H.264編碼算法的研究

摘 要:本文簡單介紹了視頻編碼發展的歷程，然后分析了H.264標準的編碼算法的核心技術，最后對它在各領域的發展前景進行了展望。

關鍵詞:視頻編碼H.264幀間預測

中圖分類號:TN919.8文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0008-01

從1948年提出電視信號可以數字化以來，圖像壓縮編碼技術已有50多年的歷史。隨著市場對圖像傳輸需求的增加，人們都在致力于研究一種新的視頻壓縮算法，以達到共同的目標——即在盡可能低的碼速率下獲得高質量的圖像。現在人們在靜止圖像和活動圖像的壓縮算法方面形成了許多標準，有國際化標準組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)關于靜止圖像的編碼標準JPEG/JPEG2000，關于活動圖像的編碼標準MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2)、MPEG-10(4)等，以及國際電信聯盟(ITU)制定的視頻編碼標準H.26X系列。

1 H.26x系列標準的發展與應用

H.261是最早出現的實用的視頻編碼建議，是規范 ISDN上的會議電視和可視電話應用中的視頻編碼技術。它采用了減少時間冗余的幀間預測和減少空間冗余的DCT變換的混合編碼方法，其輸出碼率是p×64kbit/s。H.263建議的是低碼率圖像壓縮標準，支持碼率小于64kbit/s的應用。H.264是ITU的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC的MPEG(活動圖像編碼專家組)的聯合視頻組(JVT)開發的一個新的數字視頻編碼標準。在H.264建議中有很多值得欣賞的技術，主要有運動估值和運動補償、幀內預測、幀間預測、整數變換、變換系數量化、掃描順序、抗塊效應濾波器、熵編碼、新的圖像片類型、算法的分層結構。正是因為它有著很高的圖像壓縮效率和差錯控制技術，因此在高速網絡和隨機信道中有著廣泛的應用。在H.264中，除了利用量化步長來適應信道碼率外，還利用數據分割的方法應對信道碼率的變化。在無線環境中，通過改變每一幀的量化精度或空間/時間分辨率來支持無線信道的大比特率變化。

2 H.264標準的編碼算法

2.1 幀內預測編碼

H.264的基本預測技術是基于塊，而像素塊預測編碼包括幀內塊預測和幀間塊預測，幀內預測在H.264中有著很重要的地位。在圖像信號中，亮度信號和色差信號是分別處理的，因此又可分為亮度信號預測和色差信號預測。亮度信號預測是在變換編碼之前進行的，可分為4×4和16×16兩種方式。而對于色差信號則只有8×8的預測方式。在幀內預測中，當前塊的抽樣值總是利用鄰塊的抽樣值來獲取，相鄰宏塊的運動補償誤差會造成圖像誤差的擴散，因此，還有一種限制幀內編碼模式，此時只允許相鄰的幀內預測宏塊為已知才可以作為其它當前宏塊的參考宏塊。

對于每一個4×4塊(除邊緣塊外)，每個像素都可以用像素塊的左邊和上邊的17個像素(已編碼重建的像素)的不同加權和來預測。如圖1所示，a，b……p為待預測像素點，而A，B……P為已編碼的像素。圖2所示為9種4×4幀內預測的角度。

2.2 幀間預測編碼

幀間預測用于降低圖像的時域相關性，采用多幀參考和更小運動預測區域等方法，對下一幀精確預測，從而減少傳輸數據量。每個亮度宏塊被劃分為形狀不同的區域，劃分方法有16×16，、16×8、8×16、8×8共四種。選用8×8方式時，可以進一步劃分為8×8、8×4、4×8、4×4共四個子區域。H.264亮度宏塊分割后的每個子塊都有自己獨立的運動矢量，每個運動矢量都會被編碼、傳送，另外分塊方式也必須被編碼在數據比特中。通常大的分塊方式用于幀內均勻的部分，而小的分塊方式將有利于對圖像中細節的描述。每個色度塊將按照亮度的分塊方式進行分塊。由于宏塊中色度分辨率是亮度分辨率的一半，因此其塊的大小在水平還是垂直方向都是亮度塊的一半。

2.3 整數變換與量化

H．264標準規定在一幅圖像經過運動補償或幀內預測后所剩下差值在4×4塊基礎上需再進行變換，才傳輸給解碼器。H.264標準為了抑制漂移的可能性，對DCT做了改動，即所有運算都是整數運算，而且核心運算只涉及到加法和移位算法，因此在反變換過程中不會出現誤匹配問題。

2.4 抗塊效應濾波器

塊效應是邊界像素值的量化誤差形成的，為了克服塊效應，引入了抗塊效應濾波器。當塊邊界上兩邊差較小則使用濾波器將差別“平滑”掉，若邊界上圖像特征明顯則不使用濾波器。H.264標準去除塊效應是基于4×4塊邊界的，因此對于一個16×16的亮度宏塊需要對4條水平邊界和4條垂直邊界濾波。在塊邊界，濾波的強度是和塊的編碼模式、運動矢量和殘差數值相關的。

3 結語

H.264標準在視頻編碼方面有著很好的壓縮比，它的很多算法都是在現有編碼的基礎上繼承和發展的，這使得它在兼容性和發展前景上都有優勢。但同時H.264標準在殘差編碼和宏塊劃分上有著不可避免的矛盾，今后要在這方面研究，尋找一下兩者的平衡點。

參考文獻

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