基本概念
frame：帧，相当于一幅图像，包含一个亮度矩阵和两个色度矩阵。
field：场，一帧图像，通过隔行扫描得到奇偶两场，分别称为顶场和底场或奇场和偶场。
macroblock/MB：宏块，H.264中处理（预测、变换、量化）的基本单元，大小16*16个像素。
slice group：条带组，每一帧/场图像中，按照光栅扫面的顺序，将一帧图像分成多个条带(slice)，而一个条带又由多个MB/MB对构成。
分割为两个条带的11×9个宏块的图像
I/P/B 宏块：I宏块只能利用所在slice中已编码的像素进行帧内预测。P宏块是利用已编码的图像的像素进行帧间预测，属于前向预测，即参考图像是播放顺序中该帧图像之前的图像。B宏块也是利用已编码的图像像素进行帧间预测，属于双向预测，即参考图像可以是播放顺序前后的图像。
I/P/B条带：仅包含I宏块的是I条带，同时包含I宏块和P宏块的是P条带，同时包含I条带和B宏块的是B条带。
I/P/B帧：I帧只包含I条带，P帧只包含P条带，B帧只包含B条带。
List0/List1：List0是前向参考帧列表，List1是后向参考帧列表。所以P帧预测只用到List0，B帧预测会用到List0和List1。
profile：档次，所谓档次就是H.264支持的一组工具集合和特定的应用领域。AVC里规定了几种不同的档次，主要有基本档次(Baseline profile)、主要档次(Main profile)和扩展档次(Extended profile)。
三种档次共有工具：
》支持I帧和P帧进行帧内和帧间编码
》利用CAVLC（上下文自适应的可变长度编码）进行熵编码
》使用去块效应滤波
》zigzag扫描
》1/4像素精度的运动估计
》最小为4x4的三级运动估计分块
》4:2:0的YUV抽样
基本档次的特性：
主要档次的特性：
》支持B帧、加权的帧内预测、CABAC（上下文自适应的二进制算术编码）
扩展档次的特性：
》包括基本档次的所有特性和B帧、加权的帧内预测
》支持SP/SI条带，用于流间切换、拼接和随机接入
H264压缩技术
H264 视频格式是经过有损压缩的，但在技术上尽可能做的降低存储体积下获得较好图像质量和低带宽图像快速传输。
H264压缩技术主要采用了以下几种方法对视频数据进行压缩。包括：
- 帧内预测压缩，解决的是空域数据冗余问题。
- 帧间预测压缩（运动估计与补偿），解决的是时域数据冗余问题。
- 整数离散余弦变换（DCT），将空间上的相关性变为频域上无关的数据然后进行量化。
- CABAC压缩。
H264结构中，一个视频图像编码后的数据叫做一帧，一帧由一个片（slice）或多个片组成，一个片由一个或多个宏块（MB）组成，一个宏块由16x16的yuv数据组成。宏块作为H264编码的基本单位。
在H264协议内定义了三种帧，分别是I帧、B帧与P帧。I帧就是之前所说的一个完整的图像帧，而B、帧与P帧所对应的就是之前说的不编码全部图像的帧。P帧与B帧的差别就是P帧是参考之前的I帧而生成的，而B帧是参考前后图像帧编码生成的。
经过压缩后的帧分为：I帧，P帧和B帧:
- I帧：关键帧，采用帧内压缩技术。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：向前参考帧，在压缩时，只参考前面已经处理的帧。采用帧间压缩技术。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：双向参考帧，在压缩时，它既参考前而的帧，又参考它后面的帧。采用帧间压缩技术。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），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~。
还有一个概念是，IDR帧：
一个序列的第一个图像叫做 IDR 图像（立即刷新图像），IDR 图像都是 I 帧图像。H.264 引入 IDR 图像是为了解码的重同步，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 图像一定是 I 图像，但I图像不一定是 IDR 图像。一个序列中可以有很多的I图像，I 图像之后的图像可以引用 I 图像之间的图像做运动参考。
还有一点注意的，对于 IDR 帧来说，在 IDR 帧之后的所有帧都不能引用任何 IDR 帧之前的帧的内容，与此相反，对于普通的 I 帧来说，位于其之后的 B- 和 P- 帧可以引用位于普通 I- 帧之前的 I- 帧。从随机存取的视频流中，播放器永远可以从一个 IDR 帧播放，因为在它之后没有任何帧引用之前的帧。但是，不能在一个没有 IDR 帧的视频中从任意点开始播放，因为后面的帧总是会引用前面的帧。
继续再多补充一个概念，图像组（GOP）：
一个序列就是一段内容差异不太大的图像编码后生成的一串数据流。当运动变化比较少时，一个序列可以很长，因为运动变化少就代表图像画面的内容变动很小，所以就可以编一个 I 帧，然后一直 P 帧、B 帧了。当运动变化多时，可能一个序列就比较短了，比如就包含一个 I 帧和 3、4个P帧。
GOP是画面组，一个GOP是一组连续的画面。
GOP一般有两个数字，如M=3，N=12。M指定I帧与P帧之间的距离，N指定两个I帧之间的距离。那么现在的GOP结构是：
I 帧、B帧、P帧还有一些特点，如下：
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,因为它只反映并参考帧间运动主体的变化情况,预测比较准确;加大B帧的数量可以有效地提高视频数据的压缩比，但是在实时互动的环境下，过多的B帧会引起延时，因为B帧会过分的依赖于前后帧，在网络好的环境下，可以正常的传输帧，这样没有什么问题，但是在网络不好的时候，B帧会等待其他帧到来，会引起延时。
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。一般来说，I帧的压缩率是7（跟JPG差不多），P帧是20，B帧可以达到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。
备注：
视频传输中会出现连个比较常见的现象，花屏 和 卡顿
(1)如果在GOP分组中的P帧丢失，会造成解码端的图像发生错误。这就是花屏。GOP一组帧呈现出的连贯效果，由于P帧丢失，它需要更新的部分就没有，所以无法正常呈现。故出现花屏现象。
(2)为了解决花屏的问题发生，我们可以将丢失 P帧 或是 I帧 的 GOP 丢掉（包含其中的所有帧），直到下一个I帧再重新刷新图像。但是由于这一帧丢掉了，所以会出现卡顿。
H264压缩技术
H264的基本原理其实非常简单，我们就简单的描述一下H264压缩数据的过程。通过摄像头采集到的视频帧（按每秒 30 帧算），被送到 H264 编码器的缓冲区中。编码器先要为每一幅图片划分宏块。
H264采用的核心算法是帧内压缩和帧间压缩，帧内压缩是生成I帧的算法，帧间压缩是生成B帧和P帧的算法。
帧内（Intraframe）压缩也称为空间压缩（Spatialcompression）。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩是编码一个完整的图像，所以可以独立的解码、显示。帧内压缩一般达不到很高的压缩，跟编码jpeg差不多。
帧间（Interframe）压缩的原理是：相邻几帧的数据有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息,根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩（Temporalcompression），它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。帧差值（Framedifferencing）算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。
压缩方式说明
Step1：分组，也就是将一系列变换不大的图像归为一个组，也就是一个序列，也可以叫GOP（画面组）；
Step2：定义帧，将每组的图像帧归分为I帧、P帧和B帧三种类型；
Step3：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;
Step4：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。
- 划分宏块
H264默认是使用 16X16 大小的区域作为一个宏块，也可以划分成 8X8 大小。
划分好宏块后，计算宏块的象素值。
以此类推，计算一幅图像中每个宏块的像素值，所有宏块都处理完后如下面的样子。
划分子块
H264对比较平坦的图像使用 16X16 大小的宏块。但为了更高的压缩率，还可以在 16X16 的宏块上更划分出更小的子块。子块的大小可以是 8X16､ 16X8､ 8X8､ 4X8､ 8X4､ 4X4非常的灵活。
上幅图中，红框内的 16X16 宏块中大部分是蓝色背景，而三只鹰的部分图像被划在了该宏块内，为了更好的处理三只鹰的部分图像，H264就在 16X16 的宏块内又划分出了多个子块。
这样再经过帧内压缩，可以得到更高效的数据。下图是分别使用mpeg-2和H264对上面宏块进行压缩后的结果。其中左半部分为MPEG-2子块划分后压缩的结果，右半部分为H264的子块划压缩后的结果，可以看出H264的划分方法更具优势。
宏块划分好后，就可以对H264编码器缓存中的所有图片进行分组了。
帧分组
对于视频数据主要有两类数据冗余，一类是时间上的数据冗余，另一类是空间上的数据冗余。其中时间上的数据冗余是最大的。下面我们就先来说说视频数据时间上的冗余问题。
为什么说时间上的冗余是最大的呢？假设摄像头每秒抓取30帧，这30帧的数据大部分情况下都是相关联的。也有可能不止30帧的的数据，可能几十帧，上百帧的数据都是关联特别密切的。
对于这些关联特别密切的帧，其实我们只需要保存一帧的数据，其它帧都可以通过这一帧再按某种规则预测出来，所以说视频数据在时间上的冗余是最多的。
为了达到相关帧通过预测的方法来压缩数据，就需要将视频帧进行分组。那么如何判定某些帧关系密切，可以划为一组呢？我们来看一下例子，下面是捕获的一组运动的台球的视频帧，台球从右上角滚到了左下角。
H264编码器会按顺序，每次取出两幅相邻的帧进行宏块比较，计算两帧的相似度。如下图：
通过宏块扫描与宏块搜索可以发现这两个帧的关联度是非常高的。进而发现这一组帧的关联度都是非常高的。因此，上面这几帧就可以划分为一组。其算法是：在相邻几幅图像画面中，一般有差别的像素只有10%以内的点,亮度差值变化不超过2%，而色度差值的变化只有1%以内，我们认为这样的图可以分到一组。
在这样一组帧中，经过编码后，我们只保留第一帖的完整数据，其它帧都通过参考上一帧计算出来。我们称第一帧为IDR／I帧，其它帧我们称为P／B帧，这样编码后的数据帧组我们称为GOP。
运动估计与补偿
在H264编码器中将帧分组后，就要计算帧组内物体的运动矢量了。还以上面运动的台球视频帧为例，我们来看一下它是如何计算运动矢量的。
H264编码器首先按顺序从缓冲区头部取出两帧视频数据，然后进行宏块扫描。当发现其中一幅图片中有物体时，就在另一幅图的邻近位置（搜索窗口中）进行搜索。如果此时在另一幅图中找到该物体，那么就可以计算出物体的运动矢量了。下面这幅图就是搜索后的台球移动的位置。
通过上图中台球位置相差，就可以计算出台图运行的方向和距离。H264依次把每一帧中球移动的距离和方向都记录下来就成了下面的样子。
运动矢量计算出来后，将相同部分（也就是绿色部分）减去，就得到了补偿数据。我们最终只需要将补偿数据进行压缩保存，以后在解码时就可以恢复原图了。压缩补偿后的数据只需要记录很少的一点数据。如下所示：
我们把运动矢量与补偿称为帧间压缩技术，它解决的是视频帧在时间上的数据冗余。除了帧间压缩，帧内也要进行数据压缩，帧内数据压缩解决的是空间上的数据冗余。下面我们就来介绍一下帧内压缩技术。
帧内预测
人眼对图象都有一个识别度，对低频的亮度很敏感，对高频的亮度不太敏感。所以基于一些研究，可以将一幅图像中人眼不敏感的数据去除掉。这样就提出了帧内预测技术。
H264的帧内压缩与JPEG很相似。一幅图像被划分好宏块后，对每个宏块可以进行 9 种模式的预测。找出与原图最接近的一种预测模式。
下面这幅图是对整幅图中的每个宏块进行预测的过程。
帧内预测后的图像与原始图像的对比如下：
然后，将原始图像与帧内预测后的图像相减得残差值。
再将我们之前得到的预测模式信息一起保存起来，这样我们就可以在解码时恢复原图了。效果如下：
经过帧内与帧间的压缩后，虽然数据有大幅减少，但还有优化的空间。
对残差数据做DCT
可以将残差数据做整数离散余弦变换，去掉数据的相关性，进一步压缩数据。如下图所示，左侧为原数据的宏块，右侧为计算出的残差数据的宏块。
将残差数据宏块数字化后如下图所示：
将残差数据宏块进行 DCT 转换。
去掉相关联的数据后，我们可以看出数据被进一步压缩了。
做完 DCT 后，还不够，还要进行 CABAC 进行无损压缩。
CABAC
上面的帧内压缩是属于有损压缩技术。也就是说图像被压缩后，无法完全复原。而CABAC属于无损压缩技术。
无损压缩技术大家最熟悉的可能就是哈夫曼编码了，给高频的词一个短码，给低频词一个长码从而达到数据压缩的目的。MPEG-2中使用的VLC就是这种算法，我们以 A-Z 作为例子，A属于高频数据，Z属于低频数据。看看它是如何做的。
CABAC也是给高频数据短码，给低频数据长码。同时还会根据上下文相关性进行压缩，这种方式又比VLC高效很多。其效果如下：
现在将 A-Z 换成视频帧，它就成了下面的样子。
从上面这张图中明显可以看出采用 CACBA 的无损压缩方案要比 VLC 高效的多。
小结
至此，我们就将H264的编码原理讲完了。本篇文章主要讲了以下以点内容：
1. 简音介绍了H264中的一些基本概念。如I/P/B帧， GOP。
2. 详细讲解了H264编码的基本原理，包括：
- 宏块的划分
- 图像分组
- 帧内压缩技术原理
- 帧间压缩技术原理。
- DCT
- CABAC压缩原理。