H.264（MPEG-4 AVC）層級（Level）、DPB 與 MaxDpbMbs 詳解

　　對於H.264（MPEG-4 AVC）而言，層級（Level）是與檔次（Profile）同等重要的參數。但很多文章說的很簡略，只是說標清視頻一般用3.1，高清用4，具體含義語焉不詳。於是我做了一番研究。

 

一、層級詳表

 

　　層級（Level）是用來約束 解析度、幀率 和 碼率 的。詳細資料請看錶格——

Level	Max macroblocks		Max video bit rate (kbit/s)				Examples for high resolution @ frame rate (max stored frames)
	per second	per frame	BP, XP, MP	HiP	Hi10P	Hi422P, Hi444PP
1	1,485	99	64	80	192	256	128×96@30.9 (8) 176×144@15.0 (4)
1b	1,485	99	128	160	384	512	128×96@30.9 (8) 176×144@15.0 (4)
1.1	3,000	396	192	240	576	768	176×144@30.3 (9) 320×240@10.0 (3) 352×288@7.5 (2)
1.2	6,000	396	384	480	1,152	1,536	320×240@20.0 (7) 352×288@15.2 (6)
1.3	11,880	396	768	960	2,304	3,072	320×240@36.0 (7) 352×288@30.0 (6)
2	11,880	396	2,000	2,500	6,000	8,000	320×240@36.0 (7) 352×288@30.0 (6)
2.1	19,800	792	4,000	5,000	12,000	16,000	352×480@30.0 (7) 352×576@25.0 (6)
2.2	20,250	1,620	4,000	5,000	12,000	16,000	352×480@30.7(10) 352×576@25.6 (7) 720×480@15.0 (6) 720×576@12.5 (5)
3	40,500	1,620	10,000	12,500	30,000	40,000	352×480@61.4 (12) 352×576@51.1 (10) 720×480@30.0 (6) 720×576@25.0 (5)
3.1	108,000	3,600	14,000	17,500	42,000	56,000	720×480@80.0 (13) 720×576@66.7 (11) 1280×720@30.0 (5)
3.2	216,000	5,120	20,000	25,000	60,000	80,000	1,280×720@60.0 (5) 1,280×1,024@42.2 (4)
4	245,760	8,192	20,000	25,000	60,000	80,000	1,280×720@68.3 (9) 1,920×1,080@30.1 (4) 2,048×1,024@30.0 (4)
4.1	245,760	8,192	50,000	62,500	150,000	200,000	1,280×720@68.3 (9) 1,920×1,080@30.1 (4) 2,048×1,024@30.0 (4)
4.2	522,240	8,704	50,000	62,500	150,000	200,000	1,920×1,080@64.0 (4) 2,048×1,080@60.0 (4)
5	589,824	22,080	135,000	168,750	405,000	540,000	1,920×1,080@72.3 (13) 2,048×1,024@72.0 (13) 2,048×1,080@67.8 (12) 2,560×1,920@30.7 (5) 3,680×1,536@26.7 (5)
5.1	983,040	36,864	240,000	300,000	720,000	960,000	1,920×1,080@120.5 (16) 4,096×2,048@30.0 (5) 4,096×2,304@26.7 (5)

Level：層級。

Max macroblocks：最大宏塊數。註：宏塊尺寸是16x16的。

　　per second：每秒（的最大宏塊數）。可用於約束幀率。

　　per frame：每幀（的最大宏塊數）。可用於約束解析度。

Max video bit rate (kbit/s)：最大視頻碼率。不同檔次（Profile）下會有區別。

　　BP：Baseline Profile，基準檔次。

　　XP：Extended Profile，進階檔次。

　　MP：Main Profile，主要檔次。

　　HiP：High Profile，進階檔次。

　　Hi10P：High 10 Profile，進階10位檔次。

　　Hi422P：High 4:2:2 Profile，進階4:2:2檔次。

　　Hi444PP：High 4:4:4 Predictive Profile，進階4:4:4（實驗性？）檔次。

Examples for high resolution @ frame rate (max stored frames)：範例：高解析度@幀率(最大儲存幀數)。

 

 

二、推算解析度與幀率

 

　　在視頻壓制時，碼率的挑選是很容易判斷的。而解析度與幀率 和 層級 的關係，就沒那麼明顯了。所以我們需要找到計算方法。

 

　　首先看看常見視頻解析度所配套的層級——

480P（800x480）：若幀率低於13.5用2.2，若幀率在13.5至27之間就用3，幀率高於27時用3.1。

720P（1280x720）：一般為3.1。

1080P（1920x1080）：一般為4。

 

　　可以看到480P（800x480）有點特殊，所以我以它為例來講解如何推算解析度與幀率。

 

　　因宏塊尺寸是16x16的，我們根據此資訊計算出 水平宏塊數（PicWidthInMbs） 和 垂直宏塊數（FrameHeightInMbs）——

水平宏塊數 = ceil(視頻寬度 / 16) = ceil(800 / 16) = ceil(50.0) = 50

垂直宏塊數 = ceil(視頻高度 / 16) = ceil(480 / 16) = ceil(30.0) = 30

註：ceil(x)是向頂舍入函數，返回的是大於等於x的最小整數。

 

　　然後計算每幀宏塊數（macroblocks per frame）——

每幀宏塊數 = 水平宏塊數 * 垂直宏塊數 = 50 * 30 = 1500

 

　　查上面的層級詳表，可知支援 每幀宏塊數1500 的最低層級是2.2。

　　層級2.2所允許的 每秒最大宏塊數（Max macroblocks per second） 是 20250。20250 / 1500 = 13.5。即最高支援每秒13.5幀。

　　提高一個層級，層級3所允許的 每秒最大宏塊數 是 40500。40500 / 1500 = 27。即最高支援每秒27幀。

　　再提高一個層級，層級3.1所允許的 每秒最大宏塊數 是 108000。108000 / 1500 = 72。即最高支援每秒72幀，夠用了。

 

　　當宏塊數超過層級的約束時，x264會顯示這樣的警告資訊——

x264 [warning]: frame MB size (120x68) > level limit (5120)

 

　　現在來做做練習題，鞏固一下所學知識吧——

1. 720P（1280x720）視頻在層級3.1下，最高支援每秒多少幀？

2. 1080P（1920x1080）視頻在層級4下，最高支援每秒多少幀？

 

 

三、最大儲存幀數、DPB 與 MaxDpbMbs

 

　　在前面的層級詳表中，還有一個神秘的欄位——最大儲存幀數（max stored frames）。它是從何而來的呢？

 

　　最大儲存幀數與DPB有關——DPB：decoded picture buffer，解碼圖片緩衝區。在做視頻解碼時，需要將最近的若干幅參考幀緩衝起來，這個緩衝區就叫做DPB。所以最大儲存幀數也是最大參考幀數（ref）。DPB一般以宏塊數為單位（DpbMbs），計算公式為——

DpbMbs = ref（參考幀數） * PicWidthInMbs（水平宏塊數） * FrameHeightInMbs（垂直宏塊數）

 

　　在不同的層級（Level）下，最大的解碼圖片緩衝區宏塊數（MaxDpbMbs）是不同的——

Level	MaxDpbMbs
1	396
1b	396
1.1	900
1.2	2,376
1.3	2,376
2	2,376
2.1	4,752
2.2	8,100
3	8,100
3.1	18,000
3.2	20,480
4	32,768
4.1	32,768
4.2	34,816
5	110,400
5.1	184,320

 

　　我們可根據 MaxDpbMbs約束 反向推算出 最大的參考幀數——

max_ref = min(floor(MaxDpbMbs / (PicWidthInMbs * FrameHeightInMbs)), 16)

注1：floor(x)是向底舍入函數，返回的是小於等於x的最大整數。

注2：因參考幀數（ref）最大隻能為16。

 

　　練習題——

1. 720P（1280x720）視頻在層級3.1下，最高支援多少個參考幀（最大儲存幀數）？層級3.2、4 下呢？

2. 1080P（1920x1080）視頻在層級4下，最高支援多少個參考幀（最大儲存幀數）？層級5、5.1 下呢？

 

（完）

 

 

參考文獻

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http://en.wikipedia.org/wiki/H.264

H.264/MPEG-4 AVC