浅谈 H.264视频编解码标准的先进性

张 玢,孟开元,田 泽

(西安石油大学计算机学院,西安 710065)

浅谈 H.264视频编解码标准的先进性

张 玢,孟开元,田 泽

(西安石油大学计算机学院,西安 710065)

H.264是新一代视频编解码标准,其采用了一系列新的数据压缩、成像和网络传输技术,使编码效率、图像质量与传输效果得到同步提升,体现了视频编解码技术的最新成果和流行趋势.文章从发展历程、技术创新、应用前景等方面论证了 H.264的先进性和实用性.

H.264;视频编解码;压缩技术;先进性

H.264是新一代视频编解码标准.该标准采用了一系列先进的编码技术,在数据压缩、编码效率、网络适应性等方面都超越以往的标准,能在相对较低带宽下显著提升视频图像质量,将视频压缩技术提升到一个新的高度,代表了未来多媒体数据压缩编码的发展趋势.

1 标准先进

视频编解码标准的发展,经历了从 H.261到 H.262/3以及MPEG-1/2/4等不同的系列和阶段,而每一次发展变化都是编码压缩技术的革新与进步.

H.261是最早出现的视频编码标准,主要针对实时编码和解码设计,压缩和解压缩的信号延时不超过150ms,其输出码率是 px64kbps(p=1～30),p取值较小时,只能传清晰度不太高的图像,适合于面对面的电视电话;p取值较大时 (如 p>6),才可以传输清晰度较好的会议电视图像.

H.263视频编码标准,在 H.261基础上,吸收了MPEG等其它一些国际标准中有效、合理的部分,如:半像素精度的运动估计、PB帧预测等,技术上是 H.261的改进和扩充,支持码率小于 64kbit/s的应用.但H.263众多的编码选项往往令使用者无所适从,MPEG系列标准中引人注目的MPEG-4的“基于对象的编码”部分技术有障碍,仍不能普遍应用,所以图像质量问题还未得到真正解决.

为了在尽可能低的码率下获得尽可能好的图像质量,ITU-T视频编码专家组 (VCEG)和 ISO/IEC动态图像专家组(MPEG)两大国际标准化组织联手制定了高度压缩数字视频编解码器新标准 H.264.H.264克服了以上两者的弱点,采用了新的编码方式,提高了压缩效率和图像质量,体现了视频编码最新的技术成果和最新的流行趋势,是目前国际上最先进的视频编解码标准.

2 技术领先

(1)系统结构分层设计

H.264将整个编码系统分为两层:视频编码层 (VCL:Video CodingLayer)和网络提取层 (NAL:Ne twork Abstraction Layer).视频编码 VCL层负责高效的视频内容表示,提供具有高质量、高压缩比、健壮性、可分级等特性的视频编码码流.它是 H.264视频编码的核心部分.但是编码视频比特流对于不同的传输网络和传输协议并不能全部适应,所以 H.264在视频编码层外部设计了网络提取层 NAL.NAL主要负责将视频编码VCL产生的视频编码数据正确恰当地映射到不同的传输网络,以网络所要求的恰当方式对数据进行打包和传送.这样,H.264就可以在面向不同的传输网络时,灵活地提供不同的封装方式,增强了对网络的适应性,使该标准在更多领域得到广泛的应用.

(2)宏块划分精细灵活

H.264支持形状不等的宏块划分,在运动预测中,一个宏块 (MB)可以被分为大小、形状不同的子块,形成多种不同模式的块尺寸.这种多模式的宏块划分非常精细灵活,更切合图像中实际运动物体的形状,大大提高了运动估计的精确程度.

(3)多帧参考技术

以前的编码技术,采用一个 (P帧)或者两个 (B帧)作为当前预测的参考帧.而 H.264使用高级图像选择技术,可以用以前已编码过且保留在缓冲区的大量的图像进行预测,允许编码器使用多于一帧的先前帧用于运动估计,大大提高了编码效率.

(4)4×4块的整数变换

H.264采用了类似于 4×4离散余弦变换 (DCT)的整数变换,而不是像MPEG-2和MPEG-4那样采用 8×8 DCT的浮点数变换.由于用于变换块的尺寸缩小,运动物体的划分更精确,这样,不但变换计算量比较小,而且在运动物体边缘处的衔接误差也大为减小.

(5)帧内预测

传统标准采用的是帧间预测的方式.为了充分利用视频图像空间相关性,降低空域的冗余,H.264在帧间预测基础上,引入了帧内预测方法,将编码图像边沿进行外推应用到当前帧内编码图像的预测,即使用当前帧内已编码的宏块进行预测,只对实际值和预测值的差值进行编码.

为了提高帧内预测的精度,H.264将每个视频帧分离成由像素组成的块,使视频帧的编码处理的过程可以达到块的级别.H.264支持多种不同的帧内预测模式,对 4×4的亮度宏块有 9种预测模式;对 16×16的亮度宏块和 8×8的色度宏块各有 4种预测模式.这种在空域上进行的预测编码算法,可以除去相邻块之间的空间冗余度,可以取得更为有效的压缩效果.

(6)统一的 VLC(Variable Length Coding)

可变长码 VLC是一种基于概率的统计编码方式,即出现概率高的符号赋予短的码字,概率低的赋予长的码字.在传统的编码技术中,不同的语法元素需要建立不同的码表,既增加了操作的难度,又占用了很大的内存空间.因此,H.264采用了 UVLC新的编码方法,对所有的语法元素使用统一的 VLC表,以相同的码表对不同的对象进行编码,码字结构非常有规律,具有良好的抗误码性.这种码表不需存储,易于实现,既降低了编码难度,又节约了内存空间.

3 性能优越

(1)压缩效率高

H.264在压缩效率方面取得了重大突破.在同等图像质量下,H.264的压缩比是当前 DVD系统中使用的 MPEG-2的 2～3倍,是 MPEG-4的 1.5～2倍.采用 H.264技术压缩后的数据量只有 MPEG-2的1/8,MPEG-4的 1/3.[1]H.264在相同的图像质量下,能够比 H.263等标准平均节省大于 50%的码率,在网络传输过程中所需要的带宽更少,也更加经济.因此,采用 H.264压缩技术能大大节省用户的下载时间和数据流量收费.

(2)图像质量好

在视频编码过程中,H.264采用新技术,使搜索精度由传统编码的半像素提高到 1/4像素,在 1/4像素的基础上再内插,得到 1/8像素精度的运动矢量,实现了压缩比和保真度的同步提高.通过保真度测试实验,可以看出 H.264重构帧和参考帧的残差比较平滑,基本没有斑点,而 H.263的残差却比较明显,尤其是在人物附近.[2]

在网络传输过程中,H.264有很强的容错能力,能在恶劣的环境下传输高质量的视频图像 (如远程、极低带宽).比如,国内普遍采用的MPEG-4编码技术在 3Mbps的带宽下尚达不到标清的图像质量,而H.264编码技术却可以在 2Mbps带宽下提供要求的图像效果.要达到 1920×1080的高清画质,H.264只需 7～8 Mbps带宽,而 MPEG-4却需要 10～12 Mbps带宽.[3]

因此,H.264的成像技术得到业界普遍肯定.专业评估显示,H.264所有支持的格式的图像质量都是优秀的.在低码流和低带宽的环境中,H.264的图像质量远优于过去的编码标准.

(3)传输能力强

H.264具有抵御传输差错的能力,提供了解决网络传输包丢失等差错消除工具,能很好地控制或消除丢包和误码,便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输.H.264视频流中的时间同步采用帧内图像刷新来完成,空间同步由条结构编码 (slice structured coding)来支持.为了便于误码以后的再同步,在一幅图像的视频数据中还提供了一定的重同步点.

H.264具有应对信道码率变化的能力,利用数据分割方法应对信道码率的变化.它采用基于语法的数据分割方法,将每帧数据按其重要性分为几部分,允许在缓冲区溢出时丢弃不太重要的信息;采用时间数据分割方法,通过在 P帧和 B帧中使用多个参考帧来完成.

H.264采用流切换的 SP帧来代替MPEG-4的精细分级编码 FGS(Fine Granular Scalability)方法 (效率比较低),以适应无线信道中在多播情况下的各种变化,进一步增强了网络传输的适应能力,既可以工作在实时通信应用 (如视频会议)低延时模式下,也可以工作在没有延时的视频存储或视频流服务器中,还可以应用于不同场合,根据不同的环境使用不同的传输和播放速率.

4 应用广泛

H.264视频编解码的先进性,决定了它应用的广泛性.H.264标准目前已应用到大部分的视频服务领域.如远程监控、远程教育、远程医疗、视频会议、视频点播 /直播等计算机应用系统;高清电视,数字机顶盒,个人硬盘录像,数字电视等消费类电子产品;2.5/3G的无限视频,移动多媒体通信等通信领域;航空侦察系统,巡航导弹系统,单兵作战侦察指挥系统等军事领域.总之,H.264已经进入到银行、金融、电信、教育、军事等各个行业,已经深入到人们的日常生活之中,正在发挥着不可估量的作用,显现出巨大的经济价值和社会效益.当然,要不了多久,H.264就会被更新的技术标准所超越,这是科技进步的必然规律.

[1]胡兴军.视频编码标准 H.264的技术革新及应用[J].影像技术,2009,(1):24-26.

[2]张惠,张学武,张卓.新一代视频编码标准 H.264/AVC的关键技术研究[J].现代电子技术,2009,(15):127-128.

[3]王兴华.MPEG-4和 H.264[J].西部广播电视,2005,(8):8-9.

[4]高金玉,孙红科.H.264视频编码的关键技术及算法[J].科技信息,2008,(23):423.

[5]齐琳琳,向健勇.H.264视频压缩关键技术及其应用前景[J].电子科技,2006,(10):13-16.

[责任编辑 牛怀岗]

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

张玢 (1986—),女,陕西渭南人,西安石油大学计算机学院在读研究生.研究方向:计算机体系结构 (嵌入式).