H.264和AVS核心技術(shù)分析

H.264和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，還是采用的混合編碼的框架，AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)采用了與H.264類似的技術(shù)框架，包括變換、量化、熵編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、環(huán)路濾波等模塊。他們核心技術(shù)的不同包括以下幾點(diǎn)：

　　一、變換和量化

　　H.264對(duì)殘差數(shù)據(jù)采用基于塊的變換編碼，去除原始圖像的空間冗余，使圖像能力集中在小部分系數(shù)上，直流系數(shù)值一般來(lái)說(shuō)是最大的，這樣可以提高壓縮比、增強(qiáng)抗干擾能力。先前標(biāo)準(zhǔn)一般采用DCT變換，這種變換的缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)失配現(xiàn)象，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)變換和反變換恢復(fù)后會(huì)有一個(gè)差值，由于是實(shí)數(shù)運(yùn)算計(jì)算量也比較大。H.264采用的是基于4×4塊的整數(shù)變換。

　　AVS采用8×8的整數(shù)變換，可以在16位處理器上無(wú)失配地實(shí)現(xiàn)。對(duì)高分辨率的視頻圖像去相關(guān)性要比4×4變換有效，采用了64級(jí)量化，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對(duì)碼流和質(zhì)量的要求。

　　二、幀內(nèi)預(yù)測(cè)

　　H.264和AVS技術(shù)都采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)的方式，用相鄰的像素預(yù)測(cè)當(dāng)前塊，采用代表空間域紋理的多種預(yù)測(cè)模式。H.264的亮度預(yù)測(cè)有4×4塊和16×16塊2種預(yù)測(cè)方式，對(duì)于4×4的塊：從-135度到+22.5度方向加上一個(gè)直流預(yù)測(cè)一共是9種預(yù)測(cè)方向;對(duì)于16×16塊：有4種預(yù)測(cè)方向。色度預(yù)測(cè)是8×8塊，有4種預(yù)測(cè)模式，類似于幀內(nèi)16×16預(yù)測(cè)的4種模式，其中DC為模式0、水平為模式1、垂直為模式2、平面為模式3。

　　三、幀間預(yù)測(cè)

　　H.264幀間預(yù)測(cè)是利用以編碼視頻幀和基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)模式，與以往標(biāo)準(zhǔn)幀間預(yù)測(cè)的區(qū)別在于塊尺寸范圍更廣、亞像素運(yùn)動(dòng)矢量的使用和多參考幀的運(yùn)用。

　　H.264有16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8和4×4一共8種宏塊及子宏塊劃分，而AVS只有16×16、16×8、8×16和8×8一共4種宏塊劃分方式。

　　H.264支持使用多個(gè)不同的參考幀對(duì)幀間宏塊和片進(jìn)行預(yù)測(cè)，AVS中P幀可以利用至多2幀的前向參考幀，B幀采用前后各一個(gè)參考幀。

　　四、熵編碼

　　H.264制定了基于信息量的熵編碼效率，一種是對(duì)所有的待編碼的符號(hào)采用統(tǒng)一的可變長(zhǎng)編碼(UVLC)，另一種是采用基于內(nèi)容的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC, Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding)，大大減少了塊編碼相關(guān)性冗余，提高了編碼效率。UVLC計(jì)算復(fù)雜度較低，主要針對(duì)對(duì)編碼時(shí)間很?chē)?yán)格的應(yīng)用，缺點(diǎn)就是效率低，碼率較高。CABAC是一種效率很高的熵編碼方法，其編碼效率比UVLC編碼高50%。

　　AVS熵編碼采用自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼技術(shù)。在AVS熵編碼過(guò)程中，所有的語(yǔ)法元素和殘差數(shù)據(jù)都是以指數(shù)哥倫布碼的形式映射成二進(jìn)制比特流。

　　采用指數(shù)哥倫布碼的優(yōu)勢(shì)在于：一方面，它的硬件復(fù)雜度比較低，可以根據(jù)閉合公式解析碼子，無(wú)需查表;另一方面，它可以根據(jù)編碼元素的概率分布靈活地確定以K階指數(shù)哥倫布碼編碼，如果K選得恰當(dāng)，則編碼效率可以逼近信息熵。

　　對(duì)預(yù)測(cè)殘差的塊變換系數(shù)，經(jīng)掃描形成(level、run)對(duì)串，level、run不是獨(dú)立事件，而存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，在AVS中l(wèi)evel、run采用二維聯(lián)合編碼，并根據(jù)當(dāng)前l(fā)evel、run的不同概率分布趨勢(shì)，自適應(yīng)改變指數(shù)哥倫布碼的階數(shù)。

　　另外，在AVS中沒(méi)有SI、SP幀。可以這樣說(shuō)，AVS是在H.264的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，吸收了H.264的精華，但為了繞過(guò)專利的困擾，又不得不放棄H.264的一些核心算法。換來(lái)的代價(jià)就是，編碼效率稍微降低一點(diǎn)的情況下，復(fù)雜度極大得降低了。