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一、H.264圖像編碼壓縮標準

H.264在1997年ITU的視頻編碼專家組（Video Coding Experts Group，VCEG）提出時被稱為H.26L。2001年12月，ITU與ISO在泰國Pattaya成立聯(lián)合視頻專家組（Joint Video Team，JVT）。JVT的工作目標是制定一個新的視頻編碼標準，以實現(xiàn)視頻的高壓縮比、高圖像質(zhì)量、良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等目標。目前JVT的工作已被ITU-T接納，新的視頻壓縮編碼標準稱為H.264（JVT）標準，該標準也被ISO接納，稱為MPEG-4AVC（Advanced Video Coding）標準，即MPEG-4的第10部分。H.264使圖像壓縮技術(shù)上升到了一個更高的階段，能夠在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸，非常適合國內(nèi)接入網(wǎng)/骨干網(wǎng)帶寬相對有限的狀況，是視/音頻編/解碼方面的最新成果。

H.264不僅比H.263和MPEG-4節(jié)約了50%的碼率，而且對網(wǎng)絡(luò)傳輸具有更好的支持功能。它引入了面向IP包的編碼機制，有利于網(wǎng)絡(luò)中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡(luò)中視頻的流媒體傳輸。H.264具有較強的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴重的無線信道中的視頻傳輸。H.264支持不同網(wǎng)絡(luò)資源下的分級編碼傳輸，從而獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。H.264能適應(yīng)于不同網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸，網(wǎng)絡(luò)親和性好。

H.264標準可分為三檔：基本檔次（簡單版本、應(yīng)用面廣），主要檔次（采用了多項提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等），擴展檔次（可用于各種網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸）。

（1）H.264視頻壓縮系統(tǒng)。H.264標準視頻壓縮系統(tǒng)由視頻編碼層（Video Coding Layer，VCL）和網(wǎng)絡(luò)提取層（Network Abstraction Layer，NAL）兩部分組成。VCL中包括VCL編碼器與VCL解碼器，主要功能是視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼和解碼，它包括運動補償、變換編碼、炳編碼等壓縮單元，可以傳輸按當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)整的編碼參數(shù)。NAL則用于為VCL提供一個與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的統(tǒng)一接口，它負責(zé)對視頻數(shù)據(jù)進行封裝打包后使其在網(wǎng)絡(luò)中傳送，它采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，包括單個字節(jié)的包頭信息、多個字節(jié)的視頻數(shù)據(jù)與組幀、邏輯信道信令、定時信息、序列結(jié)束信號等。包頭中包含存儲標志和類型標志，存儲標志用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)不屬于被參考的幀，類型標志用于指示圖像數(shù)據(jù)的類型。

（2）H.264的技術(shù)特色。

①幀內(nèi)預(yù)測編碼。在以前的H.26X系列和MPEG-x系列標準中，都是采用的幀間預(yù)測編碼的方式。在H.264中，還用幀內(nèi)預(yù)測編碼。對于每個4x4塊（除了邊緣塊特別處置以外），每個像素都可用17個最接近的先前已編碼的像素的不同加權(quán)和（有的權(quán)值可為0）來預(yù)測，即此像素所在塊的左上角的17個像素。然后對預(yù)測值與實際值的差值進行編碼，這相對于直接對該幀編碼而言，可大大減小碼率。顯然，這種幀內(nèi)預(yù)測不是在時間上，而是在空間域上進行的預(yù)測編碼算法，可以除去相鄰塊之間的空間冗余度，取得更為有效的壓縮。

H.264提供6種模式進行4x4像素宏塊預(yù)測，包括1種直流預(yù)測和5種方向預(yù)測。對于圖像中含有很少空間信息的平坦區(qū)，H.264也支持16x16的幀內(nèi)編碼。

②幀間預(yù)測編碼。是利用連續(xù)幀中的時間冗余來進行運動估計和補償?shù)?。H.264的運動補償支持以往的視頻編碼標準中的大部分關(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，還引入一種新的SP幀，即流間傳送幀。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，同時支持快速回放和隨機接入。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，這樣可以改善視頻圖像質(zhì)量。

③分層設(shè)計。H.264的算法在概念上可以分為兩層：視頻編碼層（VCL）負責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示，網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL）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。VCL層包括基于塊的運動補償混合編碼和一些新特性。NAL負責(zé)使用下層網(wǎng)絡(luò)的分段格式來封裝數(shù)據(jù)，包括組幀、邏輯信道的信令、定時信息的利用或序列結(jié)束信號等。在VCL和NAL之間定義了一個基于分組方式的接口，打包和相應(yīng)的信令屬于NAL的一部分。這樣，高編碼效率和網(wǎng)絡(luò)友好性的任務(wù)分別由VCL和NAL來完成。

④高精度、多模式運動估計。H.264支持1/4或1/8像素精度的運動矢量。在1/4像素精度時可使用6抽頭濾波器來減少高頻噪聲，對于1/8像素精度的運動矢量，可使用更為復(fù)雜的8抽頭的濾波器。在進行運動估計時，編碼器還可選擇“增強”內(nèi)插濾波器來提高預(yù)測的效果。在H.264中，允許編碼器使用多于一幀的先前幀用于運動估計，這就是所謂的多幀參考技術(shù)。例如，2幀或3幀的剛剛編碼好的參考幀，編碼器將選擇對每個目標宏塊能給出更好的預(yù)測幀，并為每一宏塊指示是哪一幀被用于預(yù)測。對每一個16x16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。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。H.264還定義了自適應(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)。