作者：成都電視臺經(jīng)濟資訊服務(wù)頻道 曾憲華
2 H.264標(biāo)準(zhǔn)簡介
2003年，ITU-T通過了一個新的數(shù)字視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，即H.264標(biāo)準(zhǔn)，H.264是由ISO/IEC與ITU-T組成的聯(lián)合視頻組(JVT)制定的新一代視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)。國際電信聯(lián)盟將該系統(tǒng)命名為H.264/AVC，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會將其稱為14496-10/MPEG-4 AVC。
H.264標(biāo)準(zhǔn)只有三個子集：基本子集、主體子集和擴展子集。基本子集是專為視頻會議應(yīng)用設(shè)計的，這套標(biāo)準(zhǔn)幾近完美，能夠提供強大的差錯隱消技術(shù)（應(yīng)用該技術(shù)，即使在Internet這樣的易錯網(wǎng)絡(luò)上也可以得到較好的視頻效果），并且支持低延時編/解碼技術(shù)，使視頻會議顯得更自然。主體子集和擴展子集更適合于電視應(yīng)用（數(shù)字廣播、DVD）和延時顯得并不很重要的視頻流應(yīng)用。
H.264標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)如下：
（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，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，H.264也支持16×16的幀內(nèi)編碼。
?。?）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(zhǔn)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，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。
?。?） 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。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。
?。?）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，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。
?。?）熵編碼
視頻編碼處理的最后一步就是熵編碼，H.264標(biāo)準(zhǔn)采用的熵編碼有兩種：一種是基于內(nèi)容的自適應(yīng)變長編碼(CAVLC)與統(tǒng)一的變長編碼(UVLC)結(jié)合；另一種是基于內(nèi)容的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼(CABAC)。CAVLC與CABAC根據(jù)相臨塊的情況進行當(dāng)前塊的編碼，以達到更好的編碼效率。CABAC比CAVLC壓縮效率高，但要復(fù)雜一些。
3 AVS標(biāo)準(zhǔn)簡介
AVS是基于我國創(chuàng)新技術(shù)和部分公開技術(shù)的自主標(biāo)準(zhǔn)，AVS標(biāo)準(zhǔn)包括系統(tǒng)、視頻、音頻、數(shù)字版權(quán)管理等四個主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和一致性測試等支撐標(biāo)準(zhǔn)。2002年，在信息產(chǎn)業(yè)部支持下，成立了“數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”工作組（簡稱AVS工作組），2003年，國家發(fā)展和改革委員會批準(zhǔn)了《數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AVS研究開發(fā)與測試驗證重大專項》。在國內(nèi)外上百家企業(yè)和科研單位共同參與下，AVS標(biāo)準(zhǔn)制定工作進展順利，其中最重要的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)于2005年通過國家廣電總局測試，2006年1月得到信息產(chǎn)業(yè)部批準(zhǔn)，2月國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會正式頒布，3月1日起實施。
AVS視頻編解碼的核心技術(shù)包括：8x8整數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預(yù)測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測運動補償、二維熵編碼等。
?。?）變換量化
AVS的8x8變換與量化可以在16位處理器上無失配地實現(xiàn)，從而克服了H.264之前所有視頻壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)中采用的8x8 DCT變換存在失配的固有問題。而H.264所采用的4x4整數(shù)變換在高分辨率的視頻圖像上的去相關(guān)性能不及8x8的變換有效。AVS采用了64級量化，可以完全適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對碼率和質(zhì)量的要求。
?。?）幀內(nèi)預(yù)測
AVS的幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)沿襲了H.264幀內(nèi)預(yù)測的思路，用相鄰塊的像素預(yù)測當(dāng)前塊，采用代表空間域紋理方向的多種預(yù)測模式。但AVS亮度和色度幀內(nèi)預(yù)測都是以8x8塊為單位的。亮度塊采用5種預(yù)測模式，色度塊采用4種預(yù)測模式，而這4種模式中又有3種和亮度塊的預(yù)測模式相同。在編碼質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，AVS采用較少的預(yù)測模式，使方案更加簡潔、實現(xiàn)的復(fù)雜度大為降低。
?。?）幀間預(yù)測
幀間運動補償編碼是混合編碼技術(shù)框架中最重要的部分之一。AVS標(biāo)準(zhǔn)采用了16×16，16×8，8×16和8×8的塊模式進行運動補償，而去除了H.264標(biāo)準(zhǔn)中的8×4，4×8，4×4的塊模式，目的是能更好地刻畫物體運動，提高運動搜索的準(zhǔn)確性。實驗表明，對于高分辨率視頻，AVS選用的塊模式已經(jīng)能足夠精細(xì)地表達物體的運動。較少的塊模式，能降低運動矢量和塊模式傳輸?shù)拈_銷，從而提高壓縮效率、降低編解碼實現(xiàn)的復(fù)雜度。
AVS和H.264都采用了1/4像素精度的運動補償技術(shù)。H.264采用6抽頭濾波器進行半像素插值并采用雙線性濾波器進行1/4像素插值。而AVS采用了不同的4抽頭濾波器進行半像素插值和1/4像素插值，在不降低性能的情況下減少插值所需要的參考像素點，減小了數(shù)據(jù)存取帶寬需求。
在傳統(tǒng)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，雙向預(yù)測幀B幀都只有一個前向參考幀與一個后向參考幀，而前向預(yù)測幀P 幀則只有一個前向參考幀。AVS中P幀可以利用至多2幀的前向參考幀，而B幀采用前后各一個參考幀，P幀與B幀（包括后向參考幀）的參考幀數(shù)相同，其參考幀存儲空間與數(shù)據(jù)存取的開銷并不比傳統(tǒng)視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)大，而恰恰是充分利用了必須預(yù)留的資源。AVS的B幀的雙向預(yù)測使用了直接模式(direct mode)、對稱模式(symmetric mode)和跳過模式(skip mode)。使用對稱模式時，碼流只需要傳送前向運動矢量，后向運動矢量可由前向運動矢量導(dǎo)出，從而節(jié)省后向運動矢量的編碼開銷。對于直接模式，當(dāng)前塊的前、后向運動矢量都是由后向參考圖像相應(yīng)位置塊的運動矢量導(dǎo)出，無需傳輸運動矢量，因此也可以節(jié)省運動矢量的編碼開銷。跳過模式的運動矢量的導(dǎo)出方法和直接模式的相同，跳過模式編碼的塊運動補償?shù)臍埐顬榱?，即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號，而不需要傳輸運動矢量、補償殘差等附加信息。
（4）熵編碼
AVS熵編碼采用自適應(yīng)變長編碼技術(shù)，在AVS熵編碼過程中，所有的語法元素和殘差數(shù)據(jù)都是以指數(shù)哥倫布碼的形式映射成二進制比特流。采用指數(shù)哥倫布碼的優(yōu)勢在于：一方面，它的硬件復(fù)雜度比較低，可以根據(jù)閉合公式解析碼字，無需查表；另一方面，它可以根據(jù)編碼元素的概率分布靈活地確定以k階指數(shù)哥倫布碼編碼，如果k選得恰當(dāng)，則編碼效率可以逼近信息熵。對預(yù)測殘差的塊變換系數(shù)，經(jīng)掃描形成（level、run）對串，level、run不是獨立事件，而存在著很強的相關(guān)性，在AVS中l(wèi)evel、run采用二維聯(lián)合編碼，并根據(jù)當(dāng)前l(fā)evel、run的不同概率分布趨勢，自適應(yīng)改變指數(shù)哥倫布碼的階數(shù)。（未完）
（本文詳見《廣播電視信息》2006.5）
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