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H.264標準的特點及應用
作者：　來源：　日期：2016-3-7 14:33:42　點擊：1052　屬于：服務支持

隨著人類精神需求和空間需求的提升，人們不再滿足面對面的語言交流，空間距離的增加導致人們面對面的語言交流變得越來越少，人們更需要在時空中交流與交往。當傳統(tǒng)的交流方式難以實現(xiàn)時，更需要視覺、感觀以及信息交流。正因為如此，促進了衛(wèi)星通信、微波通信、有線/無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，也推動信息壓縮技術(shù)和寬帶傳輸技術(shù)，同時推動了安防業(yè)的迅猛發(fā)展。視頻信息傳輸和視頻通訊的猛增，給視頻壓縮技術(shù)帶來了很大挑戰(zhàn)。無論是互聯(lián)網(wǎng)還是無線網(wǎng)絡，都需要一種新型的壓縮算法，新算法要求高壓縮比，且能適應不同的網(wǎng)絡環(huán)境。以較小的失真、較高的壓縮比、更小的花費、較低的碼率在信道中傳遞視頻，進行多媒體通信是今后視頻壓縮技術(shù)研究的一個方向。

H.264，又稱MPEG-4part10，也稱AVC(AdvancedVideoCoding)，是一個數(shù)字視頻壓縮標準，由VCEG(ITU-TVideoCodingExpertsGroup)和MPEG(ISO/IECMovingPictureExpertsGroup)聯(lián)合組成的JVT(JointVideoTeam)于2003年3月正式發(fā)布[1，2]。H.264標準的主要目標就是在同等保真條件下，提高編碼效率。這是一對矛盾，既然要求圖像不失真，則圖像傳輸?shù)谋忍財?shù)就大，在網(wǎng)絡帶寬一定的情況下，圖像信號傳輸?shù)乃俣染涂?，因此，只有提高編碼效率才能實現(xiàn)。

H.264的源起

在以往眾多的視頻編碼算法中，被廣泛認可并應用于實際的是ISO/IEC制定的MPEG-X和ITU-T制定的H.26x兩大系列視頻編碼國際標準。

H.261是早期的編碼標準，主要是規(guī)范ISDN網(wǎng)上的會議電視和可視對講。它采用的是可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，以及ISDN信道匹配，其輸出碼率是P×64kbit/s。P較小時，傳輸清晰度不太高的圖像;P較大時，可以傳輸清晰度較好的會議電視圖像。

H.263是低碼率圖像壓縮標準，在技術(shù)上是H.261的改進和擴充，且支持碼率小于64kbit/s的應用。后期263+、263++已能支持全碼率應用，支持眾多圖像，可看出，其支持多格式圖像信息傳輸，如Sub-QCIF、QCIF、CIF、4CIF、16CIF等格式。

MPEG-1標準的碼率為1.2mbit/s，可實現(xiàn)30幀/sCIF(352×288)圖像傳輸，它與H.261和H.263相似，也采用運動補償?shù)膸g預測、二維DCT及VLC游程編碼等措施。此外還引入幀內(nèi)幀(I)、預測幀(P)、雙向預測幀(B)和直流幀(D)等概念，進一步提高了編碼效率。在MPEG-1的基礎(chǔ)上，MPEG-2將針對提高分辨率、兼容數(shù)字電視方面做一些改進。

從編碼方面知，MPEG-4標準編碼技術(shù)是簡單檔次(SimpleProfile)，比如Microsoft的WindowsMediaPlayer就是這種檔次的媒體系統(tǒng)。這種傳統(tǒng)的編碼技術(shù)因為基于對象編碼的難點就是對象的提取，所以影響實用進程。從傳輸方面分析，目前流行的基于MPEG-4的流媒體技術(shù)其本質(zhì)上沒有采用14496-6所提出的傳輸多媒體集成框架(DMLF)，而是根據(jù)IEIF提出的傳輸建議來實現(xiàn)的，還不成熟，目前可實際應用的編碼技術(shù)仍然是基于幀編碼的技術(shù)。H.261、H.263、MPEG-1/2/4都是在盡可能低的碼率(存儲容量)下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。目前，H.264標準被廣泛應用于有線/無線視頻遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡交互媒體、數(shù)字電視及視頻會議等等。

H.264的關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢

H.264是基于幀編碼的技術(shù)，和以前的標準一樣也是采用DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計，不用眾多的選項，可獲得比H.263++好得多的壓縮性能;加強了對各種信道的適應能力，采用“網(wǎng)絡友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理;基于系統(tǒng)是開放的，H.264的應用目標范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸(存儲)場合的需求。H.264標準采用的關(guān)鍵技術(shù)有幀內(nèi)預測、幀間預測、整數(shù)DCT變換、熵編碼(CAVLC和CABAC)等。

(1)幀內(nèi)預測

H.264在幀內(nèi)預測的實現(xiàn)上相對于以往標準有明顯的改進，規(guī)定4種16×16、9種8×8、9種4×4和4種色度8×8的預測模式，允許使用左側(cè)和上側(cè)像素點進行預測的方法，可以明顯提高在空間域上相似性很高的圖像幀內(nèi)壓縮效率。

(2)幀間預測

相比于幀內(nèi)預測是利用空間相關(guān)性去除冗余信息，幀間預測是利用時間相關(guān)性來去除冗余信息。其基本思想是：在選取的塊匹配模式下，通過參考幀圖像中的塊和運動估計求得的最優(yōu)運動矢量共同來得到當前幀圖像中相應塊的參考值。一般情況下進行預測的基本單元是宏塊(MacroBlock，MB)，即一個宏塊對應一個運動矢量。H.264視頻編碼標準定義了7種塊劃分模式，目的是為了做到更為精確的塊匹配和更好的圖像質(zhì)量。

(3)整數(shù)DCT變換

相對于以往的數(shù)字視頻編碼標準，H.264首次引入了整數(shù)變換的實現(xiàn)方式，包括4×4和8×8兩種自適應的變換方法。整數(shù)變換的引入，一方面可以大大降低H.264實現(xiàn)的功耗，另一方面由于整數(shù)變換沒有以往標準中浮點運算帶來的精度損失問題，可以更大程度提高殘差變化后的解碼魯棒性。

(4)熵編碼

H.264的熵編碼主要包含兩部分：一是針對語法元素的熵編碼，包括對參數(shù)信息、宏塊模式信息、預測矢量信息等，使用的是哥倫布指數(shù)編碼方法(Exp-Golomb)，這種方法能夠?qū)Ω吒怕食霈F(xiàn)的低數(shù)值系數(shù)使用最少的比特數(shù)，根據(jù)概率最大化得到壓縮參數(shù)信息;二是針對量化后殘差系數(shù)的熵編碼方法，有CAVLC和CABAC兩種。其中CAVLC是一種低復雜度，基于上下文自適應的熵編碼方法，其系數(shù)的比特數(shù)設(shè)計是根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計的概率分布情況對H.264系數(shù)進行碼表設(shè)計，應用時根據(jù)實際的系數(shù)分布狀況進行上下文關(guān)聯(lián)查表編碼。而CABAC是一種基于內(nèi)容的算術(shù)編碼方法，復雜度比CAVLC更高，壓縮效率也比CAVLC更高。

H.264的優(yōu)勢

H.264標準中的優(yōu)秀之處，如幀內(nèi)、幀間預測技術(shù)，統(tǒng)一的VLC符號編碼，高精度、多模式的位移估計，整數(shù)變換編碼，分層的編碼語法，以及先進的量化處理和濾波處理，它既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點和精華，又具有其它壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點。H.264標準最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是傳統(tǒng)MPEG-4的1.5~2倍。H.264標準的主要優(yōu)點有[4，5]：

一、低碼率：和MPEG-2及MPEG-4ASP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MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。

二、高質(zhì)量的圖像：H.264在所有碼率下都能持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量。

三、對信道時延的適應性較強：H.264能工作在低延時模式以適應實時通信的應用(如視頻會議)，同時又能很好地工作在沒有延時限制的應用，如視頻存儲和以服務器為基礎(chǔ)的視頻流式應用。

四、容錯能力強：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。

五、網(wǎng)絡友好性：H.264提供了網(wǎng)絡抽象層(NetworkAbstractionLayer)，使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)、CDMA、GPRS、WCDMA、CDMA2000等)。

高性能DSP對H.264的貢獻

由于不斷推出有高性能的芯片，所以算法不斷與高性能芯片的結(jié)合是必然的。DSP芯片，全稱是數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它有處理能力強、開發(fā)周期短、用戶開發(fā)自由度大等特點，被越來越多地應用于視頻壓縮領(lǐng)域。美國TI公司有很豐富的經(jīng)驗，是業(yè)界的領(lǐng)導者，產(chǎn)品系列有C20x，24×5x，54x，62x，64x定點DSP和C3x，4x，67xx等浮點DSP。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)[6]，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP芯片與通用微處理器相比，主要區(qū)別在于它的應用強調(diào)某方面的計算功能，并降低相應的費用。Philips為MPEG、H.264設(shè)計了高清類消費產(chǎn)品，圍繞數(shù)字圖像處理常用算法進行改進，但系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法進行算法的升級與更新，因而很難應用于其它領(lǐng)域。而DSP具有高性價比和極高的運算速度等優(yōu)勢，因此被廣泛應用。DSP分為定點DSP和浮點DSP，相對來說浮點DSP更具有優(yōu)勢，其動態(tài)范圍要大很多。定點DSP的字長每增加1bit，動態(tài)范圍擴大6dB，16bit字長的動態(tài)范圍為96dB，這時就必須時刻關(guān)注溢出的發(fā)生。而32bit浮點DSP的動態(tài)范圍可以作到1536dB，這不僅大大擴大了動態(tài)范圍，提高了運算精度，還大大節(jié)省了運算時間和存儲空間。因此，用浮點DSP實現(xiàn)對H.264算法的升級具有一定的優(yōu)勢，這也成為當今視頻行業(yè)的熱點技術(shù)之一。

H.264的主要應用領(lǐng)域和未來發(fā)展

視頻監(jiān)控是H.264部署的重要方向之一，這得益于H.264強大的壓縮能力、通用性，以及對網(wǎng)絡性能的容忍能力。H.264的應用領(lǐng)域極為寬泛，視頻監(jiān)控只是其主要的應用方向之一，而不能視作主體方向。可以說，當前所有的視頻應用都可以通過H.264獲得高質(zhì)量的實現(xiàn)，例如數(shù)字電視廣播、高清電視、在線視頻的存儲和點播、3G視頻電話等等。

然而，H.264中采用的編碼技術(shù)復雜度很高，與以往編碼技術(shù)相比，高出了幾倍甚至幾十倍，嚴重限制了該技術(shù)的應用和推廣。特別在一些硬件資源受限和實時性要求比較高的嵌入式應用中更是如此。因此，在保證數(shù)據(jù)壓縮比和圖像質(zhì)量的前提下，如何最大限度降低算法的復雜度成為H.264應用前景的關(guān)鍵所在。

總體而言，H.264標準被視作目前視頻編解碼應用的最佳實現(xiàn)之一，被普遍認為是具有競爭力的標準。

H.264的應用至少能夠促進以下幾個方面的發(fā)展[7]：

1.視頻監(jiān)控的全IP化和高清化;

2.高清攝像機市場的發(fā)展;

3.藍光DVD及上下游硬件設(shè)備的發(fā)展;

4.局域網(wǎng)容量需求的上升，以及由此帶動的網(wǎng)絡存儲容量升級;

5.數(shù)字電視、IPTV發(fā)展的提速，以及上下游產(chǎn)品和內(nèi)容源質(zhì)量提升;

6.網(wǎng)絡帶寬的進一步升級等。

結(jié)束語

H.264作為新一代視頻編碼標準，具有低碼率、高圖像質(zhì)量、對信道時延適應性強、容錯能力強、良好的網(wǎng)絡友好性等優(yōu)點。在相同圖像質(zhì)量的情況下，其可以比H.263及傳統(tǒng)MPEG-4節(jié)省一半的碼率，但其高壓縮率是以高編碼復雜度為代價的，如果不降低編碼時耗，很難在實時視頻通信中得到廣泛的應用。因此，下一代數(shù)字視頻編碼標準H.265的提出是必然的，其目標是在保證視頻質(zhì)量及碼率的前提下盡可能地降低復雜度，避免海量存儲及海量信息檢索難度，這也將是視頻領(lǐng)域未來的重點研究方向。