IPTV編解碼標準綜述
加入技術交流群
2 H.264標準簡介
2003年，ITU-T通過了一個新的數字視頻編解碼標準，即H.264標準，H.264是由ISO/IEC與ITU-T組成的聯合視頻組(JVT)制定的新一代視頻壓縮編解碼標準。國際電信聯盟將該系統命名為H.264/AVC，國際標準化組織和國際電工委員會將其稱為14496-10/MPEG-4 AVC。
H.264標準只有三個子集：基本子集、主體子集和擴展子集。基本子集是專為視頻會議應用設計的，這套標準幾近完美，能夠提供強大的差錯隱消技術（應用該技術，即使在Internet這樣的易錯網絡上也可以得到較好的視頻效果），并且支持低延時編/解碼技術，使視頻會議顯得更自然。主體子集和擴展子集更適合于電視應用（數字廣播、DVD）和延時顯得并不很重要的視頻流應用。
H.264標準的關鍵技術如下：
（1）幀內預測編碼
幀內編碼用來縮減圖像的空間冗余。為了提高H.264幀內編碼的效率，在給定幀中充分利用相鄰宏塊的空間相關性，相鄰的宏塊通常含有相似的屬性。因此，在對一給定宏塊編碼時，首先可以根據周圍的宏塊預測，然后對預測值與實際值的差值進行編碼，這樣，相對于直接對該幀編碼而言，可以大大減小碼率。H.264提供6種模式進行4×4像素宏塊預測，包括1種直流預測和5種方向預測，H.264也支持16×16的幀內編碼。
（2）幀間預測編碼
幀間預測編碼利用連續幀中的時間冗余來進行運動估計和補償。H.264的運動補償支持以往的視頻編碼標準中的大部分關鍵特性，而且靈活地添加了更多的功能，除了支持P幀、B幀外，H.264還支持一種新的流間傳送幀——SP幀，碼流中包含SP幀后，能在有類似內容但有不同碼率的碼流之間快速切換，同時支持隨機接入和快速回放模式。
（3） 整數變換
在變換方面，H.264使用了基于4×4像素塊的類似于DCT的變換，但使用的是以整數為基礎的空間變換，不存在反變換。與浮點運算相比，整數DCT變換會引起一些額外的誤差，但因為DCT變換后的量化也存在量化誤差，與之相比，整數DCT變換引起的量化誤差影響并不大。此外，整數DCT變換還具有減少運算量和復雜度，有利于向定點DSP移植的優點。
（4）量化
H.264中可選32種不同的量化步長，這與H.263中有31個量化步長很相似，但是在H.264中，步長是以12.5%的復合率遞進的，而不是一個固定常數。在H.264中，變換系數的讀出方式也有兩種：之字形(Zigzag)掃描和雙掃描，大多數情況下使用簡單的之字形掃描；雙掃描僅用于使用較小量化級的塊內，有助于提高編碼效率。
（5）熵編碼
視頻編碼處理的最后一步就是熵編碼，H.264標準采用的熵編碼有兩種：一種是基于內容的自適應變長編碼(CAVLC)與統一的變長編碼(UVLC)結合；另一種是基于內容的自適應二進制算術編碼(CABAC)。CAVLC與CABAC根據相臨塊的情況進行當前塊的編碼，以達到更好的編碼效率。CABAC比CAVLC壓縮效率高，但要復雜一些。
3 AVS標準簡介
AVS是基于我國創新技術和部分公開技術的自主標準，AVS標準包括系統、視頻、音頻、數字版權管理等四個主要技術標準和一致性測試等支撐標準。2002年，在信息產業部支持下，成立了“數字音視頻編解碼技術標準”工作組（簡稱AVS工作組），2003年，國家發展和改革委員會批準了《數字音視頻編解碼技術標準AVS研究開發與測試驗證重大專項》。在國內外上百家企業和科研單位共同參與下，AVS標準制定工作進展順利，其中最重要的視頻編碼標準于2005年通過國家廣電總局測試，2006年1月得到信息產業部批準，2月國家標準化管理委員會正式頒布，3月1日起實施。
AVS視頻編解碼的核心技術包括：8x8整數變換、量化、幀內預測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預測運動補償、二維熵編碼等。
（1）變換量化
AVS的8x8變換與量化可以在16位處理器上無失配地實現，從而克服了H.264之前所有視頻壓縮編碼國際標準中采用的8x8 DCT變換存在失配的固有問題。而H.264所采用的4x4整數變換在高分辨率的視頻圖像上的去相關性能不及8x8的變換有效。AVS采用了64級量化，可以完全適應不同的應用和業務對碼率和質量的要求。
（2）幀內預測
AVS的幀內預測技術沿襲了H.264幀內預測的思路，用相鄰塊的像素預測當前塊，采用代表空間域紋理方向的多種預測模式。但AVS亮度和色度幀內預測都是以8x8塊為單位的。亮度塊采用5種預測模式，色度塊采用4種預測模式，而這4種模式中又有3種和亮度塊的預測模式相同。在編碼質量相當的前提下，AVS采用較少的預測模式，使方案更加簡潔、實現的復雜度大為降低。
（3）幀間預測
幀間運動補償編碼是混合編碼技術框架中最重要的部分之一。AVS標準采用了16×16，16×8，8×16和8×8的塊模式進行運動補償，而去除了H.264標準中的8×4，4×8，4×4的塊模式，目的是能更好地刻畫物體運動，提高運動搜索的準確性。實驗表明，對于高分辨率視頻，AVS選用的塊模式已經能足夠精細地表達物體的運動。較少的塊模式，能降低運動矢量和塊模式傳輸的開銷，從而提高壓縮效率、降低編解碼實現的復雜度。
AVS和H.264都采用了1/4像素精度的運動補償技術。H.264采用6抽頭濾波器進行半像素插值并采用雙線性濾波器進行1/4像素插值。而AVS采用了不同的4抽頭濾波器進行半像素插值和1/4像素插值，在不降低性能的情況下減少插值所需要的參考像素點，減小了數據存取帶寬需求。
在傳統的視頻編碼標準中，雙向預測幀B幀都只有一個前向參考幀與一個后向參考幀，而前向預測幀P 幀則只有一個前向參考幀。AVS中P幀可以利用至多2幀的前向參考幀，而B幀采用前后各一個參考幀，P幀與B幀（包括后向參考幀）的參考幀數相同，其參考幀存儲空間與數據存取的開銷并不比傳統視頻編碼的標準大，而恰恰是充分利用了必須預留的資源。AVS的B幀的雙向預測使用了直接模式(direct mode)、對稱模式(symmetric mode)和跳過模式(skip mode)。使用對稱模式時，碼流只需要傳送前向運動矢量，后向運動矢量可由前向運動矢量導出，從而節省后向運動矢量的編碼開銷。對于直接模式，當前塊的前、后向運動矢量都是由后向參考圖像相應位置塊的運動矢量導出，無需傳輸運動矢量，因此也可以節省運動矢量的編碼開銷。跳過模式的運動矢量的導出方法和直接模式的相同，跳過模式編碼的塊運動補償的殘差為零，即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號，而不需要傳輸運動矢量、補償殘差等附加信息。
（4）熵編碼
AVS熵編碼采用自適應變長編碼技術，在AVS熵編碼過程中，所有的語法元素和殘差數據都是以指數哥倫布碼的形式映射成二進制比特流。采用指數哥倫布碼的優勢在于：一方面，它的硬件復雜度比較低，可以根據閉合公式解析碼字，無需查表；另一方面，它可以根據編碼元素的概率分布靈活地確定以k階指數哥倫布碼編碼，如果k選得恰當，則編碼效率可以逼近信息熵。對預測殘差的塊變換系數，經掃描形成（level、run）對串，level、run不是獨立事件，而存在著很強的相關性，在AVS中level、run采用二維聯合編碼，并根據當前level、run的不同概率分布趨勢，自適應改變指數哥倫布碼的階數。
評論