視頻編碼之H.264詳解

隨著HDTV等高清資源的興起，H.264這個(gè)規(guī)范頻頻出現(xiàn)在我們眼前，HD-DVD和藍(lán)光DVD均計(jì)劃采用這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)目制作。而且自2005年下半年以來(lái)，無(wú)論是NVIDIA還是ATI都把支持H.264硬件解碼加速作為自己最值得夸耀的視頻技術(shù)。而數(shù)碼播放器領(lǐng)域也吹來(lái)了高清和H.264的風(fēng)潮，國(guó)內(nèi)外不少數(shù)碼播放器廠商都已經(jīng)開(kāi)始支持此類(lèi)編碼的視頻文件，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)資源的豐富程度也逐漸提升。那H.264到底是何方“神圣”呢？和傳統(tǒng)的RMVB等編碼相比，有什么先進(jìn)之處嗎？

H.264，同時(shí)也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T視頻編碼專(zhuān)家組(VCEG)和ISO/IEC動(dòng)態(tài)圖像專(zhuān)家組(MPEG)聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組(JVT，Joint Video Team)提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)。

什么是H.264?H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)。目前國(guó)際上制定視頻編解碼技術(shù)的組織有兩個(gè)，一個(gè)是“國(guó)際電聯(lián)(ITU-T)”，它制定的標(biāo)準(zhǔn)有H.261、H.263、H.263+等，另一個(gè)是“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)”它制定的標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264則是由兩個(gè)組織聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組(JVT)共同制定的新數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高級(jí)視頻編碼(Advanced Video Coding，AVC)，而且它將成為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第10部分。因此，不論是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，還是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。

H.264最大的優(yōu)勢(shì)是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。舉個(gè)例子，原始文件的大小如果為88GB，采用MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25∶1，而采用H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮后變?yōu)?79MB，從88GB到879MB，H.264的壓縮比達(dá)到驚人的102∶1！H.264為什么有那么高的壓縮比?低碼率(Low Bit Rate)起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等壓縮技術(shù)相比，H.264壓縮技術(shù)將大大節(jié)省用戶(hù)的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時(shí)還擁有高質(zhì)量流暢的圖像。

H.264算法的優(yōu)勢(shì)

H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來(lái)的，其編解碼流程主要包括5個(gè)部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化(Quantization)和反量化、環(huán)路濾波(Loop Filter)、熵編碼(Entropy Coding)。

H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開(kāi)發(fā)組共同開(kāi)發(fā)的最新國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

一、H.264的發(fā)展歷史

H.264在1997年ITU的視頻編碼專(zhuān)家組(Video Coding Experts Group)提出時(shí)被稱(chēng)為H.26L，在ITU與ISO合作研究后被稱(chēng)為MPEG4 Part10(MPEG4 AVC)或H.264(JVT)。

H.264的高級(jí)技術(shù)背景

H.264標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是：與其它現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同的帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖象質(zhì)量。

而，H.264與以前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如H.263和MPEG-4相比，最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1． 將每個(gè)視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀的編碼處理的過(guò)程可以達(dá)到塊的級(jí)別。

2． 采用空間冗余的方法，對(duì)視頻幀的一些原始?jí)K進(jìn)行空間預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼(可變長(zhǎng)編碼)。

3． 對(duì)連續(xù)幀的不同塊采用臨時(shí)存放的方法，這樣，只需對(duì)連續(xù)幀中有改變的部分進(jìn)行編碼。該算法采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)完成。對(duì)某些特定的塊，在一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)進(jìn)行了編碼的幀執(zhí)行搜索來(lái)決定塊的運(yùn)動(dòng)向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測(cè)主塊。

4． 采用剩余空間冗余技術(shù)，對(duì)視頻幀里的殘留塊進(jìn)行編碼。例如：對(duì)于源塊和相應(yīng)預(yù)測(cè)塊的不同，再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。

H.264的特征和高級(jí)優(yōu)勢(shì)

H.264是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它即保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和精華又具有其他壓縮技術(shù)無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。

1．低碼流(Low Bit Rate)：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。

顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶(hù)的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。

2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象(DVD質(zhì)量)。

3．容錯(cuò)能力強(qiáng)：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要工具。

4．網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層(Network Adaptation Layer), 使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等)。

二、H.264標(biāo)準(zhǔn)概述

H.264和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，不用眾多的選項(xiàng)，獲得比H.263++好得多的壓縮性能；加強(qiáng)了對(duì)各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)法，有利于對(duì)誤碼和丟包的處理；應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，以滿(mǎn)足不同速率、不同解析度以及不同傳輸(存儲(chǔ))場(chǎng)合的需求。

技術(shù)上，它集中了以往標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并吸收了標(biāo)準(zhǔn)制定中積累的經(jīng)驗(yàn)。與H.263 v2(H.263+)或MPEG-4簡(jiǎn)單類(lèi)(Simple Profile)相比，H.264在使用與上述編碼方法類(lèi)似的最佳編碼器時(shí)，在大多數(shù)碼率下最多可節(jié)省50%的碼率。H.264在所有碼率下都能持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量。H.264能工作在低延時(shí)模式以適應(yīng)實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用(如視頻會(huì)議)，同時(shí)又能很好地工作在沒(méi)有延時(shí)限制的應(yīng)用，如視頻存儲(chǔ)和以服務(wù)器為基礎(chǔ)的視頻流式應(yīng)用。H.264提供包傳輸網(wǎng)中處理包丟失所需的工具，以及在易誤碼的無(wú)線網(wǎng)中處理比特誤碼的工具。

在系統(tǒng)層面上，H.264提出了一個(gè)新的概念，在視頻編碼層(Video Coding Layer, VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(Network Abstraction Layer, NAL)之間進(jìn)行概念性分割，前者是視頻內(nèi)容的核心壓縮內(nèi)容之表述，后者是通過(guò)特定類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遞送的表述，這樣的結(jié)構(gòu)便于信息的封裝和對(duì)信息進(jìn)行更好的優(yōu)先級(jí)控制。