码流、码率、比特率、帧速率、分辨率、高清的区别基础知识

- 日理万妓 2023-01-01 10:56 269阅读 0赞

GOP/ 码流 /码率 / 比特率 / 帧速率 / 分辨率

GOP(Group of picture)

关键帧的周期，也就是两个IDR帧之间的距离，一个帧组的最大帧数，一般而言，每一秒视频至少需要使用 1 个关键帧。增加关键帧个数可改善质量，但是同时增加带宽和网络负载。

需要说明的是，通过提高GOP值来提高图像质量是有限度的，在遇到场景切换的情况时，H.264编码器会自动强制插入一个I帧，此时实际的GOP值被缩短了。另一方面，在一个GOP中，P、B帧是由I帧预测得到的，当I帧的图像质量比较差时，会影响到一个GOP中后续P、B帧的图像质量，直到下一个GOP开始才有可能得以恢复，所以GOP值也不宜设置过大。

同时，由于P、B帧的复杂度大于I帧，所以过多的P、B帧会影响编码效率，使编码效率降低。另外，过长的GOP还会影响Seek操作的响应速度，由于P、B帧是由前面的I或P帧预测得到的，所以Seek操作需要直接定位，解码某一个P或B帧时，需要先解码得到本GOP内的I帧及之前的N个预测帧才可以，GOP值越长，需要解码的预测帧就越多，seek响应的时间也越长。

CABAC/CAVLC

H.264/AVC标准中两种熵编码方法，CABAC叫自适应二进制算数编码，CAVLC叫前后自适应可变长度编码，

CABAC：是一种无损编码方式，画质好，X264就会舍弃一些较小的DCT系数，码率降低，可以将码率再降低10-15%（特别是在高码率情况下），会降低编码和解码的速速。

CAVLC将占用更少的CPU资源，但会影响压缩性能。

*  帧：当采样视频信号时，如果是通过逐行扫描，那么得到的信号就是一帧图像，通常帧频为25帧每秒（PAL制）、30帧每秒（NTSC制）；  
    场：当采样视频信号时，如果是通过隔行扫描（奇、偶数行），那么一帧图像就被分成了两场，通常场频为50Hz（PAL制）、60Hz（NTSC制）；  
    帧频、场频的由来：最早由于抗干扰和滤波技术的限制，电视图像的场频通常与电网频率（交流电）相一致，于是根据各地交流电频率不同就有了欧洲和中国等PAL制的50Hz和北美等NTSC制的60Hz，但是现在并没有这样的限制了，帧频可以和场频一样，或者场频可以更高。  
    帧编码、场编码方式：逐行视频帧内邻近行空间相关性较强，因此当活动量非常小或者静止的图像比较适宜采用帧编码方式；而场内相邻行之间的时间相关性较强，对运动量较大的运动图像则适宜采用场编码方式。

Deblocking,开启会减少块效应。  
FORCE\_IDR,是否让每个I帧变成IDR帧，如果是IDR帧，支持随机访问。  
frame,tff,bff  
–frame 将两场合并作为一帧进行编码,–tff Enable interlaced mode (开启隔行编码并设置上半场在前),–bff Enable interlaced mode。  
PAFF 和MBAFF：当对隔行扫描图像进行编码时，每帧包括两个场，由于两个场之间存在较大的扫描间隔，这样，对运动图像来说，帧中相邻两行之间的空间相关性相对于逐行扫描时就会减小，因此这时对两个场分别进行编码会更节省码流。

*  对帧来说，存在三种可选的编码方式：将两场合并作为一帧进行编码(frame 方式)或将两场分别编码(field  
    方式)或将两场合并起来作为一帧，但不同的是将帧中垂直相邻的两个宏块合并为宏块对进行编码；前两种称为PAFF  
    编码，对运动区域进行编码时field 方式有效，对非运区域编码时，由于相邻两行有较大的相关性，因而frame  
    方式会更有效。当图像同时存在运动区域和非运动区域时，在MB 层次上，对运动区域采取field 方式，对非运动区域采取frame  
    方式会更加有效，这种方式就称为MBAFF，预测的单位是宏块对。

码流 / 码率

码流(Data Rate)是指视频文件在单位时间内使用的数据流量，也叫码率或码流率，通俗一点的理解就是取样率,是视频编码中画面质量控制中最重要的部分，一般我们用的单位是kb/s或者Mb/s。一般来说同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。码流越大，说明单位时间内取样率越大，数据流，精度就越高，处理出来的文件就越接近原始文件，图像质量越好，画质越清晰，要求播放设备的解码能力也越高。

当然，码流越大，文件体积也越大，其计算公式是文件体积=时间X码率/8。例如，网络上常见的一部90分钟1Mbps码流的720P RMVB文件，其体积就=5400秒×1Mb/8=675MB。

通常来说，一个视频文件包括了画面及声音，例如一个RMVB的视频文件，里面包含了视频信息和音频信息，音频及视频都有各自不同的采样方式和比特率，也就是说，同一个视频文件音频和视频的比特率并不是一样的。而我们所说的一个视频文件码流率大小，一般是指视频文件中音频及视频信息码流率的总和。

以以国内最流行，大家最熟悉的RMVB视频文件为例，RMVB中的VB，指的是VBR，即Variable Bit Rate的缩写，中文含义是可变比特率，它表示RMVB采用的是动态编码的方式，把较高的采样率用于复杂的动态画面(歌舞、飞车、战争、动作等)，而把较低的采样率用于静态画面，合理利用资源，达到画质与体积可兼得的效果。

码率和取样率最根本的差别就是码率是针对源文件来讲的。

采样率

采样率（也称为采样速度或者采样频率）定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样率是指将模拟信号转换成数字信号时的采样频率，也就是单位时间内采样多少点。一个采样点数据有多少个比特。比特率是指每秒传送的比特(bit)数。单位为 bps(Bit Per Second)，比特率越高，传送的数据越大，音质越好.比特率 =采样率 x 采用位数 x声道数.

采样率类似于动态影像的帧数，比如电影的采样率是24赫兹，PAL制式的采样率是25赫兹，NTSC制式的采样率是30赫兹。当我们把采样到的一个个静止画面再以采样率同样的速度回放时，看到的就是连续的画面。同样的道理，把以44.1kHZ采样率记录的CD以同样的速率播放时，就能听到连续的声音。显然，这个采样率越高，听到的声音和看到的图像就越连贯。当然，人的听觉和视觉器官能分辨的采样率是有限的，基本上高于44.1kHZ采样的声音，绝大部分人已经觉察不到其中的分别了。

而声音的位数就相当于画面的颜色数，表示每个取样的数据量，当然数据量越大，回放的声音越准确，不至于把开水壶的叫声和火车的鸣笛混淆。同样的道理，对于画面来说就是更清晰和准确，不至于把血和西红柿酱混淆。不过受人的器官的机能限制，16位的声音和24位的画面基本已经是普通人类的极限了，更高位数就只能靠仪器才能分辨出来了。比如电话就是3kHZ取样的7位声音，而CD是44.1kHZ取样的16位声音，所以CD就比电话更清楚。

当你理解了以上这两个概念，比特率就很容易理解了。以电话为例，每秒3000次取样，每个取样是7比特，那么电话的比特率是21000。 而CD是每秒 44100次取样，两个声道，每个取样是13位PCM编码，所以CD的比特率是44100*2*13=1146600，也就是说CD每秒的数据量大约是 144KB，而一张CD的容量是74分等于4440秒，就是639360KB＝640MB。

码率和取样率最根本的差别就是码率是针对源文件来讲的。

比特率

比特率是指每秒传送的比特(bit)数。单位为bps(Bit Per Second)，比特率越高，传送的数据越大。在视频领域,比特率常翻译为码率 !!!

比特率表示经过编码（压缩）后的音、视频数据每秒钟需要用多少个比特来表示，而比特就是二进制里面最小的单位，要么是0，要么是1。比特率与音、视频压缩的关系，简单的说就是比特率越高，音、视频的质量就越好，但编码后的文件就越大；如果比特率越少则情况刚好相反。

比特率是指将数字声音、视频由模拟格式转化成数字格式的采样率，采样率越高，还原后的音质、画质就越好。

常见编码模式：

VBR（Variable Bitrate）动态比特率 也就是没有固定的比特率，压缩软件在压缩时根据音频数据即时确定使用什么比特率，这是以质量为前提兼顾文件大小的方式，推荐编码模式；

ABR（Average Bitrate）平均比特率 是VBR的一种插值参数。LAME针对CBR不佳的文件体积比和VBR生成文件大小不定的特点独创了这种编码模式。ABR在指定的文件大小内，以每50帧（30帧约1秒）为一段，低频和不敏感频率使用相对低的流量，高频和大动态表现时使用高流量，可以做为VBR和CBR的一种折衷选择。

CBR（Constant Bitrate），常数比特率 指文件从头到尾都是一种位速率。相对于VBR和ABR来讲，它压缩出来的文件体积很大，而且音质相对于VBR和ABR不会有明显的提高。

帧速率

帧速率也称为FPS(Frames PerSecond)的缩写——帧/秒。是指每秒钟刷新的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。越高的帧速率可以得到更流畅、更逼真的动画。每秒钟帧数(FPS)越多，所显示的动作就会越流畅。

分辨率

就是帧大小每一帧就是一副图像。

640\*480分辨率的视频，建议视频的码速率设置在700以上，音频采样率44100就行了

一个音频编码率为128Kbps，视频编码率为800Kbps的文件，其总编码率为928Kbps，意思是经过编码后的数据每秒钟需要用928K比特来表示。  
计算输出文件大小公式：  
（音频编码率（KBit为单位）/8 +视频编码率（KBit为单位）/8）×影片总长度（秒为单位）=文件大小（MB为单位）

高清视频

目前的720P以及1080P采用了很多种编码，例如主流的MPEG2，VC-1以及H.264，还有Divx以及Xvid，至于封装格式更多到令人发指，ts、mkv、wmv以及蓝光专用等等。

720和1080代表视频流的分辨率，前者1280*720，后者1920*1080，不同的编码需要不同的系统资源，大概可以认为是H.264>VC-1>MPEG2。

VC-1是最后被认可的高清编码格式，不过因为有微软的后台，所以这种编码格式不能小窥。相对于MPEG2，VC-1的压缩比更高，但相对于H.264而言，编码解码的计算则要稍小一些，目前来看，VC-1可能是一个比较好的平衡，辅以微软的支持，应该是一只不可忽视的力量。一般来说，VC-1多为 “.wmv”后缀，但这都不是绝对的，具体的编码格式还是要通过软件来查询。

总的来说，从压缩比上来看，H.264的压缩比率更高一些，也就是同样的视频，通过H.264编码算法压出来的视频容量要比VC-1的更小，但是VC-1 格式的视频在解码计算方面则更小一些，一般通过高性能的CPU就可以很流畅的观看高清视频。相信这也是目前NVIDIA Geforce 8系列显卡不能完全解码VC-1视频的主要原因。

PS&TS是两种视频或影片封装格式，常用于高清片。扩展名分别为VOB/EVO和TS等；其文件编码一般用MPEG2/VC-1/H.264

高清，英文为“High Definition”，即指“高分辨率”。 高清电视(HDTV)，是由美国电影电视工程师协会确定的高清晰度电视标准格式。现在的大屏幕液晶电视机，一般都支持1080i和720P，而一些俗称的“全高清”(Full HD)，则是指支持1080P输出的电视机。

目前的高清视频编码格式主要有H.264、VC-1、MPEG-2、MPEG-4、DivX、XviD、WMA-HD以及X264。事实上，现在网络上流传的高清视频主要以两类文件的方式存在：一类是经过MPEG-2标准压缩，以tp和ts为后缀的视频流文件;一类是经过WMV-HD(Windows Media Video HighDefinition)标准压缩过的wmv文件，还有少数文件后缀为avi或mpg，其性质与wmv是一样的。真正效果好的高清视频更多地以H.264与VC-1这两种主流的编码格式流传。

一般来说，H.264格式以“.avi”、“.mkv”以及“.ts”封装比较常见。

位率（定码率，变码率）  
位率又称为“码率”。指单位时间内，单个录像通道所产生的数据量，其单位通常是bps、Kbps或Mbps。可以根据录像的时间与位率估算出一定时间内的录像文件大小。 　位率是一个可调参数，不同的分辨率模式下和监控场景下，合适的位率大小是不同的。在设置时，要综合考虑三个因素： 　　  
1、分辨率 　　  
分辨率是决定位率（码率）的主要因素，不同的分辨率要采用不同的位率。总体而言，录像的分辨率越高，所要求的位率（码率）也越大，但并不总是如此，图1说明了不同分辨率的合理的码率选择范围。所谓“合理的范围”指的是，如果低于这个范围，图像质量看起来会变得不可接受；如果高于这个范围，则显得没有必要，对于网络资源以及存储资源来说是一种浪费。 　　  
2、场景 　　  
监控的场景是设置码率时要考虑的第二个因素。在视频监控中，图像的运动剧烈程度还与位率有一定的关系，运动越剧烈，编码所要求的码率就越高。反之则越低。因此在同样的图像分辨率条件下，监控人多的场景和人少的场景，所要求的位率也是不同的。 　　  
3、存储空间 　　  
最后需要考量的因素是存储空间，这个因素主要是决定了录像系统的成本。位率设置得越高，画质相对会越好，但所要求的存储空间就越大。所以在工程实施中，设置合适的位率即可以保证良好的回放图像质量，又可以避免不必要的资源浪费。 　　  
位率类型 　　  
位率类型又称为码率类型，共有两种——动态码率（VBR）和固定码率（CBR）。所谓动态码率是指编码器在对图像进行压缩编码的过程中，根据图像的状况实时调整码率高低的过程，例如当图像中没有物体在移动时，编码器自动将码率调整到一个较低的值。但当图像中开始有物体移动时，编码器又自动将码率调整到一个较高的值，并且实时根据运动的剧烈程度进行调整。这种方式是一种图像质量不变，数据量变化的编码模式。 　　  
固定码率是指编码器在对图像进行编码的过程中，自始至终采用一个固定的码率值，不论图像情况如何变化。这种方式是码率量不变，而图像质量变化的编码模式。在动态码率模式下，我们在硬盘录像机上设置的位率值称为“位率上限”。意思是我们人为设定一个编码码率变化的上限，可以低于，但不能高于。根据这个位率值，我们可以估算出一定时间内的存储容量的上限值。 　　  
在固定码率模式下，在硬盘录像机上设置的位率值就是编码时所使用的位率值，根据这个数值，我们可以精确地估算出一定时间内的存储容量。

QP(quantizer parameter)  
介于0~31之间，值越小，量化越精细，图像质量就越高，而产生的码流也越长。  
PSNR

允许计算峰值信噪比(PSNR,Peak signal-to-noise ratio),编码结束后在屏幕上显示PSNR计算结果。开启与否与输出的视频质量无关，关闭后会带来微小的速度提升。  
profile level  
分别是BP、EP、MP、HP：  
1、BP-Baseline Profile：基本画质。支持I/P 帧，只支持无交错（Progressive）和CAVLC；  
2、EP-Extended profile：进阶画质。支持I/P/B/SP/SI 帧，只支持无交错（Progressive）和CAVLC；  
3、MP-Main profile：主流画质。提供I/P/B 帧，支持无交错（Progressive）和交错（Interlaced），也支持CAVLC 和CABAC 的支持；  
4、HP-High profile：高级画质。在main Profile 的基础上增加了8x8内部预测、自定义量化、无损视频编码和更多的YUV 格式；

H.264规定了三种档次，每个档次支持一组特定的编码功能，并支持一类特定的应用。  
1）基本档次：利用I片和P片支持帧内和帧间编码，支持利用基于上下文的自适应的变长编码进行的熵编码（CAVLC）。主要用于可视电话、会议电视、无线通信等实时视频通信；  
2）主要档次：支持隔行视频，采用B片的帧间编码和采用加权预测的帧内编码；支持利用基于上下文的自适应的算术编码（CABAC）。主要用于数字广播电视与数字视频存储；  
3）扩展档次：支持码流之间有效的切换（SP和SI片）、改进误码性能（数据分割），但不支持隔行视频和CABAC。主要用于网络的视频流，如视频点播。

Reference  
指两个P帧之间的距离。

主码流/副码流  
主码流位率高，图像质量高，便于本地存储；副码流位率低，图像质量低，便于网络传输。  
总结：

编码参数不能只知道帧率，码率，I帧间隔，QP因子，更要知道其他参数的作用。