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

對于H.264（MPEG-4 AVC）而言，級别（Level）是與檔次（Profile）同等重要的參數。但很多文章說的很簡略，隻是說标清視訊一般用3.1，高清用4，具體含義語焉不詳。于是我做了一番研究。

一、級别詳表

　　級别（Level）是用來限制 分辨率、幀率 和 碼率 的。詳細資訊請看表格——

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×[email protected] (8) 176×[email protected] (4)
1b	1,485	99	128	160	384	512	128×[email protected] (8) 176×[email protected] (4)
1.1	3,000	396	192	240	576	768	176×[email protected] (9) 320×[email protected] (3) 352×[email protected] (2)
1.2	6,000	396	384	480	1,152	1,536	320×[email protected] (7) 352×[email protected] (6)
1.3	11,880	396	768	960	2,304	3,072	320×[email protected] (7) 352×[email protected] (6)
2	11,880	396	2,000	2,500	6,000	8,000	320×[email protected] (7) 352×[email protected] (6)
2.1	19,800	792	4,000	5,000	12,000	16,000	352×[email protected] (7) 352×[email protected] (6)
2.2	20,250	1,620	4,000	5,000	12,000	16,000	352×[email protected](10) 352×[email protected] (7) 720×[email protected] (6) 720×[email protected] (5)
3	40,500	1,620	10,000	12,500	30,000	40,000	352×[email protected] (12) 352×[email protected] (10) 720×[email protected] (6) 720×[email protected] (5)
3.1	108,000	3,600	14,000	17,500	42,000	56,000	720×[email protected] (13) 720×[email protected] (11) 1280×[email protected] (5)
3.2	216,000	5,120	20,000	25,000	60,000	80,000	1,280×[email protected] (5) 1,280×1,[email protected] (4)
4	245,760	8,192	20,000	25,000	60,000	80,000	1,280×[email protected] (9) 1,920×1,[email protected] (4) 2,048×1,[email protected] (4)
4.1	245,760	8,192	50,000	62,500	150,000	200,000	1,280×[email protected] (9) 1,920×1,[email protected] (4) 2,048×1,[email protected] (4)
4.2	522,240	8,704	50,000	62,500	150,000	200,000	1,920×1,[email protected] (4) 2,048×1,[email protected] (4)
5	589,824	22,080	135,000	168,750	405,000	540,000	1,920×1,[email protected] (13) 2,048×1,[email protected] (13) 2,048×1,[email protected] (12) 2,560×1,[email protected] (5) 3,680×1,[email protected] (5)
5.1	983,040	36,864	240,000	300,000	720,000	960,000	1,920×1,[email protected] (16) 4,096×2,[email protected] (5) 4,096×2,[email protected] (5)

Level：級别。

Max macroblocks：最大宏塊數。注：宏塊尺寸是16x16的。

　　per second：每秒（的最大宏塊數）。可用于限制幀率。

　　per frame：每幀（的最大宏塊數）。可用于限制分辨率。

Max video bit rate (kbit/s)：最大視訊碼率。不同檔次（Profile）下會有差別。

　　BP：Baseline Profile，基線檔次。

　　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：高分辨率@幀率(最大存儲幀數)。

二、推算分辨率與幀率

　　在視訊壓制時，碼率的挑選是很容易判斷的。而分辨率與幀率 和 級别 的關系，就沒那麼明顯了。是以我們需要找到計算方法。

　　首先看看常見視訊分辨率所配套的級别——

480P（800x480）：若幀率低于13.5用2.2，若幀率在13.5至27之間就用3，幀率高于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，是以我以它為例來講解如何推算分辨率與幀率。

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

水準宏塊數 = ceil(視訊寬度 / 16) = ceil(800 / 16) = ceil(50.0) = 50

垂直宏塊數 = ceil(視訊高度 / 16) = ceil(480 / 16) = ceil(30.0) = 30

注：ceil(x)是向頂舍入函數，傳回的是大于等于x的最小整數。

　　然後計算每幀宏塊數（macroblocks per frame）——

每幀宏塊數 = 水準宏塊數 * 垂直宏塊數 = 50 * 30 = 1500

　　查上面的級别詳表，可知支援 每幀宏塊數1500 的最低級别是2.2。

　　級别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。

　　提高一個級别，級别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。

　　再提高一個級别，級别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。

　　當宏塊數超過級别的限制時，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）視訊在級别3.1下，最高支援每秒多少幀？

2. 1080P（1920x1080）視訊在級别4下，最高支援每秒多少幀？

三、最大存儲幀數、DPB 與 MaxDpbMbs

　　在前面的級别詳表中，還有一個神秘的字段——最大存儲幀數（max stored frames）。它是從何而來的呢？

　　最大存儲幀數與DPB有關——DPB：decoded picture buffer，解碼圖檔緩存區。在做視訊解碼時，需要将最近的若幹幅參考幀緩存起來，這個緩沖區就叫做DPB。是以最大存儲幀數也是最大參考幀數（ref）。DPB一般以宏塊數為機關（DpbMbs），計算公式為——

DpbMbs = ref（參考幀數） * PicWidthInMbs（水準宏塊數） * FrameHeightInMbs（垂直宏塊數）

　　在不同的級别（Level）下，最大的解碼圖檔緩存區宏塊數（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限制 倒推出 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，傳回的是小于等于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）視訊在級别3.1下，最高支援多少個參考幀（最大存儲幀數）？級别3.2、4 下呢？

2. 1080P（1920x1080）視訊在級别4下，最高支援多少個參考幀（最大存儲幀數）？級别5、5.1 下呢？

（完）

參考文獻