H.264 FRExt技術(shù)及其應(yīng)用 - 全文

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　　一、簡介

　　在2004年7月，JVT又完成了H.264FRExt(即：FidelityRangeExtensions)擴(kuò)展部分(Amendment)的制定工作，包括High profile(HP)、High 10 profile(Hi10P)、High 4:2:2 profile(Hi422P)、High 4:4:4 profile(Hi444P) 4個(gè)profile。此外，JVT于2005年1月開始進(jìn)行H.264的一個(gè)新擴(kuò)展部分分層編碼SVC的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，計(jì)劃于2006年底完成。本文主要介紹H.264 FRExt中的主要技術(shù)點(diǎn)及其應(yīng)用情況。

　　當(dāng)今編碼性能最好的視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)H.264為ISO/IEC之下的MPEG標(biāo)準(zhǔn)組與ITU-TSG16之下的VCEG標(biāo)準(zhǔn)組聯(lián)合組建的工作組JVT所制定，ITU稱之為H.264，MPEG稱之為MPEG-4Part10，此外還可以稱為AVC、H.26L、JVT標(biāo)準(zhǔn)。JVT于2003年5月完成H.264基本部分標(biāo)準(zhǔn)制定工作，包含Baselineprofile、Extended profile和Main profile，分別包括不同的編碼工具，如表1所示。

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　　二、FRExt技術(shù)特點(diǎn)

　　1.FRExt4個(gè)profile

　　H.264Baselineprofile、Extendedprofile和Main profile都是針對(duì)8位樣本數(shù)據(jù)、4:2:0格式的視頻序列，F(xiàn)RExt將其擴(kuò)展到8～12位樣本數(shù)據(jù)，視頻格式可以為4:2:0、4:2:2、4:4:4，設(shè)立了High profile(HP)、High 10 profile(Hi10P)、High 4:2:2 profile(Hi422P)、High 4:4:4 profile(Hi444P) 4個(gè)profile，這4個(gè)profile都以Main profile為基礎(chǔ)，并且為逐漸擴(kuò)展的包含關(guān)系，其所包含的編碼工具和相互關(guān)系如表2所示。

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　　2.變換方法

　　由于FRExt針對(duì)高分辨率的視頻圖象，因此，為了得到更好的編碼效率，在FRExt里增加了一種整數(shù)8%8變換方法，變換矩陣為：

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　　其計(jì)算精度為(8+n)位，其中輸入視頻樣本為n位精度。該變換方法可以通過蝶形方式快速實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算復(fù)雜度比H.264中的4%4變換方法稍多一點(diǎn)，見表3所示。

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　　在編碼過程中，對(duì)于每個(gè)宏塊MB編碼器選擇采用4%4變換還是8%8變換，但是，對(duì)于幀間宏塊，如果采用8%8子劃分方式(即采用4%8、8%4、4%4模式)，則亮度分量采用4%4變換方法;而對(duì)于幀內(nèi)宏塊，如果亮度分量采用8%8預(yù)測方法，則亮度分量采用8%8變換方法。

　　3.幀內(nèi)預(yù)測方法

　　在H.264基本部分中，有16%16和4%4兩種預(yù)測模式，前者包括4個(gè)預(yù)測方向，后者包括9個(gè)預(yù)測方向，F(xiàn)RExt增加8%8預(yù)測模式，包括與4%4類似的9個(gè)預(yù)測方向，并且，8%8預(yù)測還增加了對(duì)參考樣本點(diǎn)的預(yù)濾波處理過程，即在預(yù)測前對(duì)參考樣本點(diǎn)進(jìn)行低通濾波處理。

　　4.量化方法

　　類似于MPEG-2，F(xiàn)RExt量化方法采用了基于感知的量化因子矩陣，包括針對(duì)幀內(nèi)和幀間塊的兩種類型矩陣。該方法不以提高客觀質(zhì)量(如PSNR值)為目標(biāo)，而以提高主觀質(zhì)量為考慮點(diǎn)。

　　5.熵編碼方法

　　與4%4類似，F(xiàn)RExt中8%8掃描方式也包括zig-zag和場掃描兩種掃描方式。FRExt對(duì)CABAC編碼的上下文模型(contextmodels)進(jìn)行了擴(kuò)展。

　　6.色度空間

　　與以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264基本部分是按照YCbCr色度空間進(jìn)行編碼的，其轉(zhuǎn)換方法為：

　　例如，可取KR=0.2126，KB=0.0722。

　　FRExt采用了一種新的色度空間YCgCo，其變換方法為：

　　YCgCo可以減少轉(zhuǎn)換過程的計(jì)算復(fù)雜度、提高編碼效率。

　　7.無損編碼

　　在H.264基本部分里，通過PCM宏快模式可以支持無損編碼或者對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行無損編碼。在PCM宏快模式里，樣本值將直接進(jìn)行編碼，而不需要進(jìn)行預(yù)測、變換和量化。FRExt采用了更為有效的無損編碼方法，不進(jìn)行變換，但對(duì)樣本值采用預(yù)測和熵編碼的方法。

　　三、FRExt編碼性能和應(yīng)用分析

　　經(jīng)測試，就高清視頻編碼來說，在相同配置情況下，Highprofile(HP)可以比Mainprofile(MP)節(jié)省10%的碼流量，比MPEG-2MP節(jié)省60%的碼流量。就單色靜止圖象壓縮來說，當(dāng)采用全幀內(nèi)編碼(INTRA)模式時(shí)，H.264 HP可以比JPEG-2000平均提高0.5dB。幾個(gè)具體測試數(shù)據(jù)可以參見圖1、圖2和圖3。

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　　由于H.264FRExt(Highprofile)具有更好的編碼性能，因此，自從JVT完成H.264FRExt標(biāo)準(zhǔn)制定工作后，原來采用H.264 Main profile的應(yīng)用(例如，高清電視、HD-DVD等)都傾向于采用High profile，例如，DVB在TS 101 154 和TS 102 005中采用HP為衛(wèi)星、光纜和地面廣播中的視頻標(biāo)準(zhǔn)，DVD論壇的HD-DVD規(guī)定HP為每一個(gè)解碼器的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(Blu-Ray Disc Association)BDA在其BD規(guī)范中規(guī)定HP為每一個(gè)解碼器的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)之一?？梢灶A(yù)見，H.264 FRExt(High profile)標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)在高清視頻應(yīng)用領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

　　四、結(jié)束語

　　針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，H.264視頻標(biāo)準(zhǔn)提供了Baseline、Extended、Main、High、High10、High4:2:2和High4:4:4一共7個(gè)profile，其中Baseline profile已經(jīng)應(yīng)用于3GPP、會(huì)議電視、可視電話等實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域，Main profile已經(jīng)應(yīng)用于ISMA等流媒體領(lǐng)域，High profile已經(jīng)應(yīng)用于DVB、HD-DVD等廣電和存儲(chǔ)領(lǐng)域。