視頻編碼之H.264詳解

隨著HDTV等高清資源的興起，H.264這個規范頻頻出現在我們眼前，HD-DVD和藍光DVD均計劃采用這一標準進行節目制作。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。而數碼播放器領域也吹來了高清和H.264的風潮，國內外不少數碼播放器廠商都已經開始支持此類編碼的視頻文件，同時網絡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動態圖像專家組(MPEG)聯合組成的聯合視頻組(JVT，Joint Video Team)提出的高度壓縮數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。目前國際上制定視頻編解碼技術的組織有兩個，一個是“國際電聯(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則是由兩個組織聯合組建的聯合視頻組(JVT)共同制定的新數字視頻編碼標準，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最大的優勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下，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壓縮標準壓縮后變為879MB，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等壓縮技術相比，H.264壓縮技術將大大節省用戶的下載時間和數據流量收費。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量流暢的圖像。

H.264算法的優勢

H.264是在MPEG-4技術的基礎之上建立起來的，其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內預測(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化(Quantization)和反量化、環路濾波(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的聯合開發組共同開發的最新國際視頻編碼標準。通過該標準，在同等圖象質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標準。

一、H.264的發展歷史

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的高級技術背景

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

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

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測、轉換、優化和熵編碼(可變長編碼)。

3． 對連續幀的不同塊采用臨時存放的方法，這樣，只需對連續幀中有改變的部分進行編碼。該算法采用運動預測和運動補償來完成。對某些特定的塊，在一個或多個已經進行了編碼的幀執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測主塊。

4． 采用剩余空間冗余技術，對視頻幀里的殘留塊進行編碼。例如：對于源塊和相應預測塊的不同，再次采用轉換、優化和熵編碼。

H.264的特征和高級優勢

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

1．低碼流(Low Bit Rate)：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術相比，在同等圖像質量下，采用H.264技術壓縮后的數據量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。

顯然，H.264壓縮技術的采用將大大節省用戶的下載時間和數據流量收費。

2．高質量的圖象：H.264能提供連續、流暢的高質量圖象(DVD質量)。

3．容錯能力強：H.264提供了解決在不穩定網絡環境下容易發生的丟包等錯誤的必要工具。

4．網絡適應性強：H.264提供了網絡適應層(Network Adaptation Layer), 使得H.264的文件能容易地在不同網絡上傳輸(例如互聯網，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能力，采用“網絡友好”的結構和語法，有利于對誤碼和丟包的處理；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。

技術上，它集中了以往標準的優點，并吸收了標準制定中積累的經驗。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，在大多數碼率下最多可節省50%的碼率。H.264在所有碼率下都能持續提供較高的視頻質量。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的視頻流式應用。H.264提供包傳輸網中處理包丟失所需的工具，以及在易誤碼的無線網中處理比特誤碼的工具。

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