H.264的两个基本概念：IDR，dts/pts

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May 12, 2020
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2020-05-12-h264-idr-dts-pts
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音视频
H.264
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本文总结了在H.264中IDR Frame以及dts、pts的相关概念。

IDR帧与I帧之间的区别

IDR：Instantaneous Decoding Refresh。
I帧与IDR帧之间的区别涉及到H.264中不同帧类型的视频解码过程。
  • 对于普通的I帧（及其IDR帧）而言，对其进行的视频解码不依赖于其他帧，对每一个I帧（及其IDR帧）解码都可以得到一张完整的图像。
  • 对于每一个P帧而言，对其进行解码需要参考其前面的I帧或者P帧，才能成功的解码出来一帧完整的图像；
  • B帧的解码则更复杂一些，对其进行解码不仅要参考前面的I帧或者P帧，还有可能要参考其后面的P帧解码后的图像；
为了能够支持以上解码过程，H.264的解码算法需要维护一个参考帧列表DPB（Decorded Picture Buffer），实际上就是一个普通的缓存空间，用于存放每一帧完成解码的图像数据，因此：
  • I帧的解码不需要依赖于DPB中的内容，直接独立进行解码就可以产生一张完整的图像，填入DPB中，此后就可以作为其他P帧和B帧解码的参考；
  • P帧和B帧的解码则需要依赖于DPB中已经解码好的图像帧，解码完成后同样放入DPB中，作为后面的P帧和B帧的解码参考帧。
注意：P帧和B帧的解码不仅可能依赖于其前面紧邻的那个I帧，还有可能要依赖于更前面的帧。这一点就导致了I帧和IDR帧的细微差别：
IDR帧是一种特殊的I帧，在IDR帧之后的所有P帧和B帧的解码都只会向前参考到这个IDR帧，而不会参考这个IDR帧之前的帧。因此在解码器在对一个IDR帧进行解码的时候，就可以直接把DPB中保存的所有缓存数据全部清空，这是很自然的道理：因为这个IDR帧后面的所有帧的解码都不会参考这个IDR帧之前的数据。
总结起来：
  • IDR帧一定是I帧，但I帧不一定是IDR帧。
  • IDR帧会导致DPB被清空，而普通的I帧不会，因为其后面的帧解码有可能要参考到普通I帧前面的帧。
  • 也正因为以上道理，在对视频流或者视频文件在播放过程中做seek操作的时候，一定要找到IDR帧开始进行解码播放，否则如果在I帧位置进行播放，有可能会因为其后面的帧解码时要依赖于这个I帧前面的帧而造成花屏。

dts与pts

dts、pts 的概念如下所述：
  • dts（Decoding Time Stamp）：即解码时间戳，这个时间戳的意义在于告诉播放器该在什么时候解码这一帧的数据。
  • pts（Presentation Time Stamp）：即显示时间戳，这个时间戳用来告诉播放器该在什么时候显示这一帧的数据。
实际上dts和pts的概念与B帧息息相关，当编解码器只有I帧和P帧的时候，视频解码和播放的顺序是完全一致的，因此dts与pts是相等的，这个时候讨论dts和pts就意义不大了，播放器只需要按照原来的顺序进行解码和显示就可以了。
但是如果引入了B帧，就会导致解码和显示的顺序不一样。这是因为：
  • B帧的解码需要依赖于其后面的帧，所以解码B帧的时候要先把其后面的帧解码才能对B帧成功解码，但是在播放的时候则需要按照原来的顺序进行播放，也就是说解码和播放显示的顺序不一致。
例如：
一个帧序列播放的顺序是：I B1 B2 P；
  • I帧可以独立解码，因此首先解码，I帧解码顺序为1，播放顺序为1；
  • B1和B2的解码需要依赖于I帧和后面的P帧，所以需要等P帧先解码；
  • P帧解码顺序为2，播放顺序为4；
  • B1的解码需要依赖于B2，因此B2先解码，B2的解码顺序为3，播放顺序为3；
  • B1的解码顺序为4，播放顺序为2。
也就是说：
Frame： I B1 B2 P;
dts：         1 4   3  2；
pts：         1 2   3  4；

参考资料

  1. 《音视频开发进阶指南》第一章；
  1. H264中I帧和IDR帧的区别
  1. 理解音视频PTS和DTS
 

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