張 玢,孟開元,田 澤

(西安石油大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,西安 710065)

淺談 H.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性

張 玢,孟開元,田 澤

(西安石油大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,西安 710065)

H.264是新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn),其采用了一系列新的數(shù)據(jù)壓縮、成像和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),使編碼效率、圖像質(zhì)量與傳輸效果得到同步提升,體現(xiàn)了視頻編解碼技術(shù)的最新成果和流行趨勢.文章從發(fā)展歷程、技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用前景等方面論證了 H.264的先進(jìn)性和實用性.

H.264;視頻編解碼;壓縮技術(shù);先進(jìn)性

H.264是新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn).該標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列先進(jìn)的編碼技術(shù),在數(shù)據(jù)壓縮、編碼效率、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等方面都超越以往的標(biāo)準(zhǔn),能在相對較低帶寬下顯著提升視頻圖像質(zhì)量,將視頻壓縮技術(shù)提升到一個新的高度,代表了未來多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的發(fā)展趨勢.

1 標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)

視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,經(jīng)歷了從 H.261到 H.262/3以及MPEG-1/2/4等不同的系列和階段,而每一次發(fā)展變化都是編碼壓縮技術(shù)的革新與進(jìn)步.

H.261是最早出現(xiàn)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),主要針對實時編碼和解碼設(shè)計,壓縮和解壓縮的信號延時不超過150ms,其輸出碼率是 px64kbps(p=1～30),p取值較小時,只能傳清晰度不太高的圖像,適合于面對面的電視電話;p取值較大時 (如 p>6),才可以傳輸清晰度較好的會議電視圖像.

H.263視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),在 H.261基礎(chǔ)上,吸收了MPEG等其它一些國際標(biāo)準(zhǔn)中有效、合理的部分,如:半像素精度的運(yùn)動估計、PB幀預(yù)測等,技術(shù)上是 H.261的改進(jìn)和擴(kuò)充,支持碼率小于 64kbit/s的應(yīng)用.但H.263眾多的編碼選項往往令使用者無所適從,MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)中引人注目的MPEG-4的“基于對象的編碼”部分技術(shù)有障礙,仍不能普遍應(yīng)用,所以圖像質(zhì)量問題還未得到真正解決.

為了在盡可能低的碼率下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量,ITU-T視頻編碼專家組 (VCEG)和 ISO/IEC動態(tài)圖像專家組(MPEG)兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手制定了高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器新標(biāo)準(zhǔn) H.264.H.264克服了以上兩者的弱點(diǎn),采用了新的編碼方式,提高了壓縮效率和圖像質(zhì)量,體現(xiàn)了視頻編碼最新的技術(shù)成果和最新的流行趨勢,是目前國際上最先進(jìn)的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn).

2 技術(shù)領(lǐng)先

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層設(shè)計

H.264將整個編碼系統(tǒng)分為兩層:視頻編碼層 (VCL:Video CodingLayer)和網(wǎng)絡(luò)提取層 (NAL:Ne twork Abstraction Layer).視頻編碼 VCL層負(fù)責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示,提供具有高質(zhì)量、高壓縮比、健壯性、可分級等特性的視頻編碼碼流.它是 H.264視頻編碼的核心部分.但是編碼視頻比特流對于不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議并不能全部適應(yīng),所以 H.264在視頻編碼層外部設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)提取層 NAL.NAL主要負(fù)責(zé)將視頻編碼VCL產(chǎn)生的視頻編碼數(shù)據(jù)正確恰當(dāng)?shù)赜成涞讲煌膫鬏斁W(wǎng)絡(luò),以網(wǎng)絡(luò)所要求的恰當(dāng)方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送.這樣,H.264就可以在面向不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)時,靈活地提供不同的封裝方式,增強(qiáng)了對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性,使該標(biāo)準(zhǔn)在更多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.

(2)宏塊劃分精細(xì)靈活

H.264支持形狀不等的宏塊劃分,在運(yùn)動預(yù)測中,一個宏塊 (MB)可以被分為大小、形狀不同的子塊,形成多種不同模式的塊尺寸.這種多模式的宏塊劃分非常精細(xì)靈活,更切合圖像中實際運(yùn)動物體的形狀,大大提高了運(yùn)動估計的精確程度.

(3)多幀參考技術(shù)

以前的編碼技術(shù),采用一個 (P幀)或者兩個 (B幀)作為當(dāng)前預(yù)測的參考幀.而 H.264使用高級圖像選擇技術(shù),可以用以前已編碼過且保留在緩沖區(qū)的大量的圖像進(jìn)行預(yù)測,允許編碼器使用多于一幀的先前幀用于運(yùn)動估計,大大提高了編碼效率.

(4)4×4塊的整數(shù)變換

H.264采用了類似于 4×4離散余弦變換 (DCT)的整數(shù)變換,而不是像MPEG-2和MPEG-4那樣采用 8×8 DCT的浮點(diǎn)數(shù)變換.由于用于變換塊的尺寸縮小,運(yùn)動物體的劃分更精確,這樣,不但變換計算量比較小,而且在運(yùn)動物體邊緣處的銜接誤差也大為減小.

(5)幀內(nèi)預(yù)測

傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)采用的是幀間預(yù)測的方式.為了充分利用視頻圖像空間相關(guān)性,降低空域的冗余,H.264在幀間預(yù)測基礎(chǔ)上,引入了幀內(nèi)預(yù)測方法,將編碼圖像邊沿進(jìn)行外推應(yīng)用到當(dāng)前幀內(nèi)編碼圖像的預(yù)測,即使用當(dāng)前幀內(nèi)已編碼的宏塊進(jìn)行預(yù)測,只對實際值和預(yù)測值的差值進(jìn)行編碼.

為了提高幀內(nèi)預(yù)測的精度,H.264將每個視頻幀分離成由像素組成的塊,使視頻幀的編碼處理的過程可以達(dá)到塊的級別.H.264支持多種不同的幀內(nèi)預(yù)測模式,對 4×4的亮度宏塊有 9種預(yù)測模式;對 16×16的亮度宏塊和 8×8的色度宏塊各有 4種預(yù)測模式.這種在空域上進(jìn)行的預(yù)測編碼算法,可以除去相鄰塊之間的空間冗余度,可以取得更為有效的壓縮效果.

(6)統(tǒng)一的 VLC(Variable Length Coding)

可變長碼 VLC是一種基于概率的統(tǒng)計編碼方式,即出現(xiàn)概率高的符號賦予短的碼字,概率低的賦予長的碼字.在傳統(tǒng)的編碼技術(shù)中,不同的語法元素需要建立不同的碼表,既增加了操作的難度,又占用了很大的內(nèi)存空間.因此,H.264采用了 UVLC新的編碼方法,對所有的語法元素使用統(tǒng)一的 VLC表,以相同的碼表對不同的對象進(jìn)行編碼,碼字結(jié)構(gòu)非常有規(guī)律,具有良好的抗誤碼性.這種碼表不需存儲,易于實現(xiàn),既降低了編碼難度,又節(jié)約了內(nèi)存空間.

3 性能優(yōu)越

(1)壓縮效率高

H.264在壓縮效率方面取得了重大突破.在同等圖像質(zhì)量下,H.264的壓縮比是當(dāng)前 DVD系統(tǒng)中使用的 MPEG-2的 2～3倍,是 MPEG-4的 1.5～2倍.采用 H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有 MPEG-2的1/8,MPEG-4的 1/3.[1]H.264在相同的圖像質(zhì)量下,能夠比 H.263等標(biāo)準(zhǔn)平均節(jié)省大于 50%的碼率,在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中所需要的帶寬更少,也更加經(jīng)濟(jì).因此,采用 H.264壓縮技術(shù)能大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi).

(2)圖像質(zhì)量好

在視頻編碼過程中,H.264采用新技術(shù),使搜索精度由傳統(tǒng)編碼的半像素提高到 1/4像素,在 1/4像素的基礎(chǔ)上再內(nèi)插,得到 1/8像素精度的運(yùn)動矢量,實現(xiàn)了壓縮比和保真度的同步提高.通過保真度測試實驗,可以看出 H.264重構(gòu)幀和參考幀的殘差比較平滑,基本沒有斑點(diǎn),而 H.263的殘差卻比較明顯,尤其是在人物附近.[2]

在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中,H.264有很強(qiáng)的容錯能力,能在惡劣的環(huán)境下傳輸高質(zhì)量的視頻圖像 (如遠(yuǎn)程、極低帶寬).比如,國內(nèi)普遍采用的MPEG-4編碼技術(shù)在 3Mbps的帶寬下尚達(dá)不到標(biāo)清的圖像質(zhì)量,而H.264編碼技術(shù)卻可以在 2Mbps帶寬下提供要求的圖像效果.要達(dá)到 1920×1080的高清畫質(zhì),H.264只需 7～8 Mbps帶寬,而 MPEG-4卻需要 10～12 Mbps帶寬.[3]

因此,H.264的成像技術(shù)得到業(yè)界普遍肯定.專業(yè)評估顯示,H.264所有支持的格式的圖像質(zhì)量都是優(yōu)秀的.在低碼流和低帶寬的環(huán)境中,H.264的圖像質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于過去的編碼標(biāo)準(zhǔn).

(3)傳輸能力強(qiáng)

H.264具有抵御傳輸差錯的能力,提供了解決網(wǎng)絡(luò)傳輸包丟失等差錯消除工具,能很好地控制或消除丟包和誤碼,便于壓縮視頻在誤碼、丟包多發(fā)環(huán)境中傳輸.H.264視頻流中的時間同步采用幀內(nèi)圖像刷新來完成,空間同步由條結(jié)構(gòu)編碼 (slice structured coding)來支持.為了便于誤碼以后的再同步,在一幅圖像的視頻數(shù)據(jù)中還提供了一定的重同步點(diǎn).

H.264具有應(yīng)對信道碼率變化的能力,利用數(shù)據(jù)分割方法應(yīng)對信道碼率的變化.它采用基于語法的數(shù)據(jù)分割方法,將每幀數(shù)據(jù)按其重要性分為幾部分,允許在緩沖區(qū)溢出時丟棄不太重要的信息;采用時間數(shù)據(jù)分割方法,通過在 P幀和 B幀中使用多個參考幀來完成.

H.264采用流切換的 SP幀來代替MPEG-4的精細(xì)分級編碼 FGS(Fine Granular Scalability)方法 (效率比較低),以適應(yīng)無線信道中在多播情況下的各種變化,進(jìn)一步增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪m應(yīng)能力,既可以工作在實時通信應(yīng)用 (如視頻會議)低延時模式下,也可以工作在沒有延時的視頻存儲或視頻流服務(wù)器中,還可以應(yīng)用于不同場合,根據(jù)不同的環(huán)境使用不同的傳輸和播放速率.

4 應(yīng)用廣泛

H.264視頻編解碼的先進(jìn)性,決定了它應(yīng)用的廣泛性.H.264標(biāo)準(zhǔn)目前已應(yīng)用到大部分的視頻服務(wù)領(lǐng)域.如遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會議、視頻點(diǎn)播 /直播等計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng);高清電視,數(shù)字機(jī)頂盒,個人硬盤錄像,數(shù)字電視等消費(fèi)類電子產(chǎn)品;2.5/3G的無限視頻,移動多媒體通信等通信領(lǐng)域;航空偵察系統(tǒng),巡航導(dǎo)彈系統(tǒng),單兵作戰(zhàn)偵察指揮系統(tǒng)等軍事領(lǐng)域.總之,H.264已經(jīng)進(jìn)入到銀行、金融、電信、教育、軍事等各個行業(yè),已經(jīng)深入到人們的日常生活之中,正在發(fā)揮著不可估量的作用,顯現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益.當(dāng)然,要不了多久,H.264就會被更新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所超越,這是科技進(jìn)步的必然規(guī)律.

[1]胡興軍.視頻編碼標(biāo)準(zhǔn) H.264的技術(shù)革新及應(yīng)用[J].影像技術(shù),2009,(1):24-26.

[2]張惠,張學(xué)武,張卓.新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn) H.264/AVC的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,(15):127-128.

[3]王興華.MPEG-4和 H.264[J].西部廣播電視,2005,(8):8-9.

[4]高金玉,孫紅科.H.264視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)及算法[J].科技信息,2008,(23):423.

[5]齊琳琳,向健勇.H.264視頻壓縮關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景[J].電子科技,2006,(10):13-16.

[責(zé)任編輯 牛懷崗]

Research on the Advancement of the H.264 Video Coding Standard

ZHANG Bin,MENG Kai-yuan,T IAN Ze
(School of Computer Science,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

The next generation of H.264 video decoding standard has adopted a series of new data compression,imaging and ne twork trans mission technology,which makes the coding efficiency,image quality and transmission effect significantly improved,and presents the latest technology and popular trend of the video decoding technology.This paper analyzes the advancement and practicability of the H.264 from the development,technology innovation and application prospect.

H.264;video encoding and decoding;compression technique;advancement

TN919.86

A

1009—5128(2010)05—0052—03

2010—03—28

張玢 (1986—),女,陜西渭南人,西安石油大學(xué)計算機(jī)學(xué)院在讀研究生.研究方向:計算機(jī)體系結(jié)構(gòu) (嵌入式).