H.264視頻編碼算法的認(rèn)識(shí)與理解

　　H.264視頻編碼介紹　

? ?　H.264，同時(shí)也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC動(dòng)態(tài)圖像專家組（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)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通常被稱之為H.264/AVC（或者AVC/H.264或者H.264/MPEG-4 AVC或MPEG-4/H.264 AVC）而明確的說(shuō)明它兩方面的開(kāi)發(fā)者。

　　H264標(biāo)準(zhǔn)各主要部分有Access Unit delimiter（訪問(wèn)單元分割符），SEI（附加增強(qiáng)信息），primary coded picture（基本圖像編碼），Redundant Coded Picture（冗余圖像編碼）。還有Instantaneous Decoding Refresh（IDR，即時(shí)解碼刷新）、Hypothetical Reference Decoder（HRD，假想?yún)⒖冀獯a）、Hypothetical Stream Scheduler（HSS，假想碼流調(diào)度器）。

　　H.264視頻編碼優(yōu)勢(shì)

　　1．低碼率（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。

　　2．高質(zhì)量的圖像：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖像（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)抽象層（Network Abstraction 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）。

　　解碼原理

　　首先解析碼流的頭數(shù)據(jù)，獲取編碼圖像的有關(guān)參數(shù)，包括幀編碼類型（I/P）、圖像寬度或高度等，后續(xù)就是以宏塊為單位循環(huán)解碼，圖中的陰影框表示以宏塊為處理單元循環(huán)執(zhí)行。熵解碼是可變長(zhǎng)編碼VLC的逆操作，即VLD。H.263/MPEG-1/2/4是Huffman熵解碼，即通常意義上的VLD，而H.264則是采用了算術(shù)解碼，又包括CAVLD、CABAD。另外，

　　對(duì)于幀間編碼的宏塊，解碼器還要解析出當(dāng)前宏塊的運(yùn)動(dòng)向量。熵解碼后是反量化操作，反量化就是量化結(jié)果乘以量化步長(zhǎng)，對(duì)于不同的解碼算法又有不同的反量化處理，H.263采用了32級(jí)的均勻量化，即宏塊數(shù)據(jù)采取一個(gè)量化步長(zhǎng)；MPEG-4除了支持H.263的均勻量化外，還增加了量化表的處理方式；H.264采用了52級(jí)的均勻量化方式。反量化處理后，進(jìn)行反變換IDCT，對(duì)H.263/MPEG-1/2/4采取了8×8塊的浮點(diǎn)式IDCT，H.264采取了4×4的整數(shù)ICT。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是解碼器中的重點(diǎn)，占用了約60％以上的計(jì)算負(fù)荷，這是因?yàn)榇a流統(tǒng)計(jì)中幀間編碼為主要的編碼類型，而與之對(duì)

　　應(yīng)的處理就是插值運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，根據(jù)從碼流中解析的運(yùn)動(dòng)向量信息，定位參考幀的確切位置，然后計(jì)算1/2、1/4像素精度的插值，最后把結(jié)果補(bǔ)償（加）到重建幀中。解碼器中的最后處理是可選的去除塊效應(yīng)（MPEG-4）、環(huán)路濾波（H.264）、圖像擴(kuò)展等。

　　視頻解碼流程圖

　　H.264視頻編碼特點(diǎn)

　　1．更高的編碼效率：同H.263等標(biāo)準(zhǔn)的特率效率相比，能夠平均節(jié)省大于50%的碼率。

　　2．高質(zhì)量的視頻畫(huà)面：H.264能夠在低碼率情況下提供高質(zhì)量的視頻圖像，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應(yīng)用亮點(diǎn)。

　　3．提高網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力：H.264可以工作在實(shí)時(shí)通信應(yīng)用（如視頻會(huì)議）低延時(shí)模式下，也可以工作在沒(méi)有延時(shí)的視頻存儲(chǔ)或視頻流服務(wù)器中。4．采用混合編碼結(jié)構(gòu)：同H.263相同，H.264也使用采用DCT變換編碼加DPCM的差分編碼的混合編碼結(jié)構(gòu)，還增加了如多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、多幀預(yù)測(cè)、基于內(nèi)容的變長(zhǎng)編碼、4x4二維整數(shù)變換等新的編碼方式，提高了編碼效率。

　　5．H.264的編碼選項(xiàng)較少：在H.263中編碼時(shí)往往需要設(shè)置相當(dāng)多選項(xiàng)，增加了編碼的難度，而H.264做到了力求簡(jiǎn)潔的“回歸基本”，降低了編碼時(shí)復(fù)雜度。

　　6．H.264可以應(yīng)用在不同場(chǎng)合：H.264可以根據(jù)不同的環(huán)境使用不同的傳輸和播放速率，并且提供了豐富的錯(cuò)誤處理工具，可以很好的控制或消除丟包和誤碼。

　　7．錯(cuò)誤恢復(fù)功能：H.264提供了解決網(wǎng)絡(luò)傳輸包丟失的問(wèn)題的工具，適用于在高誤碼率傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸視頻數(shù)據(jù)。

　　8．較高的復(fù)雜度：264性能的改進(jìn)是以增加復(fù)雜性為代價(jià)而獲得的。據(jù)估計(jì)，H.264編碼的計(jì)算復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的3倍，解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的2倍。

　　H.264視頻編碼算法四大優(yōu)勢(shì)

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

　　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。

　　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）。

　　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。