H264系列十七 Slice（条带或片层）
参考
《新一代视频压缩编码标准 毕厚杰 第7章 H.264的句法和语义》
【H.264/AVC视频编解码技术详解】十一、H.264的Slice Header解析
【H.264/AVC视频编解码技术详解】十二、解析H.264码流的宏块结构（上）
【H.264/AVC视频编解码技术详解】十二、解析H.264码流的宏块结构（下）：H.264帧内编码宏块的预测结构
一、Slice的概念
我们已经知道，整个H.264的码流结构可以分为两层：网络抽象层NAL和视频编码层VCL。在NAL层，H.264的码流表示为一系列的NAL Units，不同的NAL Units中包含不同类型的语法元素。前面两篇中所解析的序列参数集SPS和图像参数集PPS就是其中重要的两个部分，其中包含了控制解码过程的一些通用的参数。
实际保存原始视频的图像数据的部分保存在其他的VCL层的NAL Units中。这部分数据在码流中称作是条带(Slice)。一个Slice包含一帧图像的部分或全部数据，换言之，一帧视频图像可以编码为一个或若干个Slice。一个Slice最少包含一个宏块，最多包含整帧图像的数据。在不同的编码实现中，同一帧图像中所构成的Slice数目不一定相同。
在H.264中设计Slice的目的主要在于防止误码的扩散。因为不同的slice之间，其解码操作是独立的。某一个slice的解码过程所参考的数据（例如预测编码）不能越过slice的边界。
二、Slice的类型
根据码流中不同的数据类型，H.264标准中共定义了5种Slice类型：
- I slice: 帧内编码的条带；
- P slice: 单向帧间编码的条带；
- B slice: 双向帧间编码的条带；
- SI slice: 切换I条带，用于扩展档次中码流切换使用；
- SP slice: 切换P条带，用于扩展档次中码流切换使用；
在I slice中只包含I宏块，不能包含P或B宏块；在P和B slice中，除了相应的P和B类型宏块之外，还可以包含I类型宏块。
三、Slice的组成
每一个Slice总体来看都由两部分组成，一部分作为Slice header，用于保存Slice的总体信息（如当前Slice的类型等），另一部分为Slice body，通常是一组连续的宏块结构（或者宏块跳过信息），如下图所示：
image.png
四、Slice Header结构
Slice header中主要保存了当前slice的一些全局的信息，slice body中的宏块在进行解码时需依赖这些信息。其中比较常见的一些语法元素有：
- first_mb_in_slice: 当前slice中包含的第一个宏块在整帧中的位置；
- slice_type：当前slice的类型；
| slice_type | Name of slice_type |
|---|---|
| 0 | P (P slice) |
| 1 | B (B slice) |
| 2 | I (I slice) |
| 3 | SP (SP slice) |
| 4 | SI (SI slice) |
| 5 | P (P slice) |
| 6 | B (B slice) |
| 7 | I (I slice) |
| 8 | SP (SP slice) |
| 9 | SI (SI slice) |
IDR 图像时, slice_type 等于 2, 4, 7, 9。
- pic_parameter_set_id：当前slice所依赖的pps的id；范围 0 到 255。
- colour_plane_id:当标识位separate_colour_plane_flag为true时，colour_plane_id表示当前的颜色分量，0、1、2分别表示Y、U、V分量。
- frame_num:表示当前帧序号的一种计量方式。
- field_pic_flag:场编码标识位。当该标识位为1时表示当前slice按照场进行编码；该标识位为0时表示当前* slice按照帧进行编码。
- bottom_field_flag:底场标识位。该标志位为1表示当前slice是某一帧的底场；为0表示当前slice为某一帧的顶场。
- idr_pic_id:表示IDR帧的序号。某一个IDR帧所属的所有slice，其idr_pic_id应保持一致。该值的取值范围为[0,65535]。
- pic_order_cnt_lsb:表示当前帧序号的另一种计量方式。
- delta_pic_order_cnt_bottom:表示顶场与底场POC差值的计算方法，不存在则默认为0；
- slice_qp_delta：用于计算当前slice内所使用的初始qp值。
五、Slice Body——宏块结构(Macroblock)的解析
在已经实现了一个slice的header部分之后，下面的工作将是研究如何解析一个slice的主体，即Slice Body部分。一个Slice的body部分主要是一个个的宏块结构Macroblock组成，此外还存在一些辅助的信息。标准文档中规定的slice_data()结构如下图：
image.png
从文档中我们可以看出，Slice_data结构中独立的语法元素并不多，主要只有以下几个：
- cabac_alignment_one_bit：表示如果码流启用了CABAC算法，那么码流在这里必须使用若干个比特1实现字节对齐。
- mb_skip_run和mb_skip_flag：这两个语法元素都用于表示宏块结构是否可以被跳过。“跳过”的宏块指的是，在帧间预测的slice中，当图像区域平坦时，码流中跳过这个宏块的所有数据，不进行传输，只通过这两个语法元素进行标记。在解码端，跳过的宏块通过周围已经重建的宏块来进行恢复。mb_skip_run用于熵编码使用CAVLC时，用一个语法元素表示连续跳过的宏块的个数；mb_skip_flag用于熵编码使用CABAC时，表示每一个宏块是否被跳过。
- mb_field_decoding_flag：标识位，用于在帧场自适应的码流中标识某个宏块是帧模式还是场模式。
- end_of_slice_flag：在CABAC模式下的一个标识位，表示是否到了slice的末尾。
上述的几个语法元素毫无疑问仅仅占用了全部数据很少的一部分，其他大部分的数据都包含在宏块结构中，即上表中的macroblock_layer()结构。
六、宏块(Macroblock)结构
从上表中我们可以看出，一个Slice结构中宏块实际上占据了绝大部分。在标准中一个宏块的结构定义为下表：
image.png
(1). mb_type:
在一个宏块中，最开始的语法元素为宏块的类型：mb_type。从表中我们可以看出，根据mb_type的值是否等于I_PCM，整个解析方法分为两大类：PCM类型和非PCM类型，判断依据是当mb_type为25时为I_PCM模式，否则为非I_PCM模式。
当这个宏块为I_PCM模式时，宏块中以差分编码的形式保存宏块原始的像素值。此时存在如下几个语法元素：
- pcm_alignment_zero_bit：填充位，用比特0来填充直到按字节对齐；
- pcm_sample_luma：256个亮度分量的差分像素值；
- pcm_sample_chroma：若干个色度分量的差分像素值，实际数量由码流的颜色格式指定。例如对于最常用的4:2:0格式的视频，共有128个色度像素值。
除了mb_type等于25时可以确定为I_PCM格式之外，其他的mb_type值可能根据帧类型（或slice类型）的不同而不同。比如对于I slice，mb_type的非PCM模式可以选择0~24这些值之一；对于P slice，mb_type只能取0~4这5个值；对于B slice，mb_type可以取0~22这些值之一。目前我们所处理的码流全部由I帧构成，因此我们暂时只考虑I slice的情况。下图是标准文档中规定的I slice的mb_type列表的一部分，完整列表在协议文档的表7-11中：
image.png
从上表中我们可以看出，mb_type不仅仅表示了宏块的分割方式，还包含了一些其他的附加信息，如帧内预测模式、亮度和色度分量的coded_block_pattern。当帧内预测使用16×16模式时，宏块整个宏块的预测信息相同，因此不需要为各个子宏块分别指定预测模式，这样可以有效减少消耗的码流。
(2). transform_size_8x8_flag
该语法元素为一个标识位，用于表示在环路滤波之前，预测残差的变换系数解码时依照的尺寸。当该标识位为1时，预测残差按照8×8像素块进行解码；当该标志位不存在或者为0时，预测残差按照4×4像素块进行解码。
(3). coded_block_pattern
coded_block_pattern语法元素常简称做cbp，用于表示当前宏块内的4个8×8子块编码对其中的哪个的残差系数进行编码。值得注意的是该语法元素仅仅在宏块为非I_16x16模式时才存在，因为在I_16x16模式时cbp的有关信息已经在mb_type中体现。
(4). mb_qp_delta
mb_qp_delta表示宏块层的量化参数偏移值，取值范围为[-26, 25]。我们在前面已经在PPS中获取了整个序列的量化参数初始值（由pic_init_qp_minus26计算），在slice header中获取slice层的量化参数偏移slice_qp_delta，因此每一个slice第一个宏块的量化参数可通过下面的公式计算：
从第二个宏块开始，每个宏块实际量化参数的计算方法为：
在以H.264格式编码的视频码流中，宏块结构必然包含预测结构（I_PCM模式除外），该结构中包含了像素块的预测模式等信息。对于不同预测模式的宏块，其预测结构是不同的。从上篇的宏块结构中，可以看出，对于部分模式，预测信息保存于mb_pred()结构中，而对于另一部分模式则采用sub_mb_pred()结构。
在我们本系列的H.264分析器SimpleH264Analyzer项目中默认的全I帧测试码流中，我们所分析的第一个IDR帧的第一个宏块，其mb_type为I_NxN。实际上，对于除了I_PCM模式之外的所有Intra宏块，其预测结构均采用mb_pred()结构。
在标准文档中，mb_pred()的定义如下表所示（只看Intra模式下）：
image.png
从表中可以看出，Intra预测模式的结构主要有两组，分别表示4×4和8×8模式，每一组包含两个元素，分别表示预测模式标识位和预测模式值，以及最后的色度分量预测模式。
- prev_intra4x4_pred_mode_flag和prev_intra8x8_pred_mode_flag：表示帧内预测模式预测标识。如果该标识位为1，表示帧内预测模式的预测值就是实际的模式，否则就需要另外传递实际的帧内预测模式。
- prev_intra4x4_pred_mode_flag和prev_intra8x8_pred_mode_flag：表示额外传递的实际帧内预测模式。
- intra_chroma_pred_mode：表示色度分量的预测模式，取值范围为[0,3]，分别代表DC、水平、垂直和平面模式。
