压缩视频流的结构 - 安防知识网

视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频压缩比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。由于视频是连续的静态图像，因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处，但是运动的视频还有其自身的特性，因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的目标。

通常视频流中视频数据分帧传输，帧分三种类型I帧、P帧和B帧。

I帧（Intra帧）：描述当前图像的所有信息，信息比较多，所以占空间和带宽比较大。I图为不要基准图像编码作为基准所产生的图像，称为帧内编码图（ICP-IntraCodedPictures）。特点是：数据量最大；帧内中等程度压缩；无运动预测，可采用自相关性，即帧内相邻像素、相邻行的亮度、色度信号都具有渐变的空间相关性，可作静止图像处理，无条件传送；图像可随机进入压缩图像数据序列，进行编码。

P帧（Inter帧）：描述当前图像和上一帧图像不同的地方或某块区域移动信息，需要对照上帧解码后的图像进行解码，这样就减小了该帧的数据量。P图是以最近的上一个I图或P图为基准进行运动补偿预测所产生的图像，称为预测编码图（PCP-PredictiveCodedPictures）。P图的特点是：本身是前I图或P图的前向预测（FP-ForwardPrediction）结果，也是产生下一个P图的基准图像；高编码效率，与I图相较，可提供更大的压缩比；前一个P图是下一个P图补偿预测的基准，如果前者存在误码，则后者会将编码误差积累起来、传播下去。

B帧：描述当前图像和上一帧以及下一帧图像不同的地方或某些区域的移动信息，由于可以参考下一帧的信息进行编码，从而减小B帧的大小。目前对B图有两种趋同的理解：其一，B图是同时以前面的I图或P图和后面的P图或I图为基准进行运动补偿预测所产生的图像，称为双向预测编码图（BPCP-BidirectionalPredictiveCodedPicture）。前面的I图或P图代表“过去信息”，后面的P图或I图代表“未来信息”，由于同时使用了“过去”和“未来”两种信息，所以称为双向预测。其二，由于帧序列相邻帧画面间的运动部分具有连续到时间相关性，可将当前画面看成是前一画面某一时刻图像的位移，当然位移方向及幅值在帧内各处未必相同，只要用前面最近时刻的I图或P图及代表运动的位移信息，便可预测出当前图像，称为前向预测（FP）。根据某时刻的图像及反映位移信息的运动矢量，预测出某时刻以前的图像，以便预测出前一帧中没有显露而现在出现的信息，称为后向预测（BP-BackwordPrediction）。B图是将前向预测（FP）与后向预测（BP）同时使用并取其平均值后所产生的图像，称为双向预测图或平均值预测图。

为了在高效压缩编码的条件下、获得可随机存取的高压缩比、高质量图像，MPEG定义了I、P、B三种图像格式，分别简称为帧内图（IntraPicture）、预测图(PredictedPicture)及双向图(BidirectionalPicture),即I图、P图及B图，用于表示1/30s时间间隔的帧序列画面。因为，要满足随机存取的要求，仅利用I图本身信息进行帧内编码就可以了；要满足高压缩比和高质量图像的要求，单靠I图帧内编码还不行，还要加上由P图和B图参与的帧间编码，以及块匹配运动补偿预测，即用前一帧图像预测当前图像的因果预测和用后一帧图像预测当前图像的内插预测。这就要求帧内编码与帧间编码平衡，因果预测与内插预测间的平衡。平衡的结果是随机存取的高压缩比、高质量图像的统一。

一个GOP由I为起始的一串IBP帧组成，GOP的长度是前一个I帧到下一个I帧之前的B帧之间的间隔，如I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10中从I1到B9就是GOP的长度。GOP越长，MPEG-2编码越有效，而数据流的编辑及组接越困难。一般，最多由12帧组成。基准帧重复频率的不同，可提供不同的输出码率。GOP的结构随码率变化而不同，如码率大于40Mbps时，帧重复方式为只有I帧，GOP最短，具有高效率的优点；码率为15-40Mbps时，帧重复方式为IB，GOP较短；码率小于15Mbps时，帧重复方式为IBP或IBBP，GOP较长，有延迟，影响存取速度。总之，图像质量随着码率10-50Mbps的升高而提高，随着帧重复方式I-IB-IBBP使GOP变长而增长。尽管帧重复方式可以是IP,IB,IBP,IBBP,甚至是只有I帧，但针对不同的应用及码率，有不同的GOP结构：新闻编采，码率18Mbps，采用IB帧的GOP结构；节目分配，码率20Mbps，采用IBBP帧的GOP结构；存档，码率30Mbps，采用IB帧的GOP结构：后期制作，码率50Mbps，采用I帧GOP结构。图13表示了GOP与图像质量的关系及应用,图中编码规则是：I帧4:2:2@MLMPEG速率为40-50Mbps；IBIBIB序列速率为25-30Mbps；长GOPIBP序列速率为12-18Mbps。