H.264（MPEG-4 AVC）级别（Level）、DPB 与 MaxDpbMbs 详解
對于H.264（MPEG-4 AVC）而言，級別（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。于是我做了一番研究。
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一、級別詳表
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級別（Level）是用來約束 分辨率、幀率 和 碼率 的。詳細信息請看表格——
| 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 | 128×96@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：級別。
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）。可用于約束幀率。
per frame：每幀（的最大宏塊數）。可用于約束分辨率。
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，基線檔次。
XP：Extended Profile，進階檔次。
MP：Main Profile，主要檔次。
HiP：High Profile，高級檔次。
Hi10P：High 10 Profile，高級10位檔次。
Hi422P：High 4:2:2 Profile，高級4:2:2檔次。
Hi444PP：High 4:4:4 Predictive Profile，高級4:4:4（實驗性？）檔次。
Examples for high resolution @ frame rate (max stored frames)：范例：高分辨率@幀率(最大存儲幀數)。
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二、推算分辨率與幀率
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在視頻壓制時，碼率的挑選是很容易判斷的。而分辨率與幀率 和 級別 的關系，就沒那么明顯了。所以我們需要找到計算方法。
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首先看看常見視頻分辨率所配套的級別——
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。
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可以看到480P（800x480）有點特殊，所以我以它為例來講解如何推算分辨率與幀率。
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因宏塊尺寸是16x16的，我們根據此信息計算出 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
注：ceil(x)是向頂舍入函數，返回的是大于等于x的最小整數。
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然后計算每幀宏塊數（macroblocks per frame）——
每幀宏塊數 = 水平宏塊數 * 垂直宏塊數 = 50 * 30 = 1500
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查上面的級別詳表，可知支持 每幀宏塊數1500 的最低級別是2.2。
級別2.2所允許的 每秒最大宏塊數（Max macroblocks per second） 是 20250。20250 / 1500 = 13.5。即最高支持每秒13.5幀。
提高一個級別，級別3所允許的 每秒最大宏塊數 是 40500。40500 / 1500 = 27。即最高支持每秒27幀。
再提高一個級別，級別3.1所允許的 每秒最大宏塊數 是 108000。108000 / 1500 = 72。即最高支持每秒72幀，夠用了。
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當宏塊數超過級別的約束時，x264會顯示這樣的警告信息——
x264 [warning]: frame MB size (120x68) > level limit (5120)
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現在來做做練習題，鞏固一下所學知識吧——
1. 720P（1280x720）視頻在級別3.1下，最高支持每秒多少幀？
2. 1080P（1920x1080）視頻在級別4下，最高支持每秒多少幀？
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三、最大存儲幀數、DPB 與 MaxDpbMbs
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在前面的級別詳表中，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？
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最大存儲幀數與DPB有關——DPB：decoded picture buffer，解碼圖片緩存區。在做視頻解碼時，需要將最近的若干幅參考幀緩存起來，這個緩沖區就叫做DPB。所以最大存儲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）
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在不同的級別（Level）下，最大的解碼圖片緩存區宏塊數（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 |
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我們可根據 MaxDpbMbs約束 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，返回的是小于等于x的最大整數。
注2：因參考幀數（ref）最大只能為16。
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練習題——
1. 720P（1280x720）視頻在級別3.1下，最高支持多少個參考幀（最大存儲幀數）？級別3.2、4 下呢？
2. 1080P（1920x1080）視頻在級別4下，最高支持多少個參考幀（最大存儲幀數）？級別5、5.1 下呢？
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（完）
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參考文獻
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http://en.wikipedia.org/wiki/H.264
H.264/MPEG-4 AVC
總結
以上是生活随笔為你收集整理的H.264（MPEG-4 AVC）级别（Level）、DPB 与 MaxDpbMbs 详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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