H.264/AVC是什么?

　　H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)是由ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合開發(fā)的，定位于覆蓋整個(gè)視頻應(yīng)用領(lǐng)域，包括：低碼率的無(wú)線應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)清晰度和高清晰度的電視廣播應(yīng)用、Internet上的視頻流應(yīng)用，傳輸高清晰度的DVD視頻以及應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)的高質(zhì)量視頻應(yīng)用等等。

　　ITU-T給這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)命名為H.264(以前叫做H.26L)，而ISO/IEC稱它為MPEG-4 高級(jí)視頻編碼(Advanced Video Coding，AVC),并且它將成為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第10部分。既然AVC是當(dāng)前MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的拓展，那么它必然將受益于MPEG-4開發(fā)良好的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(比如系統(tǒng)分層和音頻等)。很明顯，作為MPEG-4高級(jí)簡(jiǎn)潔框架(Advanced Simple Profile，ASP)的MPEG-4 AVC將會(huì)優(yōu)于當(dāng)前的MPEG-4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它將主要應(yīng)用在具有高壓縮率和分層次質(zhì)量需求的方向。

　　就像在下邊“視頻編碼歷史”表格中看到的，ITU-T和ISO/IEC負(fù)責(zé)以前所有的國(guó)際視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的定制。到目前為止，最成功的視頻標(biāo)準(zhǔn)是MPEG-2，它已經(jīng)被各種市場(chǎng)領(lǐng)域所廣泛接受比如DVD、數(shù)字電視廣播(覆蓋電纜和通訊衛(wèi)星)和數(shù)字機(jī)頂盒。自從MPEG-2技術(shù)產(chǎn)生以來(lái)，新的H.264/MPEG-4 AVC標(biāo)準(zhǔn)在編碼效率和質(zhì)量上有了巨大的提高。隨著時(shí)間的過(guò)去，在許多現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域，H.264/MPEG-4 AVC將會(huì)取代MPEG-2和MPEG-4，包括一些新興的市場(chǎng)(比如ADSL視頻)。

　　H.264/AVC核心技術(shù)概覽

　　這個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)是由下面幾個(gè)處理步驟組成的：

　　幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)

　　變換(和反變換)

　　量化(和反量化)

　　環(huán)路濾波

　　熵編碼

　　單張的圖片流組成了視頻，它能分成16X16像素的“宏塊”，這種分塊方法簡(jiǎn)化了在視頻壓縮算法中每個(gè)步驟的處理過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，從標(biāo)準(zhǔn)清晰度標(biāo)準(zhǔn)視頻流解決方案(720X480)中截取的一幅圖片被分成1350(45X30)個(gè)宏塊，然后在宏塊的層次進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

　　幀間預(yù)測(cè)

　　改良的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。運(yùn)動(dòng)估計(jì)用來(lái)確定和消除存在于視頻流中不同圖片之間的時(shí)間冗余。當(dāng)運(yùn)動(dòng)估計(jì)搜索是根據(jù)過(guò)去方向的圖片，那么被編碼的圖片稱為“P幀圖片”，當(dāng)搜索是根據(jù)過(guò)去和將來(lái)兩種方向的圖片，那么被編碼的圖片被稱為“B幀圖片”。

　　為了提高編碼效率，為了包含和分離在“H.264運(yùn)動(dòng)估計(jì)-改良的運(yùn)動(dòng)估計(jì)”圖中的運(yùn)動(dòng)宏塊，宏塊被拆分成更小的塊。然后，以前或?qū)?lái)的圖片的運(yùn)動(dòng)矢量被用來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)給定的塊。H.264/MPEG-4 AVC發(fā)明了一種更小的塊，它具有更好的靈活性，在運(yùn)動(dòng)矢量方面可以有更高的預(yù)測(cè)精度。

　　幀內(nèi)預(yù)測(cè)

　　不能運(yùn)用運(yùn)動(dòng)估計(jì)的地方，就采用幀內(nèi)估計(jì)用來(lái)消除空間冗余。內(nèi)部估計(jì)通過(guò)在一個(gè)預(yù)定義好的集合中不同方向上的鄰近塊推測(cè)相鄰像素來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前塊。然后預(yù)測(cè)塊和真實(shí)塊之間的不同點(diǎn)被編碼。這種方法是H.264/MPEG-4 AVC所特有的，尤其對(duì)于經(jīng)常存在空間冗余的平坦背景特別有用。

　　變換

　　運(yùn)動(dòng)估計(jì)和內(nèi)部估計(jì)后的結(jié)果通過(guò)變換被從空間域轉(zhuǎn)換到頻率域。H.264/MPEG-4 AVC使用整數(shù)DCT4X4變換。而MPEG-2和MPEG-4使用浮點(diǎn)DCT8X8變換。

　　更小塊的H.264/MPEG-4 AVC減少了塊效應(yīng)和明顯的人工痕跡。整數(shù)系數(shù)消除了在MPEG-2和MPEG-4中進(jìn)行浮點(diǎn)系數(shù)運(yùn)算時(shí)導(dǎo)致的精度損失。

　　量化

　　變換后的系數(shù)被量化，減少了整數(shù)系數(shù)的預(yù)測(cè)量和消除了不容易被感知高頻系數(shù)。這個(gè)步驟也用來(lái)控制輸出的比特率維持在一個(gè)基本恒定的常量。

　　環(huán)路濾波

　　H.264/MPEG-4 AVC標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)對(duì)16X16宏塊和4X4塊邊界的解塊過(guò)濾過(guò)程。在宏塊這種情況下，過(guò)濾的目的是消除由于相鄰宏塊有不同的運(yùn)動(dòng)估計(jì)類型(比如運(yùn)動(dòng)估計(jì)和內(nèi)部估計(jì))或者不同的量化參數(shù)導(dǎo)致的人工痕跡。在塊邊界這種情況下，過(guò)濾的目的是消除可能由于變換/量化和來(lái)自于相鄰塊運(yùn)動(dòng)矢量的差別引起的人工痕跡。環(huán)路濾波通過(guò)一個(gè)內(nèi)容自適應(yīng)的非線性算法修改在宏塊/塊邊界的同一邊的兩個(gè)像素。

　　熵編碼

　　在熵編碼之前，4X4的量化系數(shù)必須被重排序。根據(jù)這些系數(shù)原來(lái)采用的預(yù)測(cè)算法為運(yùn)動(dòng)估計(jì)或者內(nèi)部估計(jì)的不同來(lái)選擇不同的掃描類型創(chuàng)建一個(gè)重排序的串行化流。掃描類型按照從低頻到高頻的順序排序這些系數(shù)。既然高頻系數(shù)大多數(shù)趨向于零，那么利用游程編碼就可以縮減零的數(shù)目，從而高效的達(dá)到熵編碼的目的。

　　熵編碼-系數(shù)的串行化

　　在熵編碼步驟通過(guò)映射符號(hào)的字節(jié)流來(lái)表示運(yùn)動(dòng)矢量，量化系數(shù)和宏塊頭。熵編碼通過(guò)設(shè)計(jì)用一個(gè)較少的比特位數(shù)來(lái)表示頻繁使用的符號(hào)，比較多的比特位數(shù)來(lái)表示不經(jīng)常使用的符號(hào)。