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H.264视频编码技术
2007/2/1 11:57:23    产通学院,365PR NET

数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域,带来了会议电视、可视电话及数字电视、媒体存储等一系列应用,促使了许多视频编码标准的产生。ITU-T与ISO/IEC是制定视频编码标准的两大组织,ITU-T的标准包括H.261、H.262、H.263、H.264,主要应用于实时视频通信领域,如会议电视;MPEG系列标准是由ISO/IEC制定的,主要应用于视频存储(DVD)、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。这两个组织也共同制定了一些标准,H.262标准等同于MPEG-2的视频编码标准,而目前最热门的H.264标准则是MPEG-4的第10部分。

长久以来,MPEG-2一直是全世界范围内最使用广泛的家用标准清晰度数字视频内容压缩格式,有线电视系统运营商、卫星电视广播公司、地面数字电视广播网络和DVD所使用的都是MPEG-2格式。但是,除MPEG-2格式外,所有这些视频播放方法都有一些共同点,即都采用封闭的内容播放和消费系统,例如,消费者不可能将从有线电视系统运营商那里接收到的内容方便地转换到移动媒体播放器上并在旅行途中观看。

但这种情况已经开始发生改变,目前市场上出现了一些新型的内容播放系统和回放设备。越来越多的消费者可以选择在起居室以外的地点观看视频内容,例如在家中的其它房间、在汽车上、在PC机上、在便携式媒体播放器上,或者在手机上。

然而,从内容供应商那里直接接收到的内容格式往往并不能与回放设备的格式相匹配。例如,存储在机顶盒数字录像机硬盘中的内容不能“原封不动”地在便携式媒体播放器上播放。由于便携式媒体播放器的屏幕较小,其采用分辨率和屏幕宽高比都与电视屏幕有所不同,而且其解码器通常不支持MPEG-2压缩格式。

要想让消费者自由自在地欣赏和使用其视听内容,有一个环节是不可或缺的,这就是代码转换。代码转换是将内容从一种格式转换为回放设备所支持的另外一种格式的能力。目前,消费者对媒体进行代码转换的惟一方式就是所谓的“暴力转换”,即使用一台安装了视频编辑软件和多种编码解码选项的PC机来采集媒体,并将其从一种格式和分辨率转换为其它格式和分辨率。在大众市场中,这种解决方案很明显是行不通的。

可见,代码转换将成为未来消费电子产品的一项要求。H.264由于含有一系列灵活的压缩工具,可用于高分辨率高清晰度内容和适用于便携设备回放的低分辨率内容,还可用于新产品包括高清晰度机顶盒、“蓝光”光盘及HD-DVD播放器和录像机,并且可以实现一些新的应用,如对内容进行代码转换使其能够在便携式播放器上使用和在家用网络上发布。

H.261视频编码标准

H.261是ITU-T为在综合业务数字网(ISDN)上开展双向声像业务(可视电话、视频会议)而制定的,速率为64kb/s的整数倍。H.261只对CIF和QCIF两种图像格式进行处理,每帧图像分成图像层、宏块组(GOB)层、宏块(MB)层、块(Block)层来处理。

H.261是最早的运动图像压缩标准,它详细制定了视频编码的各个部分,包括运动补偿的帧间预测、DCT变换、量化、熵编码,以及与固定速率的信道相适配的速率控制等部分。

H.262视频编码标准(MPEG-2)

由MPEG-1扩充而来,支持隔行扫描。使用十分广泛,几乎用于所有的数字电视系统,适合标清和高清电视,适合各种媒体传输,包括卫星、有线、地面等,都能有效地传输。

H.263视频编码标准

H.263是最早用于低码率视频编码的ITU-T标准,是ITU-T为低于64kb/s的窄带通信信道制定的视频编码标准。它是在H.261基础上发展起来的,其标准输入图像格式可以是S-QCIF、QCIF、CIF、4CIF或者16CIF的彩色4:2:0亚取样图像。H.263与H.261相比采用了半象素的运动补偿,并增加了4种有效的压缩编码模式。随后出现的第二版(H.263+)及H.263++增加了许多选项,使其具有更广泛的适用性。

H.264视频编码标准

H.264是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视频压缩编码标准。1996年制定H.263标准后,ITU-T的视频编码专家组(VCEG)开始了两个方面的研究:一个是短期研究计划,在H.263基础上增加选项(之后产生了H.263+与H.263++);另一个是长期研究计划,制定一种新标准以支持低码率的视频通信。长期研究计划产生了H.26L标准草案,其目标是研制出新的压缩标准,与以前的任何标准相比,效率要提高一倍,同时具有简单、直观的视频编码技术,网络友好的视频描述,适合交互和非交互式应用(广播、存储、流煤体)。

2001年,ISO的MPEG组织认识到H.26L潜在的优势,随后ISO与ITU开始组建包括来自ISO/IEC MPEG与ITU-T VCEG的联合视频组(JVT),JVT的主要任务就是将H.26L草案发展为一个国际性标准。于是,在ISO/IEC中该标准命名为AVC(Advanced Video Coding),作为MPEG-4标准的第10个选项;在ITU-T中正式命名为H.264标准,并在2003年3月正式获得批准。2005年1月,MPEG组织正式发布了H.264验证报告,从各个方面论证了H.264的可用性以及各种工具集的效果,从标准的角度,印证H.264的成熟性。

H.264的主要特点

H.264使图像压缩技术上升到了一个更高的阶段,能够在较低带宽上提供高质量的图像传输,该优点非常适合国内运营商用户量大、接入网/骨干网带宽相对有限的状况。在同等的画质下,H.264比上一代编码标准MPEG2平均节约64%的传输码流,而比MPEG4 ASP要平均节约39%的传输码流。全球很多IPTV业务运营商都将H.264作为编解码格式的标准,包括比利时电信,荷兰KPN,泰国ADC电信,中国电信等。H.264的主要特点表现在:
(1)在相同的重建图像质量下,H.264比H.263+和MPEG-4(SP)减小50%码率。
(2)对信道时延的适应性较强,既可工作于低时延模式以满足实时业务,如会议电视等;又可工作于无时延限制的场合,如视频存储等。
(3)提高网络适应性,采用“网络友好”的结构和语法,加强对误码和丢包的处理,提高解码器的差错恢复能力。
(4)在编/解码器中采用复杂度可分级设计,在图像质量和编码处理之间可分级,以适应不同复杂度的应用。

相对于先期的视频压缩标准,H.264引入了很多先进的技术,包括4×4整数变换、空域内的帧内预测、1/4象素精度的运动估计、多参考帧与多种大小块的帧间预测技术等。新技术带来了较高的压缩比,同时大大提高了算法的复杂度。

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