詞語解釋
H.264是一種視頻壓縮標(biāo)準，它是由MPEG-4 Part 10標(biāo)準的一個子集，也稱為MPEG-4 AVC（Advanced Video Coding）。它是一種無損編碼標(biāo)準，可以有效地將視頻文件的大小減小，同時保持視頻質(zhì)量。H.264的優(yōu)勢在于它可以提供更高的壓縮比，比傳統(tǒng)的MPEG-2標(biāo)準更有效地壓縮視頻文件。 H.264在通信中的應(yīng)用主要是用于實時視頻傳輸，它可以有效地減少視頻文件的大小，從而使傳輸速度更快，節(jié)省帶寬。它還可以提供更高的圖像質(zhì)量，使視頻更清晰，更加逼真。此外，H.264還可以支持多種編碼格式，如H.264、H.265、AVC、MPEG-4等，可以滿足不同的編碼要求。 H.264在視頻會議、視頻監(jiān)控、遠程教育、視頻點播等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它可以提供更高的壓縮比，使視頻文件的大小變得更小，從而減少傳輸時間，提高傳輸效率。此外，H.264還可以支持多種視頻格式，可以滿足不同的視頻編碼要求。 總之，H.264在通信中的應(yīng)用是非常廣泛的，它可以有效地減少視頻文件的大小，提高傳輸速度，提供更高的圖像質(zhì)量，支持多種編碼格式，使視頻傳輸更加高效。 隨著HDTV的興起，H.264這個規(guī)范頻頻出現(xiàn)在我們眼前，HD-DVD和藍光DVD均計劃采用這一標(biāo)準進行節(jié)目制作。而且自2005年下半年以來，無論是NVIDIA還是ATI都把支持H.264硬件解碼加速作為自己最值得夸耀的視頻技術(shù)。H.264到底是何方“神圣”呢？ 什么是H.264？H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)。目前國際上制定視頻編解碼技術(shù)的組織有兩個，一個是“國際電聯(lián)（ITU-T）”，它制定的標(biāo)準有H.261、H.263、H.263+等，另一個是“國際標(biāo)準化組織（ISO）”它制定的標(biāo)準有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264則是由兩個組織聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組（JVT）共同制定的新數(shù)字視頻編碼標(biāo)準，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高級視頻編碼（Advanced Video Coding，AVC），而且它將成為MPEG-4標(biāo)準的第10部分。因此，不論是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，還是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。 H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。舉個例子，原始文件的大小如果為88GB，采用MPEG-2壓縮標(biāo)準壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25∶1，而采用H.264壓縮標(biāo)準壓縮后變?yōu)?79MB，從88GB到879MB，H.264的壓縮比達到驚人的102∶1！H.264為什么有那么高的壓縮比？低碼率（Low Bit Rate）起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等壓縮技術(shù)相比，H.264壓縮技術(shù)將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時還擁有高質(zhì)量流暢的圖像。 H.264算法的優(yōu)勢 H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來的，其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測（Estimation）、變換（Transform）和反變換、量化（Quantization）和反量化、環(huán)路濾波（Loop Filter）、熵編碼（Entropy Coding）。 H.264/MPEG-4 AVC（H.264）是1995年自MPEG-2視頻壓縮標(biāo)準發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開發(fā)組共同開發(fā)的最新國際視頻編碼標(biāo)準。通過該標(biāo)準，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準。 一、H.264的發(fā)展歷史 H.264在1997年ITU的視頻編碼專家組（Video Coding Experts Group）提出時被稱為H.26L，在ITU與ISO合作研究后被稱為MPEG4 Part10（MPEG4 AVC）或H.264（JVT）。 H.264的高級技術(shù)背景 H.264標(biāo)準的主要目標(biāo)是：與其它現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準相比，在相同的帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖象質(zhì)量。 而，H.264與以前的國際標(biāo)準如H.263和MPEG-4相比，最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個方面： 1． 將每個視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀的編碼處理的過程可以達到塊的級別。 2． 采用空間冗余的方法，對視頻幀的一些原始塊進行空間預(yù)測、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼（可變長編碼）。 3． 對連續(xù)幀的不同塊采用臨時存放的方法，這樣，只需對連續(xù)幀中有改變的部分進行編碼。該算法采用運動預(yù)測和運動補償來完成。對某些特定的塊，在一個或多個已經(jīng)進行了編碼的幀執(zhí)行搜索來決定塊的運動向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測主塊。 4． 采用剩余空間冗余技術(shù)，對視頻幀里的殘留塊進行編碼。例如：對于源塊和相應(yīng)預(yù)測塊的不同，再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。 H.264的特征和高級優(yōu)勢 H.264是國際標(biāo)準化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它即保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點和精華又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點。 1．低碼流（Low Bit Rate）：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。 顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。 2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。 3．容錯能力強：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。 4．網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層（Network Adaptation Layer）, 使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸（例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等）。 二、H.264標(biāo)準概述 H.264和以前的標(biāo)準一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計，不用眾多的選項，獲得比H.263++好得多的壓縮性能；加強了對各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理；應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸（存儲）場合的需求。 技術(shù)上，它集中了以往標(biāo)準的優(yōu)點，并吸收了標(biāo)準制定中積累的經(jīng)驗。與H.263 v2(H.263+)或MPEG-4簡單類(Simple Profile)相比，H.264在使用與上述編碼方法類似的最佳編碼器時，在大多數(shù)碼率下最多可節(jié)省50%的碼率。H.264在所有碼率下都能持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量。H.264能工作在低延時模式以適應(yīng)實時通信的應(yīng)用(如視頻會議)，同時又能很好地工作在沒有延時限制的應(yīng)用，如視頻存儲和以服務(wù)器為基礎(chǔ)的視頻流式應(yīng)用。H.264提供包傳輸網(wǎng)中處理包丟失所需的工具，以及在易誤碼的無線網(wǎng)中處理比特誤碼的工具。 在系統(tǒng)層面上，H.264提出了一個新的概念，在視頻編碼層(Video Coding Layer, VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(Network Abstraction Layer, NAL)之間進行概念性分割，前者是視頻內(nèi)容的核心壓縮內(nèi)容之表述，后者是通過特定類型網(wǎng)絡(luò)進行遞送的表述，這樣的結(jié)構(gòu)便于信息的封裝和對信息進行更好的優(yōu)先級控制。H.264的系統(tǒng)編碼框圖如圖1所示。 圖1 H.264系統(tǒng)框圖 三、H.264標(biāo)準的關(guān)鍵技術(shù) 1.幀內(nèi)預(yù)測編碼 幀內(nèi)編碼用來縮減圖像的空間冗余。為了提高H.264幀內(nèi)編碼的效率，在給定幀中充分利用相鄰宏塊的空間相關(guān)性，相鄰的宏塊通常含有相似的屬性。因此，在對一給定宏塊編碼時，首先可以根據(jù)周圍的宏塊預(yù)測（典型的是根據(jù)左上角的宏塊，因為此宏塊已經(jīng)被編碼處理），然后對預(yù)測值與實際值的差值進行編碼，這樣，相對于直接對該幀編碼而言，可以大大減小碼率。 H.264提供6種模式進行4×4像素宏塊預(yù)測，包括1種直流預(yù)測和5種方向預(yù)測，如圖2所示。在圖中，相鄰塊的A到I共9個像素均已經(jīng)被編碼，可以被用以預(yù)測，如果我們選擇模式4，那么，a、b、c、d4個像素被預(yù)測為與E相等的值，e、f、g、h4個像素被預(yù)測為與F相等的值，對于圖像中含有很少空間信息的平坦區(qū)，H.264也支持16×16的幀內(nèi)編碼。 圖2 幀內(nèi)編碼模式 2.幀間預(yù)測編碼 幀間預(yù)測編碼利用連續(xù)幀中的時間冗余來進行運動估計和補償。H.264的運動補償支持以往的視頻編碼標(biāo)準中的大部分關(guān)鍵特性，而且靈活地添加了更多的功能，除了支持P幀、B幀外，H.264還支持一種新的流間傳送幀——SP幀，如圖3所示。碼流中包含SP幀后，能在有類似內(nèi)容但有不同碼率的碼流之間快速切換，同時支持隨機接入和快速回放模式。圖3 SP-幀示意圖H.264的運動估計有以下4個特性。 (1)不同大小和形狀的宏塊分割 對每一個16×16像素宏塊的運動補償可以采用不同的大小和形狀，H.264支持7種模式，如圖4所示。小塊模式的運動補償為運動詳細信息的處理提高了性能，減少了方塊效應(yīng)，提高了圖像的質(zhì)量。圖4 宏塊分割方法 (2)高精度的亞像素運動補償 在H.263中采用的是半像素精度的運動估計，而在H.264中可以采用1/4或者1/8像素精度的運動估值。在要求相同精度的情況下，H.264使用1/4或者1/8像素精度的運動估計后的殘差要比H.263采用半像素精度運動估計后的殘差來得小。這樣在相同精度下，H.264在幀間編碼中所需的碼率更小。 (3)多幀預(yù)測 H.264提供可選的多幀預(yù)測功能，在幀間編碼時，可選5個不同的參考幀，提供了更好的糾錯性能，這樣更可以改善視頻圖像質(zhì)量。這一特性主要應(yīng)用于以下場合：周期性的運動、平移運動、在兩個不同的場景之間來回變換攝像機的鏡頭。 (4)去塊濾波器 H.264定義了自適應(yīng)去除塊效應(yīng)的濾波器，這可以處理預(yù)測環(huán)路中的水平和垂直塊邊緣，大大減少了方塊效應(yīng)。 3.整數(shù)變換 在變換方面，H.264使用了基于4×4像素塊的類似于DCT的變換，但使用的是以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換，不存在反變換，因為取舍而存在誤差的問題，變換矩陣如圖5所示。與浮點運算相比，整數(shù)DCT變換會引起一些額外的誤差，但因為DCT變換后的量化也存在量化誤差，與之相比，整數(shù)DCT變換引起的量化誤差影響并不大。此外，整數(shù)DCT變換還具有減少運算量和復(fù)雜度，有利于向定點DSP移植的優(yōu)點。 4.量化 H.264中可選32種不同的量化步長，這與H.263中有31個量化步長很相似，但是在H.264中，步長是以12.5%的復(fù)合率遞進的，而不是一個固定常數(shù)。 在H.264中，變換系數(shù)的讀出方式也有兩種：之字形(Zigzag)掃描和雙掃描，如圖6所示。大多數(shù)情況下使用簡單的之字形掃描；雙掃描僅用于使用較小量化級的塊內(nèi)，有助于提高編碼效率。圖6 變換系數(shù)的讀出方式 5.熵編碼 視頻編碼處理的最后一步就是熵編碼，在H.264中采用了兩種不同的熵編碼方法：通用可變長編碼（UVLC）和基于文本的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼（CABAC）。 在H.263等標(biāo)準中，根據(jù)要編碼的數(shù)據(jù)類型如變換系數(shù)、運動矢量等，采用不同的VLC碼表。H.264中的UVLC碼表提供了一個簡單的方法，不管符號表述什么類型的數(shù)據(jù)，都使用統(tǒng)一變字長編碼表。其優(yōu)點是簡單；缺點是單一的碼表是從概率統(tǒng)計分布模型得出的，沒有考慮編碼符號間的相關(guān)性，在中高碼率時效果不是很好。 因此，H.264中還提供了可選的CABAC方法。算術(shù)編碼使編碼和解碼兩邊都能使用所有句法元素(變換系數(shù)、運動矢量)的概率模型。為了提高算術(shù)編碼的效率，通過內(nèi)容建模的過程，使基本概率模型能適應(yīng)隨視頻幀而改變的統(tǒng)計特性。內(nèi)容建模提供了編碼符號的條件概率估計，利用合適的內(nèi)容模型，存在于符號間的相關(guān)性可以通過選擇目前要編碼符號鄰近的已編碼符號的相應(yīng)概率模型來去除，不同的句法元素通常保持不同的模型。 四、H.264在視頻會議中的應(yīng)用 目前，大多數(shù)的視頻會議系統(tǒng)均采用H.261或H.263視頻編碼標(biāo)準，而H.264的出現(xiàn)，使得在同等速率下，H.264能夠比H.263減小50%的碼率。也就是說，用戶即使是只利用 384kbit/s的帶寬，就可以享受H.263下高達 768kbit/s的高質(zhì)量視頻服務(wù)。H.264 不但有助于節(jié)省龐大開支，還可以提高資源的使用效率，同時令達到商業(yè)質(zhì)量的視頻會議服務(wù)擁有更多的潛在客戶。 目前，已經(jīng)有少數(shù)幾家廠商的視頻會議產(chǎn)品支持H.264協(xié)議，廠商們致力于普及H.264這個全新的業(yè)界標(biāo)準。隨著其它視頻會議方案廠商陸續(xù)效仿他們的做法，我們必將能全面體驗H.264視頻服務(wù)的優(yōu)勢。
隨著HDTV的興起，H.264這個規(guī)范頻頻出現(xiàn)在我們眼前，HD-DVD和藍光DVD均計劃采用這一標(biāo)準進行節(jié)目制作。而且自2005年下半年以來，無論是NVIDIA還是ATI都把支持H.264硬件解碼加速作為自己最值得夸耀的視頻技術(shù)。H.264到底是何方“神圣”呢？ 什么是H.264？H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)。目前國際上制定視頻編解碼技術(shù)的組織有兩個，一個是“國際電聯(lián)（ITU-T）”，它制定的標(biāo)準有H.261、H.263、H.263+等，另一個是“國際標(biāo)準化組織（ISO）”它制定的標(biāo)準有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264則是由兩個組織聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組（JVT）共同制定的新數(shù)字視頻編碼標(biāo)準，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高級視頻編碼（Advanced Video Coding，AVC），而且它將成為MPEG-4標(biāo)準的第10部分。因此，不論是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，還是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。 H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。舉個例子，原始文件的大小如果為88GB，采用MPEG-2壓縮標(biāo)準壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25∶1，而采用H.264壓縮標(biāo)準壓縮后變?yōu)?79MB，從88GB到879MB，H.264的壓縮比達到驚人的102∶1！H.264為什么有那么高的壓縮比？低碼率（Low Bit Rate）起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等壓縮技術(shù)相比，H.264壓縮技術(shù)將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時還擁有高質(zhì)量流暢的圖像。 H.264算法的優(yōu)勢 H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來的，其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測（Estimation）、變換（Transform）和反變換、量化（Quantization）和反量化、環(huán)路濾波（Loop Filter）、熵編碼（Entropy Coding）。 H.264/MPEG-4 AVC（H.264）是1995年自MPEG-2視頻壓縮標(biāo)準發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開發(fā)組共同開發(fā)的最新國際視頻編碼標(biāo)準。通過該標(biāo)準，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準。 一、H.264的發(fā)展歷史 H.264在1997年ITU的視頻編碼專家組（Video Coding Experts Group）提出時被稱為H.26L，在ITU與ISO合作研究后被稱為MPEG4 Part10（MPEG4 AVC）或H.264（JVT）。 H.264的高級技術(shù)背景 H.264標(biāo)準的主要目標(biāo)是：與其它現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準相比，在相同的帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖象質(zhì)量。 而，H.264與以前的國際標(biāo)準如H.263和MPEG-4相比，最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個方面： 1． 將每個視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀的編碼處理的過程可以達到塊的級別。 2． 采用空間冗余的方法，對視頻幀的一些原始塊進行空間預(yù)測、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼（可變長編碼）。 3． 對連續(xù)幀的不同塊采用臨時存放的方法，這樣，只需對連續(xù)幀中有改變的部分進行編碼。該算法采用運動預(yù)測和運動補償來完成。對某些特定的塊，在一個或多個已經(jīng)進行了編碼的幀執(zhí)行搜索來決定塊的運動向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測主塊。 4． 采用剩余空間冗余技術(shù)，對視頻幀里的殘留塊進行編碼。例如：對于源塊和相應(yīng)預(yù)測塊的不同，再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。 H.264的特征和高級優(yōu)勢 H.264是國際標(biāo)準化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它即保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點和精華又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點。 1．低碼流（Low Bit Rate）：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。 顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。 2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。 3．容錯能力強：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。 4．網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層（Network Adaptation Layer）, 使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸（例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等）。 二、H.264標(biāo)準概述 H.264和以前的標(biāo)準一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計，不用眾多的選項，獲得比H.263++好得多的壓縮性能；加強了對各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理；應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸（存儲）場合的需求。 技術(shù)上，它集中了以往標(biāo)準的優(yōu)點，并吸收了標(biāo)準制定中積累的經(jīng)驗。與H.263 v2(H.263+)或MPEG-4簡單類(Simple Profile)相比，H.264在使用與上述編碼方法類似的最佳編碼器時，在大多數(shù)碼率下最多可節(jié)省50%的碼率。H.264在所有碼率下都能持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量。H.264能工作在低延時模式以適應(yīng)實時通信的應(yīng)用(如視頻會議)，同時又能很好地工作在沒有延時限制的應(yīng)用，如視頻存儲和以服務(wù)器為基礎(chǔ)的視頻流式應(yīng)用。H.264提供包傳輸網(wǎng)中處理包丟失所需的工具，以及在易誤碼的無線網(wǎng)中處理比特誤碼的工具。 在系統(tǒng)層面上，H.264提出了一個新的概念，在視頻編碼層(Video Coding Layer, VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(Network Abstraction Layer, NAL)之間進行概念性分割，前者是視頻內(nèi)容的核心壓縮內(nèi)容之表述，后者是通過特定類型網(wǎng)絡(luò)進行遞送的表述，這樣的結(jié)構(gòu)便于信息的封裝和對信息進行更好的優(yōu)先級控制。H.264的系統(tǒng)編碼框圖如圖1所示。 圖1 H.264系統(tǒng)框圖 三、H.264標(biāo)準的關(guān)鍵技術(shù) 1.幀內(nèi)預(yù)測編碼 幀內(nèi)編碼用來縮減圖像的空間冗余。為了提高H.264幀內(nèi)編碼的效率，在給定幀中充分利用相鄰宏塊的空間相關(guān)性，相鄰的宏塊通常含有相似的屬性。因此，在對一給定宏塊編碼時，首先可以根據(jù)周圍的宏塊預(yù)測（典型的是根據(jù)左上角的宏塊，因為此宏塊已經(jīng)被編碼處理），然后對預(yù)測值與實際值的差值進行編碼，這樣，相對于直接對該幀編碼而言，可以大大減小碼率。 H.264提供6種模式進行4×4像素宏塊預(yù)測，包括1種直流預(yù)測和5種方向預(yù)測，如圖2所示。在圖中，相鄰塊的A到I共9個像素均已經(jīng)被編碼，可以被用以預(yù)測，如果我們選擇模式4，那么，a、b、c、d4個像素被預(yù)測為與E相等的值，e、f、g、h4個像素被預(yù)測為與F相等的值，對于圖像中含有很少空間信息的平坦區(qū)，H.264也支持16×16的幀內(nèi)編碼。 圖2 幀內(nèi)編碼模式 2.幀間預(yù)測編碼 幀間預(yù)測編碼利用連續(xù)幀中的時間冗余來進行運動估計和補償。H.264的運動補償支持以往的視頻編碼標(biāo)準中的大部分關(guān)鍵特性，而且靈活地添加了更多的功能，除了支持P幀、B幀外，H.264還支持一種新的流間傳送幀——SP幀，如圖3所示。碼流中包含SP幀后，能在有類似內(nèi)容但有不同碼率的碼流之間快速切換，同時支持隨機接入和快速回放模式。圖3 SP-幀示意圖H.264的運動估計有以下4個特性。 (1)不同大小和形狀的宏塊分割 對每一個16×16像素宏塊的運動補償可以采用不同的大小和形狀，H.264支持7種模式，如圖4所示。小塊模式的運動補償為運動詳細信息的處理提高了性能，減少了方塊效應(yīng)，提高了圖像的質(zhì)量。圖4 宏塊分割方法 (2)高精度的亞像素運動補償 在H.263中采用的是半像素精度的運動估計，而在H.264中可以采用1/4或者1/8像素精度的運動估值。在要求相同精度的情況下，H.264使用1/4或者1/8像素精度的運動估計后的殘差要比H.263采用半像素精度運動估計后的殘差來得小。這樣在相同精度下，H.264在幀間編碼中所需的碼率更小。 (3)多幀預(yù)測 H.264提供可選的多幀預(yù)測功能，在幀間編碼時，可選5個不同的參考幀，提供了更好的糾錯性能，這樣更可以改善視頻圖像質(zhì)量。這一特性主要應(yīng)用于以下場合：周期性的運動、平移運動、在兩個不同的場景之間來回變換攝像機的鏡頭。 (4)去塊濾波器 H.264定義了自適應(yīng)去除塊效應(yīng)的濾波器，這可以處理預(yù)測環(huán)路中的水平和垂直塊邊緣，大大減少了方塊效應(yīng)。 3.整數(shù)變換 在變換方面，H.264使用了基于4×4像素塊的類似于DCT的變換，但使用的是以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換，不存在反變換，因為取舍而存在誤差的問題，變換矩陣如圖5所示。與浮點運算相比，整數(shù)DCT變換會引起一些額外的誤差，但因為DCT變換后的量化也存在量化誤差，與之相比，整數(shù)DCT變換引起的量化誤差影響并不大。此外，整數(shù)DCT變換還具有減少運算量和復(fù)雜度，有利于向定點DSP移植的優(yōu)點。 4.量化 H.264中可選32種不同的量化步長，這與H.263中有31個量化步長很相似，但是在H.264中，步長是以12.5%的復(fù)合率遞進的，而不是一個固定常數(shù)。 在H.264中，變換系數(shù)的讀出方式也有兩種：之字形(Zigzag)掃描和雙掃描，如圖6所示。大多數(shù)情況下使用簡單的之字形掃描；雙掃描僅用于使用較小量化級的塊內(nèi)，有助于提高編碼效率。圖6 變換系數(shù)的讀出方式 5.熵編碼 視頻編碼處理的最后一步就是熵編碼，在H.264中采用了兩種不同的熵編碼方法：通用可變長編碼（UVLC）和基于文本的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼（CABAC）。 在H.263等標(biāo)準中，根據(jù)要編碼的數(shù)據(jù)類型如變換系數(shù)、運動矢量等，采用不同的VLC碼表。H.264中的UVLC碼表提供了一個簡單的方法，不管符號表述什么類型的數(shù)據(jù)，都使用統(tǒng)一變字長編碼表。其優(yōu)點是簡單；缺點是單一的碼表是從概率統(tǒng)計分布模型得出的，沒有考慮編碼符號間的相關(guān)性，在中高碼率時效果不是很好。 因此，H.264中還提供了可選的CABAC方法。算術(shù)編碼使編碼和解碼兩邊都能使用所有句法元素(變換系數(shù)、運動矢量)的概率模型。為了提高算術(shù)編碼的效率，通過內(nèi)容建模的過程，使基本概率模型能適應(yīng)隨視頻幀而改變的統(tǒng)計特性。內(nèi)容建模提供了編碼符號的條件概率估計，利用合適的內(nèi)容模型，存在于符號間的相關(guān)性可以通過選擇目前要編碼符號鄰近的已編碼符號的相應(yīng)概率模型來去除，不同的句法元素通常保持不同的模型。 四、H.264在視頻會議中的應(yīng)用 目前，大多數(shù)的視頻會議系統(tǒng)均采用H.261或H.263視頻編碼標(biāo)準，而H.264的出現(xiàn)，使得在同等速率下，H.264能夠比H.263減小50%的碼率。也就是說，用戶即使是只利用 384kbit/s的帶寬，就可以享受H.263下高達 768kbit/s的高質(zhì)量視頻服務(wù)。H.264 不但有助于節(jié)省龐大開支，還可以提高資源的使用效率，同時令達到商業(yè)質(zhì)量的視頻會議服務(wù)擁有更多的潛在客戶。 目前，已經(jīng)有少數(shù)幾家廠商的視頻會議產(chǎn)品支持H.264協(xié)議，廠商們致力于普及H.264這個全新的業(yè)界標(biāo)準。隨著其它視頻會議方案廠商陸續(xù)效仿他們的做法，我們必將能全面體驗H.264視頻服務(wù)的優(yōu)勢。
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