1、视频传输原理
视频是利用人眼短暂停留的原理，通过连续播放一系列的图片使人产生画面里的人物在运动的感觉。但是视频里面通常会有大量的重复信息。例如早期拍电影用胶卷，一个演员坐在房间内的椅子上抽烟，一秒钟如果用25张胶卷，那么不同胶卷拍下来的内容有相同也有不同，不同的是演员的动作，神态；相同的是房间内的一切布局。在数字化的今天，为了方便视频的传输，肯定是不喜欢重复传输视频中每一张照片的同样的信息。因此，如果根据一些协议，在发送端把重复的信息去掉，在接收端把重复的信息恢复出来，就可以大幅度的提高视频文件的传输。这种协议就叫做视频压缩标准，例如H.264。
视频有H.264编码格式进行压缩，音频同样也有AAC编码格式进行压缩。视频和音频在压缩后会显著的降低存储空间和在网络上的传输时间。但是当我们在播放视频的时候，是需要把视频和音频解码出来才能够正常的去播放。
2、音视频传输到播放的基本过程
音视频播放主要分为在线播放和本地播放。在线播放就是像我们看直播，刷抖音等等，这样的视频我们统称为流媒体；本地播放就是我们观看在手机存储空间内已经有的视频文件，不需要网络连接，比如我拍了一段跳舞的视频，拍摄完成后，在手机上直接就能看。
本文主要讲一下流媒体的播放步骤：解协议->解封装->解码->音视频同步->播放。如果是本地播放的话，就没有解协议这一步骤。
详细步骤看下图：
看着很复杂，其实就是利用协议进行一层一层的解析。
3、编码和解码
我们在1和2中已经了解了视频的传输原理和传输过程。在完成传输的过程中发送方和接收方都要遵守同样的编码约定。先来看两个简单的概念。
帧（frame）：简单的理解为一张图片，类似于1中提到的每一张胶卷。
帧率（fps）：每秒播放多少帧，frame per ，游戏都玩过咯，fps。
在视频传输的过程中，编码器对每一帧的图像都会进行编码，然后再传输。
编码器将多张图像进行编码后生产成一段一段的 GOP ( Group of ，图像组) ， 解码器在播放时则是读取一段一段的 GOP 进行解码后读取画面再渲染显示。GOP 是一组连续的画面，由一张 I 帧和数张 B / P 帧组成，是视频图像编码器和解码器存取的基本单位，它的排列顺序将会一直重复到影像结束。I 帧是内部编码帧（也称为关键帧），P帧是前向预测帧（前向参考帧），B 帧是双向内插帧（双向参考帧）。简单地讲，I 帧是一个完整的画面，而 P 帧和 B 帧记录的是相对于 I 帧的变化。如果没有 I 帧，P 帧和 B 帧就无法解码。
在H.264压缩标准中I帧、P帧、B帧用于表示传输的视频画面。
就像下图：
4、I帧、P帧、B帧，GOP 4.1、I帧
I帧:即Intra-coded （帧内编码图像帧），I帧表示关键帧，你可以理解为这一帧画面的完整保留；解码时只需要本帧数据就可以完成（因为包含完整画面）。又称为内部画面 (intra )，I 帧通常是每个 GOP的第一个帧，经过适度地压缩，做为随机访问的参考点，可以当成图象。采用I帧压缩可达到1/6的压缩比而无明显的压缩痕迹。
【I帧特点】
它是一个全帧压缩编码帧。它将全帧图像信息进行JPEG压缩编码及传输;解码时仅用I帧的数据就可重构完整图像;I帧描述了图像背景和运动主体的详情;I帧不需要参考其他画面而生成;I帧是P帧和B帧的参考帧(其质量直接影响到同组中以后各帧的质量);I帧是帧组GOP的基础帧(第一帧),在一组中只有一个I帧;I帧不需要考虑运动矢量;I帧所占数据的信息量比较大。
【I帧编码流程】
进行帧内预测，决定所采用的帧内预测模式。像素值减去预测值，得到残差。对残差进行变换和量化。变长编码和算术编码。重构图像并滤波，得到的图像作为其它帧的参考帧。
在视频画面播放过程中，若I帧丢失了，则后面的P帧也就随着解不出来，就会出现视频画面黑屏的现象；若P帧丢失了，则视频画面会出现花屏、马赛克等现象。
4.2、P帧
P帧:即-coded （前向预测编码图像帧）。P帧表示的是这一帧跟之前的一个关键帧（或P帧）的差别，解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面（也就是差别帧，P帧没有完整画面数据，只有与前一帧的画面差别的数据）。
【P帧的预测与重构】
P帧是以I帧为参考帧,在I帧中找出P帧“某点”的预测值和运动矢量,取预测差值和运动矢量一起传送。在接收端根据运动矢量从I帧中找出P帧“某点”的预测值并与差值相加以得到P帧“某点”样值,从而可得到完整的P帧。
【P帧特点】
P帧是I帧后面相隔1~2帧的编码帧;P帧采用运动补偿的方法传送它与前面的I或P帧的差值及运动矢量(预测误差);解码时必须将I帧中的预测值与预测误差求和后才能重构完整的P帧图像;P帧属于前向预测的帧间编码。它只参考前面最靠近它的I帧或P帧;P帧可以是其后面P帧的参考帧,也可以是其前后的B帧的参考帧;由于P帧是参考帧,它可能造成解码错误的扩散;由于是差值传送,P帧的压缩比较高。 4.3、B帧
B帧:即 （双向预测编码图像帧)。B帧是双向差别帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别，换言之，要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高，但是解码时CPU会比较累。可以理解为对于B帧来说，记录的是帧序列中与自己前后相邻的（I帧，P帧）之间的差值，会很小。在I帧和P帧（P帧和P帧）之间会有很多的B帧。
以下是我个人的理解：开始桌子上只有一个碗，最后桌子上共有一个碗和一双筷子。那么I帧记录的就是碗；P帧记录的是与I帧不同的部分，也就是筷子；那这筷子怎么来的？不能凭空出现，那样会显得很卡，所以B帧就记录下这个筷子来到桌子上的运动轨迹。
【B帧的预测与重构】
B帧以前面的I或P帧和后面的P帧为参考帧，“找出”B帧“某点”的预测值和两个运动矢量,并取预测差值和运动矢量传送。接收端根据运动矢量在两个参考帧中“找出(算出)”预测值并与差值求和,得到B帧“某点”样值，从而可得到完整的B帧。采用运动预测的方式进行帧间双向预测编码。
【B帧特点】
B帧是由前面的I或P帧和后面的P帧来进行预测的;B帧传送的是它与前面的I帧或P帧和后面的P帧之间的预测误差及运动矢量;B帧是双向预测编码帧;B帧压缩比最高,因为它只反映丙参考帧间运动主体的变化情况,预测比较准确;B帧不是参考帧,不会造成解码错误的扩散
【为什么需要B帧】
从上面的看，我们知道I和P的解码算法比较简单，资源占用也比较少，I只要自己完成就行了，P呢，也只需要解码器把前一个画面缓存一下，遇到P时就使用之前缓存的画面就好了，如果视频流只有I和P，解码器可以不管后面的数据，边读边解码，线性前进，大家很舒服。那么为什么还要引入B帧？
网络上的电影很多都采用了B帧，因为B帧记录的是前后帧的差别，比P帧能节约更多的空间，但这样一来，文件小了，解码器就麻烦了，因为在解码时，不仅要用之前缓存的画面，还要知道下一个I或者P的画面（也就是说要预读预解码），而且，B帧不能简单地丢掉，因为B帧其实也包含了画面信息，如果简单丢掉，并用之前的画面简单重复，就会造成画面卡（其实就是丢帧了），并且由于网络上的电影为了节约空间，往往使用相当多的B帧，B帧用的多，对不支持B帧的播放器就造成更大的困扰，画面也就越卡。
【显示和解码顺序示意图】
注：这个图可能看不懂，可以看下面的5.2。
4.4、GOP(序列)和IDR
在H264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流。一个序列的第一个图像叫做IDR 图像（立即刷新图像），IDR 图像都是 I 帧图像。H.264 引入 IDR 图像是为了解码的重同步，当解码器解码到 IDR 图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列。这样，如果前一个序列出现重大错误，在这里可以获得重新同步的机会。IDR图像之后的图像永远不会使用IDR之前的图像的数据来解码。
一个序列就是一段内容差异不太大的图像编码后生成的一串数据流。当运动变化比较少时，一个序列可以很长，因为运动变化少就代表图像画面的内容变动很小，所以就可以编一个I帧，然后一直P帧、B帧了。当运动变化多时，可能一个序列就比较短了，比如就包含一个I帧和3、4个P帧。
在视频编码序列中，GOP即Group of （图像组），指两个I帧之间的距离，（参考周期）指两个P帧之间的距离。两个I帧之间形成一组图片，就是GOP（Group Of ）。
【GOP示意图】
5、PTS和DTS
到这里的时候，我很懵逼，因为只知道 I帧 是GOP的第一帧；P帧记录了和 I帧 的区别；那么B帧是怎么取出来的呢？有规律吗？
P帧需要参考前面的I帧或P帧才可以生成一张完整的图片，而B帧则需要参考前面I帧或P帧及其后面的一个P帧才可以生成一张完整的图片。这样就带来了一个问题：在视频流中，先到来的 B 帧无法立即解码，需要等待它依赖的后面的 I、P 帧先解码完成，这样一来播放时间与解码时间不一致了，顺序打乱了，那这些帧该如何播放呢？这时就引入了另外两个概念：DTS 和 PTS。
5.1、PTS和DTS的概念
DTS（ Time Stamp）：即解码时间戳，这个时间戳的意义在于告诉播放器该在什么时候解码这一帧的数据。
PTS（ Time Stamp）：即显示时间戳，这个时间戳用来告诉播放器该在什么时候显示这一帧的数据。
5.2、编码顺序
虽然 DTS、PTS 是用于指导播放端的行为，但它们是在编码的时候由编码器生成的。
在视频采集的时候是录制一帧就编码一帧发送一帧的，在编码的时候会生成 PTS，这里需要特别注意的是 frame（帧）的编码方式，在通常的场景中，编解码器编码一个 I 帧，然后向后跳过几个帧，用编码 I 帧作为基准帧对一个未来 P 帧进行编码，然后跳回到 I 帧之后的下一个帧。编码的 I 帧和 P 帧之间的帧被编码为 B 帧。之后，编码器会再次跳过几个帧，使用第一个 P 帧作为基准帧编码另外一个 P 帧，然后再次跳回，用 B 帧填充显示序列中的空隙。这个过程不断继续，每 12 到 15 个 P 帧和 B 帧内插入一个新的 I 帧。P 帧由前一个 I 帧或 P 帧图像来预测，而 B 帧由前后的两个 P 帧或一个 I 帧和一个 P 帧来预测，因而编解码和帧的显示顺序有所不同，如下所示：
假设编码器采集到的帧是这个样子的：
I B B P B B P 那么它的显示顺序，也就是PTS应该是这样：
1 2 3 4 5 6 7 编码器的编码顺序是：
1 4 2 3 7 5 6 推流顺序也是按照编码顺序去推的，即
I P B B P B B 那么接收断收到的视频流也就是
I P B B P B B 这时候去解码，也是按照收到的视频流一帧一帧去解的了，接收一帧解码一帧，因为在编码的时候已经按照 I、B、P 的依赖关系编好了，接收到数据直接解码就好了。那么解码顺序是：
I P B B P B B
DTS：1 2 3 4 5 6 7
PTS：1 4 2 3 7 5 6另外，并不是一定要使用B帧。在实时互动直播系统中，很少使用B帧。主要的原因是压缩和解码B帧时，由于要双向参考，所以它需要缓冲更多的数据，且使用的CPU也会更高。由于实时性的要求，所以一般不使用它。不过对于播放器来说，遇到带有B帧的H264数据是常有的事儿。在没有B帧的情况下，存放帧的顺序和显示帧的顺序就是一样的，PTS和DTS的值也是一样的。
参考资料：
I帧、P帧、B帧、GOP、IDR 和PTS, DTS之间的关系
音视频同步原理及实现
音视频入门系列-音视频基础知识篇（音视频播放原理）
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