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摘 要:本文簡单介绍了视频编码发展的历程,然后分析了H.264标准的编码算法的核心技术,最后对它在各领域的发展前景进行了展望。
关键词:视频编码H.264帧间预测
中图分类号:TN919.8 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(a)-0008-01
从1948年提出电视信号可以数字化以来,图像压缩编码技术已有50多年的历史。随着市场对图像传输需求的增加,人们都在致力于研究一种新的视频压缩算法,以达到共同的目标——即在尽可能低的码速率下获得高质量的图像。现在人们在静止图像和活动图像的压缩算法方面形成了许多标准,有国际化标准组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)关于静止图像的编码标准JPEG/JPEG2000,关于活动图像的编码标准MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2)、MPEG-10(4)等,以及国际电信联盟(ITU)制定的视频编码标准H.26X系列。
1 H.26x系列标准的发展与应用
H.261是最早出现的实用的视频编码建议,是规范 ISDN上的会议电视和可视电话应用中的视频编码技术。它采用了减少时间冗余的帧间预测和减少空间冗余的DCT变换的混合编码方法,其输出码率是p×64kbit/s。H.263建议的是低码率图像压缩标准,支持码率小于64kbit/s的应用。H.264是ITU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)开发的一个新的数字视频编码标准。在H.264建议中有很多值得欣赏的技术,主要有运动估值和运动补偿、帧内预测、帧间预测、整数变换、变换系数量化、扫描顺序、抗块效应滤波器、熵编码、新的图像片类型、算法的分层结构。正是因为它有着很高的图像压缩效率和差错控制技术,因此在高速网络和随机信道中有着广泛的应用。在H.264中,除了利用量化步长来适应信道码率外,还利用数据分割的方法应对信道码率的变化。在无线环境中,通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率变化。
2 H.264标准的编码算法
2.1 帧内预测编码
H.264的基本预测技术是基于块,而像素块预测编码包括帧内块预测和帧间块预测,帧内预测在H.264中有着很重要的地位。在图像信号中,亮度信号和色差信号是分别处理的,因此又可分为亮度信号预测和色差信号预测。亮度信号预测是在变换编码之前进行的,可分为4×4和16×16两种方式。而对于色差信号则只有8×8的预测方式。在帧内预测中,当前块的抽样值总是利用邻块的抽样值来获取,相邻宏块的运动补偿误差会造成图像误差的扩散,因此,还有一种限制帧内编码模式,此时只允许相邻的帧内预测宏块为已知才可以作为其它当前宏块的参考宏块。
对于每一个4×4块(除边缘块外),每个像素都可以用像素块的左边和上边的17个像素(已编码重建的像素)的不同加权和来预测。如图1所示,a,b……p为待预测像素点,而A,B……P为已编码的像素。图2所示为9种4×4帧内预测的角度。
2.2 帧间预测编码
帧间预测用于降低图像的时域相关性,采用多帧参考和更小运动预测区域等方法,对下一帧精确预测,从而减少传输数据量。每个亮度宏块被划分为形状不同的区域,划分方法有16×16,、16×8、8×16、8×8共四种。选用8×8方式时,可以进一步划分为8×8、8×4、4×8、4×4共四个子区域。H.264亮度宏块分割后的每个子块都有自己独立的运动矢量,每个运动矢量都会被编码、传送,另外分块方式也必须被编码在数据比特中。通常大的分块方式用于帧内均匀的部分,而小的分块方式将有利于对图像中细节的描述。每个色度块将按照亮度的分块方式进行分块。由于宏块中色度分辨率是亮度分辨率的一半,因此其块的大小在水平还是垂直方向都是亮度块的一半。
2.3 整数变换与量化
H．264标准规定在一幅图像经过运动补偿或帧内预测后所剩下差值在4×4块基础上需再进行变换,才传输给解码器。H.264标准为了抑制漂移的可能性,对DCT做了改动,即所有运算都是整数运算,而且核心运算只涉及到加法和移位算法,因此在反变换过程中不会出现误匹配问题。
2.4 抗块效应滤波器
块效应是边界像素值的量化误差形成的,为了克服块效应,引入了抗块效应滤波器。当块边界上两边差较小则使用滤波器将差别“平滑”掉,若边界上图像特征明显则不使用滤波器。H.264标准去除块效应是基于4×4块边界的,因此对于一个16×16的亮度宏块需要对4条水平边界和4条垂直边界滤波。在块边界,滤波的强度是和块的编码模式、运动矢量和残差数值相关的。
3 结语
H.264标准在视频编码方面有着很好的压缩比,它的很多算法都是在现有编码的基础上继承和发展的,这使得它在兼容性和发展前景上都有优势。但同时H.264标准在残差编码和宏块划分上有着不可避免的矛盾,今后要在这方面研究,寻找一下两者的平衡点。
参考文献
[1] 余兆明、黄磊等.图像编码标准H.264技术[M].北京:人民邮电出版社,2006.3.
[2] 毕厚杰.新一代视频压缩编码标准-H.264[M].北京:人民邮电出版社,2005．
[3] 陈海燕，黄超．H.264视频解码器的设计与实现[J]．科技创新导报，2010，4：47．
关键词:视频编码H.264帧间预测
中图分类号:TN919.8 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(a)-0008-01
从1948年提出电视信号可以数字化以来,图像压缩编码技术已有50多年的历史。随着市场对图像传输需求的增加,人们都在致力于研究一种新的视频压缩算法,以达到共同的目标——即在尽可能低的码速率下获得高质量的图像。现在人们在静止图像和活动图像的压缩算法方面形成了许多标准,有国际化标准组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)关于静止图像的编码标准JPEG/JPEG2000,关于活动图像的编码标准MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2)、MPEG-10(4)等,以及国际电信联盟(ITU)制定的视频编码标准H.26X系列。
1 H.26x系列标准的发展与应用
H.261是最早出现的实用的视频编码建议,是规范 ISDN上的会议电视和可视电话应用中的视频编码技术。它采用了减少时间冗余的帧间预测和减少空间冗余的DCT变换的混合编码方法,其输出码率是p×64kbit/s。H.263建议的是低码率图像压缩标准,支持码率小于64kbit/s的应用。H.264是ITU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)开发的一个新的数字视频编码标准。在H.264建议中有很多值得欣赏的技术,主要有运动估值和运动补偿、帧内预测、帧间预测、整数变换、变换系数量化、扫描顺序、抗块效应滤波器、熵编码、新的图像片类型、算法的分层结构。正是因为它有着很高的图像压缩效率和差错控制技术,因此在高速网络和随机信道中有着广泛的应用。在H.264中,除了利用量化步长来适应信道码率外,还利用数据分割的方法应对信道码率的变化。在无线环境中,通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率变化。
2 H.264标准的编码算法
2.1 帧内预测编码
H.264的基本预测技术是基于块,而像素块预测编码包括帧内块预测和帧间块预测,帧内预测在H.264中有着很重要的地位。在图像信号中,亮度信号和色差信号是分别处理的,因此又可分为亮度信号预测和色差信号预测。亮度信号预测是在变换编码之前进行的,可分为4×4和16×16两种方式。而对于色差信号则只有8×8的预测方式。在帧内预测中,当前块的抽样值总是利用邻块的抽样值来获取,相邻宏块的运动补偿误差会造成图像误差的扩散,因此,还有一种限制帧内编码模式,此时只允许相邻的帧内预测宏块为已知才可以作为其它当前宏块的参考宏块。
对于每一个4×4块(除边缘块外),每个像素都可以用像素块的左边和上边的17个像素(已编码重建的像素)的不同加权和来预测。如图1所示,a,b……p为待预测像素点,而A,B……P为已编码的像素。图2所示为9种4×4帧内预测的角度。
2.2 帧间预测编码
帧间预测用于降低图像的时域相关性,采用多帧参考和更小运动预测区域等方法,对下一帧精确预测,从而减少传输数据量。每个亮度宏块被划分为形状不同的区域,划分方法有16×16,、16×8、8×16、8×8共四种。选用8×8方式时,可以进一步划分为8×8、8×4、4×8、4×4共四个子区域。H.264亮度宏块分割后的每个子块都有自己独立的运动矢量,每个运动矢量都会被编码、传送,另外分块方式也必须被编码在数据比特中。通常大的分块方式用于帧内均匀的部分,而小的分块方式将有利于对图像中细节的描述。每个色度块将按照亮度的分块方式进行分块。由于宏块中色度分辨率是亮度分辨率的一半,因此其块的大小在水平还是垂直方向都是亮度块的一半。
2.3 整数变换与量化
H．264标准规定在一幅图像经过运动补偿或帧内预测后所剩下差值在4×4块基础上需再进行变换,才传输给解码器。H.264标准为了抑制漂移的可能性,对DCT做了改动,即所有运算都是整数运算,而且核心运算只涉及到加法和移位算法,因此在反变换过程中不会出现误匹配问题。
2.4 抗块效应滤波器
块效应是边界像素值的量化误差形成的,为了克服块效应,引入了抗块效应滤波器。当块边界上两边差较小则使用滤波器将差别“平滑”掉,若边界上图像特征明显则不使用滤波器。H.264标准去除块效应是基于4×4块边界的,因此对于一个16×16的亮度宏块需要对4条水平边界和4条垂直边界滤波。在块边界,滤波的强度是和块的编码模式、运动矢量和残差数值相关的。
3 结语
H.264标准在视频编码方面有着很好的压缩比,它的很多算法都是在现有编码的基础上继承和发展的,这使得它在兼容性和发展前景上都有优势。但同时H.264标准在残差编码和宏块划分上有着不可避免的矛盾,今后要在这方面研究,寻找一下两者的平衡点。
参考文献
[1] 余兆明、黄磊等.图像编码标准H.264技术[M].北京:人民邮电出版社,2006.3.
[2] 毕厚杰.新一代视频压缩编码标准-H.264[M].北京:人民邮电出版社,2005．
[3] 陈海燕，黄超．H.264视频解码器的设计与实现[J]．科技创新导报，2010，4：47．