H.264的视频编码技术初探

摘　要：摘要：H.264频编码是今年来多媒体信息技术领域出现的又一项关键技术，本文首先分析了H.264的分层结构和主要编码技术，并探讨了其在性能改进方面的研究成果，最后展望了其在多个领域中的应用前景。

关键词：H.264标准；视频编码；视频解码

一、 H.264的分层结构
　　（一）视频编码层（VCL）
　　在VCL中，运动补偿支持多种块的形状和尺寸，支持小数取样内插滤波，支持小至4×4的块尺寸和多参考帧图像。运动唯一的轻度通常为1/4，也支持1/8精度。它除了支持I帧、B帧、P帧外，还支持一种新的流间转换帧，称之为帧。在编码器预测环路采用了去方块效应滤波。
　　（二）网络提取层（VAL）
　　VAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据。NAL的任务是提供适当的映射方法将头部信息和数据映射到传输协议上。为了提高H.264的NAL在不同特性的网络上定制VCL数据格式的能力，在VCL和NAL之间定义的基于分组的接口、打包和相应的信令也属于NAL的一部分。这样，高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成。
二、 H.264的编码技术
1. 帧内预测
　　帧内预测编码就是用周围邻近的像素值来预测当前的像素值，然后对预测误差进行编码。这种预测是基于块的，对于亮度分量，块的大小可以在16×16和4×4之间选择，16×16块有4种预测模式，4×4块有9种预测模式；对于色度分量（chroma），预测是对整个8×8块进行的，有4种预测模式。
2. 帧间预测
（1）预测时所用块的大小可变
　　为此，H.264一共采用了7种方式对一个宏块进行分割，每种方式下块的大小和形状都不相同，这就使编码器可以根据图像的内容选择最好的预测模式。与仅使用16×16块进行预测相比，使用不同大小和形状的块可以使码率节省15％以上。

（2）更精细的预测精度
　　在H.264中，Luma分量的运动矢量（MV）使用1／4像素精度。Chroma分量的MV由luma MV导出，由于chroma分辨率是luma的一半（对4:2:0），所以其MV精度将为1／8，这也就是说1个单位的chroma MV所代表的位移仅为chroma分量取样点间距离的1／8。如此精细的预测精度较之整数精度可以使码率节省超过20％。
（3）多参考帧
　　采用这一技术，可以改善运动估计的性能，提高H.264解码器的错误恢复能力，但同时也增加了缓存的容量以及编解码器的复杂性。不过，H.264的提出是基于半导体技术的飞速发展，因此这两个负担在不久的将来会变得微不足道。较之只使用一个参考帧，使用5个参考帧可以节省码率5～10％。
（4）抗块效应滤波器
　　抗块效应滤波器，它的作用是消除经反量化和反变换后重建图像中由于预测误差产生的块效应，从而一来改善图像的主观质量，二来减少预测误差。H.264中的Deblocking Filter还能够根据图像内容做出判断，只对由于块效应产生的像素值跳变进行平滑，而对图像中物体边缘处的像素值不连续给予保留，以免造成边缘模糊。与以往的Deblocking Filter不同的是，经过滤波后的图像将根据需要放在缓存中用于帧间预测，而不是仅仅在输出重建图像时用来改善主观质量，也就是说该滤波器位于解码环中而非解码环的输出外，因而它又称作Loop Filter。需要注意的是，对于帧内预测，使用的是未经过滤波的重建图像。
3.整数变换
　　H.264对帧内或帧间预测的残差进行DCT变换编码。为了克服浮点运算带来的硬件设计复杂，更重要的是舍入误差造成的编码器和解码器之间不匹配的问题，新标准对DCT的定义做了修改，使得变换仅用整数加减法和移位操作即可实现，这样在不考虑量化影响的情况下，解码端的输出可以准确地恢复编码端的输入。当然这样做的代价是压缩性能的略微下降。此外，该变换是针对4×4块进行的，这也有助于减少块效应。
4.熵编码
（1）CAVLC
　　在CAVLC中，H.264采用若干VLC码表，不同的码表对应不同的概率模型。编码器能够根据上下文，如周围块的非零系数或系数的绝对值大小，在这些码表中自动地选择，最大可能地与当前数据的概率模型匹配，从而实现了上下文自适应的功能。
（2）CABAC
　　在CABAC中，每编码一个二进制符号，编码器就会自动调整对信源概率模型的估计，随后的二进制符号就在这个更新了的概率模型基础上进行编码。这样的编码器不需要信源统计特性的先验知识，而是在编码过程中自适应地估计。显然，与CAVLC编码中预先设定好若干概率模型的方法比较起来，CABAC有更大的灵活性，可以获得更好的编码性能--大约10％码率的降低。
三、结束语
　　 H.264与现有的其它视频编码标准想必，具有明显的优势，其编码技术先进实用，具有更强的网络适用性并且它的基本层使公开的，这就使它在多个领域具有广泛的应用前景。可以预见，H.264将会成为最具影响的视频编码标准之一。
参考文献:
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