視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)研究

摘要：文章研究和比較了視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263+和H.264中所采用的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，闡明了H.264中的空域幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)具有比H.263+中的頻域幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)更佳的預(yù)測(cè)效果，能夠更有效地提高壓縮性能。

關(guān)鍵詞：幀內(nèi)預(yù)測(cè)；H.263+；H.264

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)24-1293-03

Study on Intra Prediction Technologies in Video Coding

XIE Cui-lan

(Department of Information Engineering， Liuzhou Vocational Technical College， Liuzhou 545006， China)

Abstract:This paper provides a detailed analysis and comparison of H.263+and H.264 on intra prediction technologies. Coding performance can be effectively improved in H.264.

Key words: Intra prediction; H.263+;H.264

1 引言

視頻編碼通過最大限度地去除或減少原始視頻中的空間冗余、時(shí)間冗余等各種冗余信息來達(dá)到視頻壓縮的目的。幀內(nèi)編碼的概念在1987年制定H.261時(shí)被引入，后來成為了視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中一項(xiàng)重要技術(shù)。它利用圖像空間相關(guān)性去除空間冗余信息，從而降低編碼碼率。

在早期的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，幀內(nèi)編碼以8×8 塊為單位直接對(duì)待編碼宏塊進(jìn)行DCT變換和量化，以去除空間冗余，再通過熵編碼去除編碼冗余信息。H.263+標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)幀內(nèi)編碼模式中首次引入了基于頻域的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，到了新一代視頻標(biāo)準(zhǔn)H.264則發(fā)展成為基于空域的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)。本文對(duì)這兩種標(biāo)準(zhǔn)中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并對(duì)其編碼性能進(jìn)行了分析比較。

2 H.263+中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)

H.263+高級(jí)幀內(nèi)編碼模式中引入了基于頻域的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，在變換域中根據(jù)相鄰塊對(duì)當(dāng)前塊的某些系數(shù)做預(yù)測(cè)，能夠進(jìn)一步去除幀內(nèi)冗余信息，提高幀內(nèi)編碼效率。

由于圖像相鄰塊間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，在進(jìn)行DCT變換后，這些相鄰塊的頻域系數(shù)（DCT系數(shù)）之間的差別通常不大。因此可以利用待編碼塊左方或上方相鄰塊的DCT系數(shù)來預(yù)測(cè)當(dāng)前塊的DCT系數(shù)，然后只對(duì)預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的差值（預(yù)測(cè)殘差）進(jìn)行量化和熵編碼處理。由于變換后，表征圖像主要內(nèi)容的低頻信息集中分布在DCT系數(shù)塊左上角的少量系數(shù)中，因此只針對(duì)直流（DC）系數(shù)和一部分低頻交流（AC）系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

H.263+高級(jí)幀內(nèi)編碼模式中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)提供了3種預(yù)測(cè)模式： DC模式、垂直DC和AC模式、水平DC和AC模式。各預(yù)測(cè)模式描述見表1。

表1 H.263+幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式描述

3 H.264中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)

在H.263+中，利用頻域內(nèi)相鄰塊DC和AC系數(shù)預(yù)測(cè)待編碼塊的DC和部分AC系數(shù)。由于相鄰塊的頻域系數(shù)之間存在著一定的相關(guān)性，這樣就能去除部分空間冗余信息。但由于只是對(duì)部分AC系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且沒有考慮到圖像紋理方向的特點(diǎn)，因此這種幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)的效果不夠理想。

H.264進(jìn)一步挖掘了圖像空間相關(guān)性，引入了基于空域的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，即在空域中利用當(dāng)前塊的相鄰像素直接對(duì)每個(gè)系數(shù)做預(yù)測(cè)，然后對(duì)預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行變換、量化。由于預(yù)測(cè)殘差在變換量化后會(huì)出現(xiàn)更多的零系數(shù)，因此極大地提高了幀內(nèi)編碼的效率。

H.264幀內(nèi)編碼的框架如圖1所示[1]。在H.264幀內(nèi)編碼中，首先將原始圖像劃分為宏塊（16×16）；再由已編碼重構(gòu)的上方和左方相鄰塊對(duì)當(dāng)前塊進(jìn)行預(yù)測(cè)；然后對(duì)預(yù)測(cè)值和原始值的差值進(jìn)行DCT變換、量化和重排序后，與最優(yōu)預(yù)測(cè)模式號(hào)進(jìn)行熵編碼，形成碼流傳送至解碼端。

在H.264幀內(nèi)預(yù)測(cè)中，色度信息和亮度信息是分開被預(yù)測(cè)的。對(duì)于亮度待編碼塊，可以按照4×4 塊方式預(yù)測(cè)（I4MB）或16×16 宏塊方式預(yù)測(cè)（I16MB）。當(dāng)以4×4塊大小預(yù)測(cè)時(shí)，有9種模式。以16×16塊大小預(yù)測(cè)時(shí)，有4種模式。對(duì)于色度信息，則基于8×8塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)模式也有4種。

圖1 H.264幀內(nèi)編碼框架

3.1 I4 亮度預(yù)測(cè)模式

H.263+中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)都是基于8×8塊進(jìn)行的。當(dāng)待編碼區(qū)域的細(xì)節(jié)豐富時(shí)，基于這種塊分割方式進(jìn)行預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，若將圖像分為更小的塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，則可提高待編碼塊與參考?jí)K之間的相關(guān)性，使預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。因此H.264提供了基于4×4塊的亮度幀內(nèi)預(yù)測(cè)方式。

在采用I4 亮度預(yù)測(cè)方式時(shí)，首先將一個(gè)16×16宏塊按照空間位置劃分成16個(gè)4×4塊，以4×4塊為單位進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了預(yù)測(cè)當(dāng)前4×4塊中的像素，需要利用其左方和上方相鄰塊中的13個(gè)已經(jīng)解碼重構(gòu)過的像素作為參考，如圖2所示。其中a-p表示待預(yù)測(cè)的16個(gè)像素點(diǎn)，A-L和M表示參考像素點(diǎn)。

圖2 4×4高度塊的參考像素

圖3 4×4高度塊預(yù)測(cè)方向

對(duì)于每個(gè)4×4塊，有9種預(yù)測(cè)模式，其中模式0、1、3、4、5、6、7、8為8種方向預(yù)測(cè)模式，如圖3所示，模式2是直流(DC)模式。各預(yù)測(cè)模式的描述見表2。

編碼時(shí)選擇9種預(yù)測(cè)模式中效果最好的一個(gè)做為最優(yōu)預(yù)測(cè)模式，以該模式對(duì)當(dāng)前塊進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼。

表2 I4 亮度預(yù)測(cè)模式描述

3.2 I16 亮度預(yù)測(cè)

采用4×4塊預(yù)測(cè)方式時(shí)，整個(gè)宏塊共有16個(gè)最優(yōu)預(yù)測(cè)模式號(hào)需要傳送至解碼端。當(dāng)待編碼宏塊比較平滑時(shí)，這16個(gè)最優(yōu)預(yù)測(cè)模式號(hào)大部分是相同的，導(dǎo)致會(huì)產(chǎn)生大量的冗余比特。因此H.264還提供了I16 亮度預(yù)測(cè)方式，直接對(duì)整個(gè)宏塊進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，一個(gè)宏塊只需傳送1個(gè)模式號(hào)，從而減少冗余比特，同時(shí)可以減少預(yù)測(cè)的計(jì)算量。

與I4 亮度預(yù)測(cè)方式相似， I16 亮度預(yù)測(cè)需要利用待編碼宏塊上方和左方的33個(gè)已解碼重構(gòu)像素做參考像素，一共有四種模式，如圖4所示。模式0、1、2與I4亮度預(yù)測(cè)方式的預(yù)測(cè)模式相似，模式3則綜合考慮了待編碼宏塊上方、左方參考像素的亮度變化趨勢(shì)。當(dāng)待編碼區(qū)亮度值呈整體平滑變化時(shí)，采用模式3效果會(huì)很好。各預(yù)測(cè)模式描述見表3[2]。

圖4 16×16高度塊的預(yù)測(cè)模式

3.3 I8 色度預(yù)測(cè)

由于人類視覺系統(tǒng)對(duì)色度變化的敏感度不如對(duì)亮度變化的敏感度那么強(qiáng)烈，因此可以采用較粗略的方式預(yù)測(cè)色度信息。H.264對(duì)色度幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用了基于8 8色度宏塊、U和V兩種色度成分統(tǒng)一預(yù)測(cè)的方式。

表3 I16亮度預(yù)測(cè)模式

I8色度預(yù)測(cè)中，為了預(yù)測(cè)當(dāng)前8 8色度塊，需要用到待編碼色度宏塊上方、左方的17個(gè)已重構(gòu)的像素做參考像素。與I16 亮度預(yù)測(cè)相似，也有四種預(yù)測(cè)模式，只是模式編號(hào)不同。模式0為垂直預(yù)測(cè)模式，模式1為水平預(yù)測(cè)模式， 模式2為DC預(yù)測(cè)模式， 模式3為平面預(yù)測(cè)模式。

4 幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)分析比較

1）塊劃分方式上的區(qū)別：H.263+幀內(nèi)預(yù)測(cè)只支持8×8這一種分塊方式；H.264幀內(nèi)預(yù)測(cè)則提供了4×4塊、16×16宏塊的分塊方式，使預(yù)測(cè)更靈活準(zhǔn)確：4 4塊用于圖像細(xì)節(jié)部分的預(yù)測(cè)，可以提高預(yù)測(cè)精度；16×16 塊用于預(yù)測(cè)平坦的圖像區(qū)域，能夠在保證幀內(nèi)預(yù)測(cè)精度的同時(shí)降低運(yùn)算復(fù)雜度和碼率。

2）預(yù)測(cè)模式上的區(qū)別：H.263+中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)只是對(duì)DCT變換后的DC系數(shù)和部分AC系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，沒有預(yù)測(cè)所有變換系數(shù)，這種預(yù)測(cè)是部分的、不完全的。因此，對(duì)一些細(xì)節(jié)豐富的圖像，H.263+幀內(nèi)預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)誤差較大。

H.264充分考慮了幀內(nèi)像素的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，詳細(xì)設(shè)定了多種方向的預(yù)測(cè)模式，能夠更好地匹配圖像像素分布的真實(shí)情況，減少預(yù)測(cè)誤差。對(duì)于不同類型的圖像，此種幀內(nèi)預(yù)測(cè)方法都能有效地逼近真實(shí)值，保證對(duì)不同紋理方向圖像都有較高的預(yù)測(cè)精度。

3）編碼性能上的比較：H.263+所采用的頻域幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)能夠在一定程度上降低I幀所占用的比特?cái)?shù)，在信嗓比相同的情況下，可以節(jié)省20%左右的碼率[3]。另外H.263+算法簡(jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)；由于支持的預(yù)測(cè)模式不多，運(yùn)算量小。

H.264在采用更先進(jìn)的空域幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)后，與H.263+高級(jí)幀內(nèi)編碼模式中DCT域的幀內(nèi)預(yù)測(cè)相比，其PSNR值平均提高了4.37dB[4]。在相同的重建圖像質(zhì)量下，H.264比H.263+減小了50%碼率[5]，其中幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)編碼器性能的提高起到了重要作用。但H.264為了獲得最佳壓縮效果而采用了盡可能多的預(yù)測(cè)模式，導(dǎo)致幀內(nèi)編碼運(yùn)算量大幅度增加。H.264的幀內(nèi)編碼運(yùn)算量是H.263+的數(shù)倍。

5 結(jié)束語

新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264因其卓越的編碼性能必將在數(shù)字視頻的通信或存儲(chǔ)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展?jié)摿Σ豢上蘖?。相?duì)于H.263+的頻域幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，H.264所采用的空域幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)更加有效地降低了碼率，對(duì)編碼器性能的提高起到了重要作用，但運(yùn)算量也大幅度增加，不利于實(shí)時(shí)應(yīng)用。因此，研究在保證編碼效率前提下進(jìn)一步提高運(yùn)算效率的幀內(nèi)預(yù)測(cè)快速算法，就具有十分重要的應(yīng)用意義。這是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，也是本人今后的研究方向。

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