H264的编码帧类型(IDR帧、I帧、P帧或B帧)和帧结构

通常一个H264码流中包含了多个GOP(图像组)，每一个GOP里面包含多个视频编码帧，如下图所示。GOP（Group of Pictures）图像组的意思。H264码流对GOP的划分是两个邻近关键帧(IDR帧)之间的图像为一个GOP，包含前面的IDR帧，不包含后面的IDR帧，包含第一个IDR帧后面的所有P帧和B帧；如下图GOP图像包含了5个图像编码帧,一个IDR帧和两个P帧，两个B帧。

GOP又分为开放(open)GOP和闭合(close)GOP；open GOP是指当前GOP中的P帧和B帧能将前一个GOP的图像作为参考帧，并且open gop中不存在IDR帧，会有I帧(下面会介绍)，假设下图是open GOP的情况，序号为6的P帧能参考序号为0的IDR帧(此时应该叫I帧)或者序号为6的P帧参考序号为1和4的P帧。close GOP是指当前GOP中的P帧和B帧不能将前一个GOP的图像作为参考帧，若下图是close GOP的情况序号为6的P帧不能参考序号为0的IDR帧，也不能参考序号为1和4的P帧，他只能参考序号为5的IDR帧。

一个GOP包含了一个IDR帧和多个P帧或B帧。这里在介绍下H264的编码帧类型：

IDR帧：Instantaneous Decoding Refresh，即时解码刷新帧；也叫关键帧。同时IDR帧也是I帧(帧内编码帧)；IDR帧编码上采用帧内编码技术，即IDR帧的编码和解码不需要参考其他视频帧，只对图像做空间上冗余的压缩编码；解码过程遇到IDR帧会重新解析计算解码参数，并清空之前的解码信息，可以防止前面GOP内的错误延续到当前GOP。
I帧：帧内（Intraframe）压缩编码帧；帧内压缩过程，主要是通过空间上邻近像素相似的特点来解决空间冗余(当前编码块/像素和周围块/像素存在相似或者相同就是空间冗余)的一个编码方法，比如常见的jpeg图像就是通过帧内编码压缩的图像。I帧不一定是IDR帧(关键帧)，IDR帧一定是I帧/关键帧；I帧解码不会像P帧B帧那样需要依赖前面或者后面视频帧图像，所以I帧可以单独一帧来解码；I帧和IDR帧最大的区别在于解码过程是否会清空之前的解码信息(IDR帧会清空之前的解码信息，I帧则不会)。
P帧：前向参考编码帧，通常采用帧间和帧内混合的编码方式。通常当前视频图像和前一帧视频图像有着相似和差异的内容，去除相似的内容，保留差异的值进行编码，就可以消除图像时间上的冗余；解码需要依赖参考帧，等参考帧解码完成后才能解码P帧。
B帧：双向参考编码帧，就是需要参考前面一帧图像也需要参考后面的一帧的图像；和P帧类似，B帧通常也采用帧间和帧内混合的编码方式；不同的地方是P帧是和前一帧的差异做编码，B帧不仅仅和前一帧差异做编码，也和后面一帧的差异进行编码；B帧解码需要依赖前后的参考帧，等前后参考帧解码全部完成后才能解码B帧。

P帧和B帧在编码的过程也可以采用帧内编码的模式，B帧和P帧主要靠帧间编码来提示压缩率的。下图2-1是一个I帧/IDR帧的信息，下面中画面中需要的橙色方块就是I帧/IDR帧采用帧内编码的数据块。下图2-2是P帧的信息，图2-2中方块的颜色大多是蓝色，这表示这些数据采用帧间编码；另外有小部分是橙色方块这些块采用帧内编码。

二、H264帧结构：

我们知道H264视频码流是由若干个GOP组成，而GOP由一个I帧和多个P帧/B帧组成。那么I帧和P帧/B帧的构成是什么样子的呢？H264在功能上分为两层：NAL 层，和VLC层。

NAL层：NetworkAbstraction Layer，网络提取层；再将VLC层数据进行存储或者传输前需要将这些VLC数据映射或者封装到NAL单元中。
VLC层：VideoCoding Layer，视频编码层；视频图像编码后输出的数据，他表示被压缩后的视频序列。

在一帧编码图像中存在一个或多个NAL Unit(Nal 单元)；NAL单元包含NAL Unit Header（Nal 单元头）和NAL Unit Body（Nal 单元主体数据）；NAL Unit Header由起始码和Nal Type组成。NAL Unit Body通常是RBSP(Raw Byte Sequence Payload 原始字节序列载荷)数据 ,即编码后的比特流数据。

Nal Unit 起始码通常是十六进制数0x000001或者0x00000001；在解析Nal Unit的时候首先要找到起始码，根据起始码的位置来判断一个NalUnit的开始或者结束。NalUnit根据类型可以分为 SPS、PPS、I Slice、P slice、B slice等：

SPS：Sequence Paramater Set 序列参数集；主要记录了编码视频的的 Profile、level、图像宽高等。
PPS：Picture Paramater Set 图像参数集；主要记录编码数据所依赖的参数，如参考帧，图像序列计算方法等。
Islice/Pslice/Bslice：编码帧片数据；在编码I帧、P帧或者B帧的时候会将待编码的图像分成一个或多个Slice(片)，对每个Slice单独编码生成Slice编码数据；在多线程的时候多个Slice可以并行编码提高编码速度。

SPS和PPS记录的数据是GOP里面图像的信息或者单个图像的信息，这些信息都是公共的部分，比如一个GOP的图像分辨率都是一样的；所以通常SPS和PPS Nal Unit数据放在GOP的IDR帧前面或者I帧前面，通常说PPS和SPS在IDR/I帧里面。

如何区分Nal Unit里面数据类型呢？通过Nal Type来判断当前Nal Unit的类型；Nal Unit 定义如下；根据nal_unit_type字段来解析Nal Unit的类型。下图可以看出nal_unit_type在码流前8个bit中，具体在前8个比特的高5bit的位置,nal_unit_type的取值计算为(data[0] &0x1f)。

nal_unit_type字段定义如下；如下图可以知道 nal_unit_type为7时候 Nal Unit是SPS；nal_unit_type为8时候 Nal Unit是PPS；nal_unit_type为5时候 Nal Unit是IDR Slice；nal_unit_type为1时候 Nal Unit是非IDR Slice；nal_unit_type为9时候 Nal Unit是SEI（视频增强信息）: