_mbs_minus1+1 */	0	ue(v)
pic_height_in_map_units_minus1 /* 本元素加1，指明以宏块为单位的图像高宽度PicHeightInMapUnitsMbs=pic_height_in_map_units_minus1+1 */	0	ue(v)
frame_mbs_only_flag /* 等于0表示本序列中所有图像均为帧编码；等于1，表示可能是帧，也可能场或帧场自适应，具体编码方式由其它元素决定。结合前一元素：FrameHeightInMbs=(2-frame_mbs_only_flag)PicHeightInMapUnits /	0	ue(v)
if(frame_mbs_only_flag)
mb_adaptiv_frame_field_flag /* 指明本序列是否是帧场自适应模式： frame_mbs_only_flag=1，全部是帧 frame_mbs_only_flag=0， mb_adaptiv_frame_field_flag=0，帧场共存 frame_mbs_only_flag=0， mb_adaptiv_frame_field_flag=1，帧场自适应和场共存*/	0	u(1)
direct_8x8_inference_flag /* 用于指明B片的直接和skip模式下的运动矢量的计算方式 */	0	u(1)
frame_cropping_flag /* 解码器是否要将图像裁剪后输出，如果是，后面为裁剪的左右上下的宽度 */	0	u(1)
if(frame_cropping_flag){
frame_crop_left_offset	0	ue(1)
frame_crop_right_offset	0	ue(1)
frame_crop_top_offset	0	ue(1)
frame_crop_bottom_offset	0	ue(1)
}
vui_parameters_present_flag /* 指明vui子结构是否出现在码流中，vui子结构在附录中指明，用于表征视频格式的信息 */	0	u(1)
if(vui_parameters_present_flag)
vui_parameters()	0
rbsp_trailing_bits()	0
}

表4