MPEG-4技術(shù)的演進(jìn)與應(yīng)用

活動(dòng)圖像專家組(MPEG)針對(duì)數(shù)字音頻和視頻的編碼原則制定了MPEG標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)MPEG壓縮引擎，實(shí)現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)的成本為消費(fèi)者提供高質(zhì)量的數(shù)字多媒體內(nèi)容的理想，也為多媒體市場(chǎng)帶來(lái)了無(wú)限商機(jī)。最新開發(fā)的MPEG-4，旨在為機(jī)頂盒、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的壓縮和更靈活的格式，提供更加豐富的選擇。

MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)目前已發(fā)展為ISO/IEC-14496第一版和第二版。隨著MPEG-4 第十部分H.264/先進(jìn)的視頻編碼(AVC)的提出，MPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步演進(jìn)。與此同時(shí)，中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)(AVS)的制定也為便攜式多媒體技術(shù)開創(chuàng)了新的發(fā)展空間。

高質(zhì)量有效傳輸數(shù)字多媒體內(nèi)容

MPEG-4可同時(shí)處理各種“媒體對(duì)象(視頻和音頻內(nèi)容的統(tǒng)稱)”，形成視聽場(chǎng)景，為整套工具包提供互動(dòng)和個(gè)性化媒體內(nèi)容的視聽數(shù)據(jù)，同時(shí)，還可壓縮/解壓其他媒體對(duì)象，如文本、圖像、語(yǔ)音、動(dòng)畫、2D和3D對(duì)象等。為實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的有效實(shí)施，MPEG-4系統(tǒng)對(duì)子集、視頻和音頻工具集都進(jìn)行了定義，以應(yīng)用于各種特殊應(yīng)用，為音頻/視頻對(duì)象的編碼提供更豐富的工具。

圖1 H.264/AVC宏塊視頻編碼層框圖

H.264/AVC打造MPEG-4新特性

MPEG-4 第十部分H.264/AVC在本質(zhì)上與MPEG-2等其他標(biāo)準(zhǔn)類似，是由時(shí)間預(yù)測(cè)和空間預(yù)測(cè)的綜合體與編碼轉(zhuǎn)換共同組成的，但這一新標(biāo)準(zhǔn)并不會(huì)取代現(xiàn)有的MPEG-4 第二部分“編碼解碼器”，也不與其兼容。

除此之外，H.264/AVC還采用了視頻編碼領(lǐng)域的最新研究成果。由于采用了幀內(nèi)預(yù)測(cè)、整數(shù)轉(zhuǎn)換、可變的塊尺寸運(yùn)動(dòng)評(píng)估/補(bǔ)償和去塊過(guò)濾等現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)，H.264/AVC與之前的標(biāo)準(zhǔn)相比又增加了新的特性，在幫助其他現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)在維持相同視頻質(zhì)量的同時(shí)，還可平均降低50%的位率。

表1 H.264/AVC與其他標(biāo)準(zhǔn)的比較

幀間預(yù)測(cè)功能

H.264/AVC可根據(jù)每個(gè)宏塊片編碼類型的不同，以幾種編碼類型中的一種進(jìn)行傳輸，并且所有片編碼類型可支持INTRA-4×4和INTRA-16×16兩種類別的幀內(nèi)編碼類型。在以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，預(yù)測(cè)操作都是在轉(zhuǎn)換域中進(jìn)行的，而在H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中，這一操作往往是根據(jù)已編碼塊中的相鄰樣本，在空間域中進(jìn)行的。幀內(nèi)預(yù)測(cè)不能跨越片邊界，以保持片與片之間的相互獨(dú)立性。

P片中的活動(dòng)補(bǔ)償

除幀內(nèi)宏塊編碼類型外，H.264/AVC還包含多種針對(duì)P片宏塊的預(yù)測(cè)性或活動(dòng)補(bǔ)償性的編碼類型。宏塊被分割在用于活動(dòng)描述的大小固定的塊中，每個(gè)P類宏塊對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的宏塊分區(qū)。活動(dòng)補(bǔ)償?shù)木葹橐粋€(gè)樣本距離的四分之一。

一般情況下，H.264/AVC的語(yǔ)法可支持無(wú)限制的活動(dòng)矢量，即活動(dòng)矢量可以超出畫面區(qū)域，但活動(dòng)矢量元件預(yù)測(cè)不能跨越片邊界。

整數(shù)轉(zhuǎn)換

此外，與以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相似，H.264/AVC也采用預(yù)測(cè)剩余的轉(zhuǎn)換編碼，但這種轉(zhuǎn)換僅應(yīng)用于4×4塊，而且計(jì)算中采用了與4×4離散余弦轉(zhuǎn)換(DCT)特性基本相同的分離整數(shù)轉(zhuǎn)換，以此取代了4×4DCT。由于整個(gè)逆轉(zhuǎn)換過(guò)程由精確整數(shù)運(yùn)算定義，因此避免了逆轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不錯(cuò)配現(xiàn)象。而對(duì)于轉(zhuǎn)換系數(shù)的量化，H.264/AVC運(yùn)用了標(biāo)量化的方法。塊中的量化轉(zhuǎn)換系數(shù)通常按照之字形順序進(jìn)行掃描，并采用平均信息量編碼的方式傳輸。只要16位整數(shù)值相加，并在16位整數(shù)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行位移操作，H.264/AVC 中的所有轉(zhuǎn)換就都能實(shí)現(xiàn)。

圖2 一個(gè)H.264的P片宏塊的分區(qū)結(jié)構(gòu)

圖3 多畫面活動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)

平衡信息量編碼

為實(shí)現(xiàn)量化轉(zhuǎn)換系數(shù)的傳輸，H.264/AVC采用了更先進(jìn)的前后自適應(yīng)可變長(zhǎng)度編碼(CAVLC)，與僅采用單個(gè)VLC列表的方法相比，這一技術(shù)能進(jìn)一步改善平均信息量編碼質(zhì)量。此外H.264/AVC還支持前后自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)，與CAVLC相比，CABAC在進(jìn)行相同質(zhì)量的電視信號(hào)編碼時(shí)，通常能夠節(jié)約10%到15% 的位率，從而進(jìn)一步提升了平均信息量編碼效率。

多基準(zhǔn)幀

H.264/AVC 還支持多畫面活動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)。如圖3所示，H.264/AVC可提供不止一個(gè)的預(yù)先編碼畫面作為活動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)基準(zhǔn)。然而，無(wú)論是編碼器還是解碼器都必須存儲(chǔ)基準(zhǔn)畫面，以實(shí)現(xiàn)多畫面緩沖器中的畫面間預(yù)測(cè)。

基于以上特別的先進(jìn)技術(shù)，與其他現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264/AVC所帶來(lái)的益處顯而易見。例如，與MPEG-2、MPEG-4 ASP 和H.263 HLP等現(xiàn)有的編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，在使用H.264/AVC播放DVD品質(zhì)的電視或進(jìn)行HD視頻編碼時(shí)，相關(guān)的位率可節(jié)省2.25 到2.5，如表1所示。

AVS開創(chuàng)MEPG-4發(fā)展新境界

隨著中國(guó)數(shù)字音頻/視頻多媒體設(shè)備和系統(tǒng)市場(chǎng)的發(fā)展，為建立全國(guó)性的壓縮、處理和數(shù)字版權(quán)管理標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組(中國(guó)AVS工作組)開發(fā)了數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)(AVS)，并于2002年6月由中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部科學(xué)技術(shù)司批準(zhǔn)通過(guò)。2003年12月，AVS工作組針對(duì)高清和高質(zhì)量數(shù)字廣播、數(shù)字存儲(chǔ)媒體及其他相關(guān)應(yīng)用制定的首個(gè)AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世。

由于采用的模塊相同，AVS與H.264/AVC編碼器的架構(gòu)看起來(lái)比較類似。但是，考慮到目標(biāo)應(yīng)用與MPEG-2的向后兼容性以及解碼復(fù)雜程度等因素， AVS音視頻編碼解碼器中模塊還是采用了獨(dú)到的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了編碼效率的進(jìn)一步大幅提升。