数字视频压缩技术H264详解.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑数字视频压缩技术H264详解 数字视频压缩技术H.264详 数字视频压缩技术H.264详解 DVR在短短的几年里就成为了全球安防产业最受瞩目的产品明星，极大的推动了安防产业数字化的进程而作为DVR技术的核心，视频编码技术的进展更是日新月异，不断的在安防产业掀起一波又一波新的技术革命，MPEG-4的展现掀起了一次技术革命，H.264以其较MPEG-4更高的视频压缩比和更强的网络传输功能无疑会引发另一场新的改革浪潮 视频编码技术的进展历程自上个世纪80年头以来，ISO/IEC制定的MPEG-x和ITU-T制定的H.26x两大系列视频编码国际标准的推出，开创了视频通信和存储应用的新纪元从H.261视频编码建议，到H.262/3、MPEG-1/2/4等都有一个共同的不断追求的目标，即在尽可能低的码率（或存储容量）下获得尽可能好的图像质量而且，随着市场对图像传输需求的增加，如何适应不同信道传输特性的问题也日益显现出来于是IEO/IEC和ITU-T两大国际标准化组织联手制定了视频新标准H.264来解决这些问题 H.261是最早展现的视频编码建议，目的是模范ISDN网上的会议电视和可视应用中的视频编码技术。

它采用的算法结合了可裁减时间冗余的帧间预料和可裁减空间冗余的DCT变换的混合编码方法和ISDN信道相匹配，其输出码率是p64kbit/sp取值较小时，只能传明显度不太高的图像，适合于面对面的电视；p取值较大时（如 p＞6），可以传输明显度较好的会议电视图像H.263 建议的是低码率图像压缩标准，在技术上是H.261的提升和扩展，支持码率小于64kbit/s的应用但实质上H.263以及后来的H.263+和H.263++已进展成支持全码率应用的建议，从它支持众多的图像格式这一点就可看出，如Sub-QCIF、QCIF、CIF、4CIF甚至16CIF等格式 MPEG-1标准的码率为1.2Mbit/s左右，可供给30帧CIF（352288）质量的图像，是为CD-ROM光盘的视频存储和播放所制定的MPEG-l标准视频编码片面的根本算法与H.261/H.263好像，也采用运动补偿的帧间预料、二维DCT、VLC游程编码等措施此外还引入了帧内帧（I）、预料帧（P）、双向预料帧（B）和直流帧（D）等概念，进一步提高了编码效率在MPEG-1的根基上，MPEG-2标准在提高图像辨识率、兼容数字电视等方面做了一些提升，例如它的运动矢量的精度为半像素；在编码运算中（如运动估计和DCT）区分“帧”和“场”；引入了编码的可分级性技术，如空间可分级性、时间可分级性和信噪比可分级性等。

近年推出的MPEG-4标准引入了基于视听对象（AVO：Audio-Visual Object）的编码，大大提高了视频通信的交互才能和编码效率MPEG-4中还采用了一些新的技术，如外形编码、自适应DCT、任意外形视频对象编码等但是MPEG-4的根本视频编码器还是属于和H.263好像的一类混合编码器总之，H.261建议是视频编码的经典之作，H.263是其进展，并将逐步在实际上取而代之，主要应用于通信方面，但H.263众多的选项往往令使用者无所适从MPEG系列标准从针对存储媒体的应用进展到适应传输媒体的应用，其核心视频编码的根本框架是和H.261一致的，其中引人注目的MPEG-4的“基于对象的编码”片面由于尚有技术障碍，目前还难以普遍应用因此，在此根基上进展起来的新的视频编码建议H.264抑制了两者的弱点，在混合编码的框架下引入了新的编码方式，提高了编码效率，面向实际应用同时，它是两大国际标准化组织的共同制定的，其应用前景应是不言而喻的 JVT的H.264 H.264是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像编码专家组）的联合视频组（JVT：joint video team）开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10 片面。

1998年1月份开头草案征集，1999年9月，完成第一个草案，2022年5月制定了其测试模式TML-8，2022年6月的 JVT第5次会议通过了H.264的FCD板2022年3月正式发布 H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式但它采用“回归根本”的干脆设计，不用众多的选项，获得比H.263++好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应才能，采用“网络友好”的布局和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以得志不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求；它的根本系统是开放的，使用无需版权在技术上，H.264标准中有多个闪光之处，如统一的VLC符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于44块的整数变换、分层的编码语法等这些措施使得H.264算法具有很的高编码效率，在一致的重建图像质量下，能够比H.263俭约50％左右的码率H.264的码流布局网络适应性强，增加了过错恢复才能，能够很好地适应IP和无线网络的应用264的技术亮点（1） 分层设计 H.264的算法在概念上可以分为两层：视频编码层（VCL：Video Coding Layer）负责高效的视频内容表示，网络提取层（NAL：Network Abstraction Layer）负责以网络所要求的恰当的方式对数据举行打包和传送。

在VCL和NAL之间定义了 数字视频压缩技术H.264详 一个基于分组方式的接口，打包和相应的信令属于NAL的一片面这样，高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成 VCL层包括基于块的运动补偿混合编码和一些新特性与前面的视频编码标准一样，H.264没有把前处理和后处理等功能包括在草案中，这样可以增加标准的生动性 NAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据，包括组帧、规律信道的信令、定时信息的利用或序列终止信号等例如，NAL支持视频在电路交换信道上的传输格式，支持视频在Internet上利用RTP/UDP/IP传输的格式NAL包括自己的头部信息、段布局信息和实际载荷信息，即上层的VCL数据假设采用数据分割技术，数据可能由几个片面组成）2） 高精度、多模式运动估计 H.264支持1/4或1/8像素精度的运动矢量在1/4像素精度时可使用6抽头滤波器来裁减高频噪声，对于1/8像素精度的运动矢量，可使用更为繁杂的8抽头的滤波器在举行运动估计时，编码器还可选择“巩固”内插滤波器来提高预料的效果在H.264的运动预料中，一个宏块（MB）可以按图2被分为不同的子块，形成7种不同模式的块尺寸。

这种多模式的生动和细致的划分，更切合图像中实际运动物体的外形，大大提高了运动估计的精确程度在这种方式下，在每个宏块中可以包含有1、2、4、8或16个运动矢量在H.264中，允许编码器使用多于一帧的从前帧用于运动估计，这就是所谓的多帧参考技术例如2帧或3帧刚刚编码好的参考帧，编码器将选择对每个目标宏块能给出更好的预料帧，并为每一宏块指示是哪一帧被用于预料3） 44块的整数变换 H.264与从前的标准好像，对残差采用基于块的变换编码，但变换是整数操作而不是实数运算，其过程和DCT根本好像这种方法的优点在于：在编码器中和解码器中允许精度一致的变换和反变换，便于使用简朴的定点运算方式也就是说，这里没有“反变换误差” 变换的单位是44块，而不是以平时用的88块由于用于变换块的尺寸缩小，运动物体的划分更精确，这样，不但变换计算量对比小，而且在运动物体边缘处的贯穿误差也大为减小为了使小尺寸块的变换方式对图像中较大面积的平滑区域不产生块之间的灰度差异，可对帧内宏块亮度数据的16个44块的DC系数（每个小块一个，共16个）举行其次次44块的变换，对色度数据的4个44块的DC系数（每个小块一个，共4个）举行22块的变换。

H.264为了提高码率操纵的才能，量化步长的变化的幅度操纵在12.5%左右，而不是以不变的增幅变化变换系数幅度的归一化被放在反量化过程中处理以裁减计算的繁杂性为了强调彩色的逼真性，对色度系数采用了较小量化步长4） 统一的VLC H.264中熵编码有两种方法，一种是对全体的待编码的符号采用统一的VLC（UVLC ：Universal VLC），另一种是采用内容自适应的二进制算术编码（CABAC：Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding）CABAC是可选项，其编码性能比UVLC稍好，但计算繁杂度也高UVLC使用一个长度无限的码字集，设计布局分外有规矩，用一致的码表可以对不同的对象举行编码这种方法很轻易产生一个码字，而解码器也很轻易地识别码字的前缀，UVLC在发生比特错误时能快速获得重同步图3显示了码字的语法这里，x0，x1，x2，…是INFO比特，并且为0或1图4列出了前9种码字如：第4号码字包含INFO01，这一码字的设计是为快速再同步而经过优化的，以防止误码5） 帧内预料在从前的H.26x系列和MPEG-x系列标准中，都是采用的帧间预料的方式。

在H.264中，当编码Intra图像时可用帧内预料对于每个44块（除了边缘块更加处置以外），每个像素都可用17个最接近的从前已编码的像素的不同加权和（有的权值可为0）来预料，即此像素所在块的左上角的17个像素鲜明，这种帧内预料不是在时间上，而是在空间域上举行的预料编码算法，可以除去相邻块之间的空间冗余度，取得更为有效的压缩如图4所示，44方块中a、b、...、p为16 个待预料的像素点，而A、B、...、P是已编码的像素如m点的值可以由（J＋2K＋L＋2）/ 4 式来预料，也可以由（A+B+C+D+I+J+K+L）/ 8 式来预料，等等按照所选取的预料参考的点不同，亮度共有9类不同的模式，但色度的帧内预料只有1类模式6） 面向IP和无线环境 H.264 草案中包含了用于过错消释的工具，便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，如移动信道或IP信道中传输的刚强性为了抗拒传输过错，H.264视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像刷新来完成，空间同步由条布局编码（slice structured coding）来支持同时为了便于误码以后的再同步，在一幅图像的视频数据中还供给了确定的重同步点另外，帧内宏块刷新和多参考宏块允许编码器在抉择宏块模式的时候不仅可以考虑编码效率，还可以考虑传输信道的特性。

除了利用量化步长的变更来适应信道码率外，在H.264中，还常利用数据分割的方法来应对信道码率的变化从总体上说，数据分割的概念就是在编码器中生成具有不同优先级的视频数据以支持网络中的服务质量QoS— 8 —。