H.264/AVC专利综述

鲁小丽

摘 要：本文基于H.264/AVC关键技术进行典型专利分析，以期通过分析获得各大主流图像公司针对视频编解码改进路线以及改进技术效果。

关键词：视频编码；H.264/AVC；专利分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.212

视频编码标准随着图像标准需求而不断改进与修订，其中非常引人注目是H.264/AVC。H.264/AVC采用 DPCM/变换为基础的混合编码模式，在此编码框架下采用了一系列先进的视频编解码关键技术，从而使其视频编码性能优于其他视频编码标准。

本文对专利文件进行检索、阅读和分析，基于主要研究方向对相关专利文献进行分类，并对各个分类的特点以及典型方案进行分析，获得各大主流图像公司针对视频编解码改进路线以及改进技术效果，对研发方向有所启发。

1 研究方向分类

通过对专利文献的阅读和分析，获取关于H.264/AVC的主要研究方向，包括：帧间预测；帧内帧间预测；整数变换与量化；熵编码；率失真优化策略；环路滤波器。

1.1 帧间预测

帧间预测主要利用视频序列中帧与帧存在着高度相关性，通过运动估计和运动补偿的预测编码过程来消除视频序列中的时域冗余。视频序列的邻近帧之间通常存在时域相关性，根据预测块所在的位置，得到编码块与预测块之间的运动矢量，运动估计即通过搜索得到运动矢量的过程，运动补偿则是根据运动矢量，在邻近参考帧中搜索到最相似预测块的过程[1]。

典型方案：郑州大学申请的专利（CN101854534A）公开了一种H.264快速帧间模式选择方法，对skip模式优先进行判断，并在此基础上缩小宏块级的模式判断范围；其次根据亚宏块编码模式与量化参数的关系，对亚宏块级模式进行集合划分，对不同的量化参数下的宏块选择不同的亚宏块模式集合，缩小亚宏块级模式判断范围。

1.2 帧内预测

帧内预测是利用图像帧在空间域上相邻像素间相关性的特征，由相邻已重建像素块来预测当前帧像素块，接着对实际当前块和预测块的残差进行变换、量化以及熵编码，从而有效地去除空域冗余，提高编码效率[2]。

典型方案：三星电子株式会社从2004年至2016年提出了从以下三个方面有针对性地进行改进：压缩率、准确度和计算量。其中专利（CN1965586A）公开了：根据已确定的编码模式确定预测方向，基于该方向离目标像素最近的像素来预测剩余像素值，并根据熵编码技术对目标像素与预测像素的差值进行编码，从而提高编码压缩率。专利（CN1921630A）公开了将帧内预测和帧间预测结合从而提高准确度，具体为，将图像分块为多个子块，对其中的一个子块执行帧内预测，将该经编码子块作为参考，对剩余的图像子块进行帧间预测编码。专利（CN101578879A）公开了提取已编码图像中包含的经帧内预测的图像块，從所提取的块中预测当前块。因此，可以利用关键帧和与相邻画面的相关性来执行进行编解码从而提高速度。

1.3 整数变换与量化

H.264/AVC 标准基本档次中使用了4×4整数变换代替了传统的浮点DCT变换，这种变换在能量压缩的性能上与DCT变换十分接近。由于变换矩阵中的系数均为整数，所以不会产生DCT中存在的由于浮点精度引起的正逆变换间的漂移误差。

典型方案：高通股份有限公司申请的专利（CN101946516A）公开了一种用于对多媒体视频进行编码的系统和方法。在对视频进行编码时，针对每一宏块选择一量化参数。如本文中所描述，可通过将所有可能量化参数的总体限于可能量化参数值的特定范围而选择每一宏块的所述量化参数。此通过减少针对每一视频宏块所测试的量化参数的数目而增加视频编码的速度。

1.4 熵编码

H.264/AVC定义了两种类型的熵编码方法，基于内容自适应的变长编码（CAVLC）和基于内容自适应的算术编码（CABAC）。两者相比，CABAC的编码性能更好，而 CAVLC的编码更为简单快速。

典型方案：高通股份有限公司申请的专利从减低计算成本以及提高编码效率两个方面进行了改进：其中，专利（CN103181169A）基于上下文进行自适应熵编码，设置联合上下文模型，在32×32的变换块与16×16的变换块之间共享，第一变化块具有经归零以产生具有第二大小的所保持系数块的系数。在具有不同大小的变换单元之间共享的联合上下文模型执行熵译码，从而减少存储量和计算成本；其中，专利（CN103563378A）公开了确定用于视频数据块的上下文信息，所述块为已编码块，在已编码块的顶部块行下方，上下文信息去除来自已编码单元的上方相邻块的信息。基于上下文信息对当前块数据进行熵译码，从而提高效率。

1.5 环路滤波

H.264/AVC由于量化技术而带来的在视频图像码率高以及图像快速运动情况下而不可避免地产生块效应，使用去块滤波技术来消除块效应，边界像素的平滑。环路滤波作为一种典型的去块滤波技术而在H.264/AVC中一个重要特性。主要包括水平边界滤波和垂直边界滤波，通过对宏块进行阈值判断，而选择不同的滤波强度进行循环滤波。

典型方案：三星电子株式会社申请的专利（CN1189652A）公开了一种环路滤波，提供水平尺寸以及垂直尺寸的滤波窗口，试用一维梯度运算，获得二值边缘映射，检查该窗口内是否存在边缘信息，根据是否存在边缘信息来决定用于由像素相对应滤波窗口的像素滤波的不同强度值。

2 结语

本文基于H.264/AVC关键技术进行典型专利分析，以期通过分析获得各大主流图像公司针对视频编解码改进路线以及改进技术效果。

参考文献：

[1]高樑.视频编码的关键技术及优化研究[D].杭州电子科技大学， 2011.

[2]姜明俊.H.264帧内帧间预测算法的优化[D].西安电子科技大学， 2007.