H.264編碼中IDR幀應用的思考

【摘要】 本文說明了H.264編碼中IDR幀與普通I幀的區別，指出了IDR幀在H.264編碼節目拆條編輯中的重要應用，給出了IPTV播出應用中編碼器IDR幀設置應注意的問題及解決方法。

【關鍵詞】 H.264 IDR幀 拆條編輯 編碼器

當前，隨著我國三網融合工作的開展，以H.264為代表的新一代編碼技術在IPTV、互聯網電視、手機電視等新媒體領域中得到廣泛應用。為此，深入了解H.264的編碼特性，做好H.264編碼節目的編輯、存儲、播出具有十分重要的意義。作者結合在新媒體領域中對H.264編碼標準的應用，對其編碼中IDR幀的意義與應用試做分析。

一. IDR幀的概念

在H.264編碼中為了提高編碼效率，采用了與傳統MPEG-2編碼不同的幀預測方式，在H.264編碼中的B、P幀與MPEG-2中的B、P幀具有不同的幀間預測特性，H.264中的B、P幀能以多個視頻幀做為參考幀，以獲取更高的壓縮比，正是這些新的特性進一步提高了H.264編碼的壓縮效率。為此，也在H.264編碼中引入了一個關鍵幀的概念即IDR幀。

IDR幀是一個GOP（Group of Pictures）中的首個I幀，即從IDR幀開始，重新開始一個新的序列編碼，它的作用是使解碼器立即刷新，從而使預測錯誤不致傳播，并提供隨機訪問的能力。一個GOP中可以有很多的I幀，但只能有一個IDR幀。IDR幀一定是I幀，但I幀不一定是IDR幀。對IDR幀的編碼處理與I幀的處理相同：（1）進行幀內預測，決定所采用的幀內預測模式。（2）像素值減去預測值，得到殘差。（3）對殘差進行變換和量化。（4）變長編碼和算術編碼。（5）重構圖像并濾波，得到的圖像作為其它幀的參考幀。

H.264與MPEG-2編碼的不同是，相對普通的I幀，位于其之后的B幀和P幀可以引用位于其之前的圖像幀最為參考，而對于IDR幀來說，在IDR幀之后的所有幀都不能引用其之前的幀的內容。由此可以看出，從隨機存取的視頻流中，播放器永遠可以從一個IDR幀播放，因為在它之后沒有任何幀引用之前的幀。但是，不能在一個沒有IDR幀的視頻中從任意點開始播放，因為后面的幀總是會引用前面的幀進行幀間預測。

二. IDR幀在節目拆條編輯制作中的作用

在IPTV等新媒體領域，由于節目內容服務平臺節目生產的需要，在節目拆條編輯中，需要對H.264編碼的多條素材或單條素材進行快速剪輯，編輯后的節目直接輸出并不需再轉碼，以提高效率。但如果我們選用的素材在編碼過程中，沒有指定IDR幀作為關鍵幀，則在快編時編輯點后的所有圖像都需要重新計算編碼后再輸出，大大降低了信號質量和生產效率。IDR就是這樣一種特殊的I幀，它確保后面的任何幀一定不參考其前面的幀，可以放心地作為關鍵幀，而將快編后的重新編碼計算量限定在編輯點前后2個GOP之內。

天津衛視IPTV直播編碼中的一個視頻片段的幀結構及語法如圖1所示。

為了分析方便，可以將上圖的幀結構更直觀的表示為如表1所示：

通過IDR幀的原理，我們可以看出，如果一個視頻流的GOP的第一幀不是IDR幀而是普通I幀，會因為H.264采用了多幀預測，有可能I幀后的P、B會參考I幀前的幀，這樣在編輯時如果以任意幀為編輯點，則隨后的幀都應重新進行預測編碼，這無疑會增加設備的運算量，降低編輯效率。

一幅圖像根據概念來分可以分為兩種：IDR圖像和非IDR圖像。一幅圖像是否是IDR圖像是由組成該圖像的NALU值決定的，如果組成該圖像的NALU如“圖1”語法結構中nal_unit_type值為5，則該圖像為IDR幀，否則為非IDR幀。由此我們可以得出這樣的結論：

（1）nal_unit_type值為5的NALU只會出現在IDR幀中，而IDR幀中的所有NALU都是nal_unit_type 值為5的NALU；

（2）我們以組成一幅圖像的幀的類型來區分該圖像是否是IDR圖像是不對的。一個圖像序列中的所有幀都是I幀并不代表這個圖像就是IDR圖像。因為I幀也可以從屬于nal_unit_type值為1的NALU。

可見，在編碼器設置中進行參數設定，適時指定IDR幀十分重要。

三. 天津IPTV節目快編問題的解決

在天津IPTV試驗播出階段，我們發現，由于開始播出平臺采用的編碼器沒有設置IDR幀或編碼器預設的IDR幀間隔太大（48幀），這不僅造成IPTV信號傳輸后可能出現預測錯誤傳播，而且會直接導致我們的播出信號經收錄后不能進行快速拆條編輯或造成編輯點嚴重馬賽克現象。

為此，我們將所有的編碼器均設置了IDR幀，同時為了保證收錄后節目的快編效率，在兼顧視頻碼率的情況下，采用短GOP即24幀的圖像組結構，如“圖1”所示。保證在拆條編輯時，重新編碼的圖像僅限于編輯點的前后兩個GOP，在提高快編效率的同時，保證了視頻質量，滿足了IPTV節目收錄后快速拆條編輯的業務需要。目前，天津IPTV內容服務平臺快編系統生產效率高，運行穩定。

四. 結束語

隨著信源編碼技術的發展，H.264編碼作為一項更加高效的信源編碼標準，在IPTV、網絡電視、手機電視等新媒體領域得到廣泛應用。為此，作為廣電技術人員加強對H.264編碼標準的學習研究，掌握其技術特點和編碼特性，應用好IDR幀這一技術，對提高新媒體電視信號播出質量和節目生產效率具有十分重要的意義。BP

參考文獻：

（1）劉峰編著，視頻圖像編碼技術及國際標準，北京郵電大學出版社，2005年7月1日

（2）鄧中亮、段大高、崔巖松等著，基于H.264的視頻編＼解碼與控制技術，北京郵電大學出版社，2010年7月1日