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H.264编码格式简要解析

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H.264,数字视频编码标准,在1997年ITU的视频编码专家组(Video Coding Experts Group)提出时被称为H.26L,在ITU与ISO合作研究后被称为MPEG4 Part10(MPEG4 AVC)或H.264(JVT)。

随着HDTV的兴起,H.264这个规范频频出现在我们眼前,HD-DVD和蓝光DVD均计划采用这一标准进行节目制作。而且自2005年下半年以来,无论是NVIDIA还是ATI都把支持H.264硬件解码加速作为自己最值得夸耀的视频技术。H.264到底是何方"神圣"呢?

H.264是一种高性能的视频编解码技术。目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个,一个是"国际电联(ITU-T)",它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等,另一个是"国际标准化组织(ISO)"它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组(JVT)共同制定的新数字视频编码标准,所以它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码(Advanced Video Coding,AVC),而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。因此,不论是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10,还是ISO/IEC 14496-10,都是指H.264。

H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率,在同等图像质量的条件下,H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG-4的1.5~2倍。举个例子,原始文件的大小如果为88GB,采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB,压缩比为25∶1,而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB,从88GB到879MB,H.264的压缩比达到惊人的102∶1!H.264为什么有那么高的压缩比?低码率(Low Bit Rate)起了重要的作用,和MPEG-2和MPEG-4 ASP等压缩技术相比,H.264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。尤其值得一提的是,H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。

H.264是在MPEG-4技术的基础之上建立起来的,其编解码流程主要包括5个部分:帧间和帧内预测(Estimation)、变换(Transform)和反变换、量化(Quantization)和反量化、环路滤波(Loop Filter)、熵编码(Entropy Coding)。

H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2视频压缩标准发布以后的最新、最有前途的视频压缩标准。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的联合开发组共同开发的最新国际视频编码标准。

它保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟的许多优点。

1.低码流(Low Bit Rate):

和MPEG2和MPEG4 ASP等压缩技术相比,在同等图像质量下,采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG2的1/8,MPEG4的1/3。显然,H.264压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。

2.高质量的图象:

H.264能提供连续、流畅的高质量图象(DVD质量)。

3.容错能力强:

H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。

4.网络适应性强:

H.264提供了网络抽取层(Network Abstraction Layer), 使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输(例如互联网,CDMA,GPRS,WCDMA,CDMA2000等)。

H.264技术特点


1、分层设计

 H.264的算法在概念上可以分为两层:视频编码层(VCL:Video Coding Layer)负责高效的视频内容表示,网络提取层(NAL:Network Abstraction Layer)负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。在VCL和NAL之间定义了一个基于分组方式的接口,打包和相应的信令属于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。

VCL层包括基于块的运动补偿混合编码和一些新特性。与前面的视频编码标准一样,H.264没有把前处理和后处理等功能包括在草案中,这样可以增加标准的灵活性。

NAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据,包括组帧、逻辑信道的信令、定时信息的利用或序列结束信号等。例如,NAL支持视频在电路交换信道上的传输格式,支持视频在Internet上利用RTP/UDP/IP传输的格式。NAL包括自己的头部信息、段结构信息和实际载荷信息,即上层的VCL数据。(如果采用数据分割技术,数据可能由几个部分组成)。

2、高精度、多模式运动估计

H.264支持1/4或1/8像素精度的运动矢量。在1/4像素精度时可使用6抽头滤波器来减少高频噪声,对于1/8像素精度的运动矢量,可使用更为复杂的8抽头的滤波器。在进行运动估计时,编码器还可选择"增强"内插滤波器来提高预测的效果。

在H.264的运动预测中,一个宏块(MB)可以按图2被分为不同的子块,形成7种不同模式的块尺寸。这种多模式的灵活和细致的划分,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。在这种方式下,在每个宏块中可以包含有1、2、4、8或16个运动矢量。

在H.264中,允许编码器使用多于一帧的先前帧用于运动估计,这就是所谓的多帧参考技术。例如2帧或3帧刚刚编码好的参考帧,编码器将选择对每个目标宏块能给出更好的预测帧,并为每一宏块指示是哪一帧被用于预测。

3、4×4块的整数变换

H.264与先前的标准相似,对残差采用基于块的变换编码,但变换是整数操作而不是实数运算,其过程和DCT基本相似。这种方法的优点在于:在编码器中和解码器中允许精度相同的变换和反变换,便于使用简单的定点运算方式。也就是说,这里没有"反变换误差"。 变换的单位是4×4块,而不是以往常用的8×8块。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。为了使小尺寸块的变换方式对图像中较大面积的平滑区域不产生块之间的灰度差异,可对帧内宏块亮度数据的16个4×4块的DC系数(每个小块一个,共16个)进行第二次4×4块的变换,对色度数据的4个4×4块的DC系数(每个小块一个,共4个)进行2×2块的变换。

H.264为了提高码率控制的能力,量化步长的变化的幅度控制在12.5%左右,而不是以不变的增幅变化。变换系数幅度的归一化被放在反量化过程中处理以减少计算的复杂性。为了强调彩色的逼真性,对色度系数采用了较小量化步长。

4、统一的VLC

H.264中熵编码有两种方法,一种是对所有的待编码的符号采用统一的VLC(UVLC :Universal VLC),另一种是采用内容自适应的二进制算术编码(CABAC:Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding)。CABAC是可选项,其编码性能比UVLC稍好,但计算复杂度也高。UVLC使用一个长度无限的码字集,设计结构非常有规则,用相同的码表可以对不同的对象进行编码。这种方法很容易产生一个码字,而解码器也很容易地识别码字的前缀,UVLC在发生比特错误时能快速获得重同步。

5、帧内预测

在先前的H.26x系列和MPEG-x系列标准中,都是采用的帧间预测的方式。在H.264中,当编码Intra图像时可用帧内预测。对于每个4×4块(除了边缘块特别处置以外),每个像素都可用17个最接近的先前已编码的像素的不同加权和(有的权值可为0)来预测,即此像素所在块的左上角的17个像素。显然,这种帧内预测不是在时间上,而是在空间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,取得更为有效的压缩。

6、面向IP和无线环境

H.264 草案中包含了用于差错消除的工具,便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输,如移动信道或IP信道中传输的健壮性。

为了抵御传输差错,H.264视频流中的时间同步可以通过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。同时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。另外,帧内宏块刷新和多参考宏块允许编码器在决定宏块模式的时候不仅可以考虑编码效率,还可以考虑传输信道的特性。

除了利用量化步长的改变来适应信道码率外,在H.264中,还常利用数据分割的方法来应对信道码率的变化。从总体上说,数据分割的概念就是在编码器中生成具有不同优先级的视频数据以支持网络中的服务质量QoS。例如采用基于语法的数据分割(syntax-based data partitioning)方法,将每帧数据的按其重要性分为几部分,这样允许在缓冲区溢出时丢弃不太重要的信息。还可以采用类似的时间数据分割(temporal data partitioning)方法,通过在P帧和B帧中使用多个参考帧来完成。

在无线通信的应用中,我们可以通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率变化。可是,在多播的情况下,要求编码器对变化的各种比特率进行响应是不可能的。因此,不同于MPEG-4中采用的精细分级编码FGS(Fine Granular Scalability)的方法(效率比较低),H.264采用流切换的SP帧来代替分级编码。

H.264的PSNR(PeakSignaltoNoiseRatio,峰值信噪比)比MPEG-4(ASP)和H.263++(HLP)明显要好,在6种速率的对比测试中,H.264的PSNR比MPEG-4(ASP)平均要高2dB,比H.263(HLP)平均要高3dB