視頻編碼講壇之H.264前世今生

隨著HDTV等高清資源的興起，H.264這個規(guī)范頻頻出現(xiàn)在我們眼前，HD-DVD和藍光DVD均計劃采用這一標準進行節(jié)目制作。而且自2005年下半年以來，無論是NVIDIA還是ATI都把支持H.264硬件解碼加速作為自己最值得夸耀的視頻技術(shù)。而數(shù)碼播放器領(lǐng)域也吹來了高清和H.264的風(fēng)潮，國內(nèi)外不少數(shù)碼播放器廠商都已經(jīng)開始支持此類編碼的視頻文件，同時網(wǎng)絡(luò)資源的豐富程度也逐漸提升。那H.264到底是何方“神圣”呢？和傳統(tǒng)的RMVB等編碼相比，有什么先進之處嗎？

　　H.264，同時也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC動態(tài)圖像專家組(MPEG)聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組(JVT，Joint Video Team)提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標準。

　　什么是H.264?H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)。目前國際上制定視頻編解碼技術(shù)的組織有兩個，一個是“國際電聯(lián)(ITU-T)”，它制定的標準有H.261、H.263、H.263+等，另一個是“國際標準化組織(ISO)”它制定的標準有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264則是由兩個組織聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組(JVT)共同制定的新數(shù)字視頻編碼標準，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高級視頻編碼(Advanced Video Coding，AVC)，而且它將成為MPEG-4標準的第10部分。因此，不論是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，還是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。

　　H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，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MPEG-4的1.5～2倍。舉個例子，原始文件的大小如果為88GB，采用MPEG-2壓縮標準壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25∶1，而采用H.264壓縮標準壓縮后變?yōu)?79MB，從88GB到879MB，H.264的壓縮比達到驚人的102∶1！H.264為什么有那么高的壓縮比?低碼率(Low Bit Rate)起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等壓縮技術(shù)相比，H.264壓縮技術(shù)將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時還擁有高質(zhì)量流暢的圖像。

　　H.264算法的優(yōu)勢

　　H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來的，其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化(Quantization)和反量化、環(huán)路濾波(Loop Filter)、熵編碼(Entropy Coding)。

　　H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2視頻壓縮標準發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標準。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開發(fā)組共同開發(fā)的最新國際視頻編碼標準。通過該標準，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認為是最有影響力的行業(yè)標準。

　　一、H.264的發(fā)展歷史

　 H.264在1997年ITU的視頻編碼專家組(Video Coding Experts Group)提出時被稱為H.26L，在ITU與ISO合作研究后被稱為MPEG4 Part10(MPEG4 AVC)或H.264(JVT)。

　　H.264的高級技術(shù)背景

　　H.264標準的主要目標是：與其它現(xiàn)有的視頻編碼標準相比，在相同的帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖象質(zhì)量。

　　而，H.264與以前的國際標準如H.263和MPEG-4相比，最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個方面：

　　1． 將每個視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀的編碼處理的過程可以達到塊的級別。

　　2． 采用空間冗余的方法，對視頻幀的一些原始塊進行空間預(yù)測、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼(可變長編碼)。

　　3． 對連續(xù)幀的不同塊采用臨時存放的方法，這樣，只需對連續(xù)幀中有改變的部分進行編碼。該算法采用運動預(yù)測和運動補償來完成。對某些特定的塊，在一個或多個已經(jīng)進行了編碼的幀執(zhí)行搜索來決定塊的運動向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測主塊。

　　4． 采用剩余空間冗余技術(shù)，對視頻幀里的殘留塊進行編碼。例如：對于源塊和相應(yīng)預(yù)測塊的不同，再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。

　　H.264的特征和高級優(yōu)勢

　　H.264是國際標準化組織(ISO)和國際電信聯(lián)盟(ITU)共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它即保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點和精華又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點。

　　1．低碼流(Low Bit Rate)：和MPEG2和MPEG4 ASP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MPEG2的1/8，MPEG4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。

　　2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象(DVD質(zhì)量)。

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

　　4．網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層(Network Adaptation Layer), 使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸(例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等)。

　　二、H.264標準概述

　　H.264和以前的標準一樣，也是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，獲得比H.263++好得多的壓縮性能；加強了對各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理；應(yīng)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。

　　技術(shù)上，它集中了以往標準的優(yōu)點，并吸收了標準制定中積累的經(jīng)驗。與H.263 v2(H.263+)或MPEG-4簡單類(Simple Profile)相比，H.264在使用與上述編碼方法類似的最佳編碼器時，在大多數(shù)碼率下最多可節(jié)省50%的碼率。H.264在所有碼率下都能持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量。H.264能工作在低延時模式以適應(yīng)實時通信的應(yīng)用(如視頻會議)，同時又能很好地工作在沒有延時限制的應(yīng)用，如視頻存儲和以服務(wù)器為基礎(chǔ)的視頻流式應(yīng)用。H.264提供包傳輸網(wǎng)中處理包丟失所需的工具，以及在易誤碼的無線網(wǎng)中處理比特誤碼的工具。

　　在系統(tǒng)層面上，H.264提出了一個新的概念，在視頻編碼層(Video Coding Layer, VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(Network Abstraction Layer, NAL)之間進行概念性分割，前者是視頻內(nèi)容的核心壓縮內(nèi)容之表述，后者是通過特定類型網(wǎng)絡(luò)進行遞送的表述，這樣的結(jié)構(gòu)便于信息的封裝和對信息進行更好的優(yōu)先級控制。

　　小結(jié)：H.264=優(yōu)秀+通用

　　眾多的專業(yè)術(shù)語讓人頭暈眼花，不過總結(jié)起來，很簡單，H.264就是MPEG-4標準中的一個項目，憑借其自身的優(yōu)越性和通用性，成為國際認可的一個標準。