h.264編碼技術(shù)

H.264是由ITU-T（ITU Telecommunication Standardization Sector，國際電信聯(lián)盟遠程通信標(biāo)準(zhǔn)化組）視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC動態(tài)圖像專家組（MPEG）聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組 （JVT，Joint Video Team）提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)。H.264是ITU-T以H.26x系列為名稱命名的標(biāo)準(zhǔn)之一，同時AVC是ISO/IEC MPEG一方的稱呼。這一標(biāo)準(zhǔn)正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)是2003年3月在泰國Pattaya舉行的JVT第7次會議上通過的。由于該標(biāo)準(zhǔn)是由兩個不同的組織共同 制定的，因此有兩個不同的名稱：在ITU-T中，它的名字叫H.264；而在ISO／IEC中，它被稱為MPEG-4的第10部分，即高級視頻編碼 （AVC）。

H.264的特點
H.264在編碼框架上還是沿用以往的MC-DCT結(jié)構(gòu)，即運動補償加變換編碼的混合（hybrid）結(jié)構(gòu)，因此它保留了一些先前標(biāo)準(zhǔn)的特點，如不受限制 的運動矢量（unrestricted motion vectors），對運動矢量的中值預(yù)測（median prediction）等。然而，以下介紹的技術(shù)使得H.264比之前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在性能上有了很大的提高。應(yīng)當(dāng)指出的是，這個提高不是單靠某一項技術(shù) 實現(xiàn)的，而是由各種不同技術(shù)帶來的小的性能改進而共同產(chǎn)生的。

1. 幀內(nèi)預(yù)測
對I幀的編碼是通過利用空間相關(guān)性而非時間相關(guān)性實現(xiàn)的。以前的標(biāo)準(zhǔn)只利用了一個宏塊（macroblock）內(nèi)部的相關(guān)性，而忽視了宏塊之間的相關(guān)性， 所以一般編碼后的數(shù)據(jù)量較大。為了能進一步利用空間相關(guān)性，H.264引入了幀內(nèi)預(yù)測以提高壓縮效率。簡單地說，幀內(nèi)預(yù)測編碼就是用周圍鄰近的像素值來預(yù) 測當(dāng)前的像素值，然后對預(yù)測誤差進行編碼。這種預(yù)測是基于塊的，對于亮度分量（1uma），塊的大小可以在16×16和4×4之間選擇，16×16塊有4 種預(yù)測模式，4×4塊有9種預(yù)測模式；對于色度分量（chroma），預(yù)測是對整個8×8塊進行的，有4種預(yù)測模式。除了DC預(yù)測外，其他每種預(yù)測模式對 應(yīng)不同方向上的預(yù)測。

2. 幀間預(yù)測
與以往的標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264使用運動估計和運動補償來消除時間冗余，但是它具有以下五個不同的特點：
（1）預(yù)測時所用塊的大小可變
由于基于塊的運動模型假設(shè)塊內(nèi)的所有像素都做了相同的平移，在運動比較劇烈或者運動物體的邊緣處這一假設(shè)會與實際出入較大，從而導(dǎo)致較大的預(yù)測誤差，這時 減小塊的大小可以使假設(shè)在小的塊中依然成立。另外小的塊所造成的塊效應(yīng)相對也小，所以一般來說小的塊可以提高預(yù)測的效果。為此，H.264一共采用了7種 方式對一個宏塊進行分割，每種方式下塊的大小和形狀都不相同，這就使編碼器可以根據(jù)圖像的內(nèi)容選擇最好的預(yù)測模式。與僅使用16×16塊進行預(yù)測相比，使 用不同大小和形狀的塊可以使碼率節(jié)省15％以上。
（2）更精細的預(yù)測精度
在H.264中，Luma分量的運動矢量（MV）使用1／4像素精度。Chroma分量的MV由luma MV導(dǎo)出，由于chroma分辨率是luma的一半（對4:2:0），所以其MV精度將為1／8，這也就是說1個單位的chroma MV所代表的位移僅為chroma分量取樣點間距離的1／8。如此精細的預(yù)測精度較之整數(shù)精度可以使碼率節(jié)省超過20％。
（3）多參考幀
H.264支持多參考幀預(yù)測（multiple reference frames），即可以有多于一個（最多5個）的在當(dāng)前幀之前解碼的幀可以作為參考幀產(chǎn)生對當(dāng)前幀的預(yù)測（motion-compensated prediction）。這適用于視頻序列中含有周期性運動的情況。采用這一技術(shù)，可以改善運動估計（ME）的性能，提高H.264解碼器的錯誤恢復(fù)能 力，但同時也增加了緩存的容量以及編解碼器的復(fù)雜性。不過，H.264的提出是基于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，因此這兩個負擔(dān)在不久的將來會變得微不足道。較 之只使用一個參考幀，使用5個參考幀可以節(jié)省碼率5～10％。
（4）抗塊效應(yīng)濾波器
抗塊效應(yīng)濾波器（Deblocking Filter），它的作用是消除經(jīng)反量化和反變換后重建圖像中由于預(yù)測誤差產(chǎn)生的塊效應(yīng)，即塊邊緣處的像素值跳變，從而一來改善圖像的主觀質(zhì)量，二來減少 預(yù)測誤差。H.264中的Deblocking Filter還能夠根據(jù)圖像內(nèi)容做出判斷，只對由于塊效應(yīng)產(chǎn)生的像素值跳變進行平滑，而對圖像中物體邊緣處的像素值不連續(xù)給予保留，以免造成邊緣模糊。與 以往的Deblocking Filter不同的是，經(jīng)過濾波后的圖像將根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測，而不是僅僅在輸出重建圖像時用來改善主觀質(zhì)量，也就是說該濾波器位于解碼環(huán)中 而非解碼環(huán)的輸出外，因而它又稱作Loop Filter。需要注意的是，對于幀內(nèi)預(yù)測，使用的是未經(jīng)過濾波的重建圖像。

3.整數(shù)變換
H.264對幀內(nèi)或幀間預(yù)測的殘差（residual）進行DCT變換編碼。為了克服浮點運算帶來的硬件設(shè)計復(fù)雜，更重要的是舍入誤差造成的編碼器和解碼 器之間不匹配（mismatch）的問題，新標(biāo)準(zhǔn)對DCT的定義做了修改，使得變換僅用整數(shù)加減法和移位操作即可實現(xiàn)，這樣在不考慮量化影響的情況下，解 碼端的輸出可以準(zhǔn)確地恢復(fù)編碼端的輸入。當(dāng)然這樣做的代價是壓縮性能的略微下降。此外，該變換是針對4×4塊進行的，這也有助于減少塊效應(yīng)。為了進一步利 用圖像的空間相關(guān)性，在對chroma的預(yù)測殘差和16×16幀內(nèi)預(yù)測的預(yù)測殘差進行上述整數(shù)DCT變換之后，標(biāo)準(zhǔn)還將每個4×4變換系數(shù)塊中的DC系數(shù) 組成2×2或4×4大小的塊，進一步做哈達瑪（Hadamard）變換。

4.熵編碼
如果是Slice層預(yù)測殘差，H.264有兩種熵編碼的方式：基于上下文的自適應(yīng)變長碼（Context-based Adaptive Variable Length Coding，CAVLC）和基于上下文的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding，CABAC）；如果不是預(yù)測殘差，H.264采用Exp-Golomb碼或CABAC編碼，視編碼器的設(shè)置而定。
（1）CAVLC
VLC的基本思想就是對出現(xiàn)頻率大的符號使用較短的碼字，而出現(xiàn)頻率小的符號采用較長的碼字。這樣可以使得平均碼長最小。在CAVLC中，H.264采用 若干VLC碼表，不同的碼表對應(yīng)不同的概率模型。編碼器能夠根據(jù)上下文，如周圍塊的非零系數(shù)或系數(shù)的絕對值大小，在這些碼表中自動地選擇，最大可能地與當(dāng) 前數(shù)據(jù)的概率模型匹配，從而實現(xiàn)了上下文自適應(yīng)的功能。
（2）CABAC
算術(shù)編碼是一種高效的熵編碼方案，其每個符號所對應(yīng)的碼長被認為是分數(shù)。由于對每一個符號的編碼都與以前編碼的結(jié)果有關(guān)，所以它考慮的是信源符號序列整體 的概率特性，而不是單個符號的概率特性，因而它能夠更大程度地逼近信源的極限熵 ，降低碼率。為了繞開算術(shù)編碼中無限精度小數(shù)的表示問題以及對信源符號概率進行估計，現(xiàn)代的算術(shù)編碼多以有限狀態(tài)機的方式實現(xiàn)，H.264的CABAC便 是一個例子，其他的例子還有JPEG2000。在CABAC中，每編碼一個二進制符號，編碼器就會自動調(diào)整對信源概率模型（用一個“狀態(tài)”來表示）的估 計，隨后的二進制符號就在這個更新了的概率模型基礎(chǔ)上進行編碼。這樣的編碼器不需要信源統(tǒng)計特性的先驗知識，而是在編碼過程中自適應(yīng)地估計。顯然，與 CAVLC編碼中預(yù)先設(shè)定好若干概率模型的方法比較起來，CABAC有更大的靈活性，可以獲得更好的編碼性能——大約10％碼率的降低。以上介紹的特點都 是用來提高H.264的編碼性能的，此外H.264還具有很好的錯誤恢復(fù)能力（error resilience）和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性（network adaptability），下面介紹其中的一些特點。

5. SP Slice
SP Slice的主要目的是用于不同碼流的切換（switch），此外也可用于碼流的隨機訪問、快進快退和錯誤恢復(fù)。這里所說的不同碼流是指在不同比特率限制 下對同一信源進行編碼所產(chǎn)生的碼流。設(shè)切換前傳輸碼流中的最后一幀為Al，切換后的目標(biāo)碼流第一幀為B2（假設(shè)是P幀），由于B2的參考幀不存在，所以直 接切換顯然會導(dǎo)致很大的失真，而且這種失真會向后傳遞。一種簡單的解決方法就是傳輸幀內(nèi)編碼的B2，但是一般I幀的數(shù)據(jù)量很大，這種方法會造成傳輸碼率的 陡然增加。根據(jù)前面的假設(shè)，由于是對同一信源進行編碼，盡管比特率不同，但切換前后的兩幀必然有很多相關(guān)性，所以編碼器可以將Al作為B2的參考幀，對 B2進行幀間預(yù)測，預(yù)測誤差就是SP Slice，然后通過傳遞SP Slice完成碼流的切換。與常規(guī)P幀不同的是，生成SP Slice所進行的預(yù)測是在Al和B2的變換域中進行的。SP Slice要求切換后B2的圖像應(yīng)和直接傳送目標(biāo)碼流時一樣。顯然，如果切換的目標(biāo)是毫不相關(guān)的另一碼流，SP Slice就不適用了。

6.靈活的宏塊排序
靈活的宏塊排序（flexible macroblock ordering，F(xiàn)MO），是指將一幅圖像中的宏塊分成幾個組，分別獨立編碼，某一個組中的宏塊不一定是在常規(guī)的掃描順序下前后連續(xù)，而可能是隨機地分 散在圖像中的各個不同位置。這樣在傳輸時如果發(fā)生錯誤，某個組中的某些宏塊不能正確解碼時，解碼器仍然可以根據(jù)圖像的空間相關(guān)性依靠其周圍正確譯碼的像素 對其進行恢復(fù)。

H.264編碼技術(shù)
H.264的目標(biāo)應(yīng)用涵蓋了目前大部分的視頻服務(wù)，如有線電視遠程監(jiān)控、交互媒體、數(shù)字電視、視頻會議、視頻點播、流媒體服務(wù)等。H.264為解決不同應(yīng) 用中的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟町?。定義了兩層：視頻編碼層（VCL：Video Coding Layer）負責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示，網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL：Network Abstraction Layer）負責(zé)以網(wǎng)絡(luò)所要求的恰當(dāng)?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進行打包和傳送(如圖所示： 標(biāo)準(zhǔn)的整體框架)。 　　
基本層次（Baseline Profile）：該層次使用了H.264的除了B-Slices，CABAC以及交織編碼模式外所有的特性。該層次主要使用于低時延的實時應(yīng)用場合。 　　
主要層次（Main Profile）：包含Baseline profile的所有特性，并包括了B-slices，CABAC以及交織編碼模式。它主要針對對時延要求不高，當(dāng)壓縮率和質(zhì)量要求較高的場合。 　　
擴展層次(Profile X)：支持所有Baseline profile的特性，但不支持CABAC以及基于宏塊的自適應(yīng)幀場編碼。該層次主要針對的時各種網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸方面的應(yīng)用。

H.264產(chǎn)品
H.264 高清編碼器
MPEG-4 AVC/H.264 高清編碼器是一款專業(yè)的高清音視頻編碼產(chǎn)品。該產(chǎn)品支持幾乎所有模擬 及數(shù)字音視頻輸入接口，包括 CVBS、YPbPr、SD/HD-SDI、HDMI 視頻輸入接口、平衡/非平衡模 擬音頻及 AES/EBU、HDMI、SD/HD-SDI 嵌入音頻輸入接口。該設(shè)備可對標(biāo)清及高清的音視頻進行編碼，支持 MPEG-4 AVC/H.264 編碼格式，具有極高的 編碼壓縮效率及極佳的視頻質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字電視播出系統(tǒng)中。

主要特性
1、支持 H.264/AVC High Profile Level 4.0 及 H.264/AVC High Profile Level 3.0 編碼，先 進的視頻預(yù)處理算法
2、音頻編碼支持 MPEG1 Audio Layer 2
3、支持 CVBS、S-Video、YPbPr 模擬視頻輸入 • 支持 HDMI，HD/SD-SDI 數(shù)字視頻輸入
4、支持平衡及非平衡模擬音頻輸入
5、支持 AES/EBU、HDMI、HD/SD-SDI 數(shù)字音頻輸入 • 支持 PAL、NTSC 標(biāo)清視頻格式
6、支持高清 720P、1080I 視頻格式
7、支持 IP 輸出 TS，UDP 協(xié)議，單播及多播 • 支持液晶按鍵操作