h.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)分析和算法優(yōu)化

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1、H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的分析和算法優(yōu)化一、研究背景：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和多媒體信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)信息的需求越來越豐富，方便、快捷、靈活地通過語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像與視頻等方式進(jìn)行多媒體通信已成不可或缺的工具。其中視覺信息給人們直觀、生動(dòng)的形象，因此圖像與視頻的傳輸更受到廣泛的關(guān)注。然而，視頻數(shù)據(jù)具有龐大的數(shù)據(jù)量，以普通的25幀每秒，CIF格式（分辨率為352×288）的視頻圖像為例，一秒鐘的原始視頻數(shù)據(jù)速率高達(dá)3.8M字節(jié)。不對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮根本無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸如此龐大的數(shù)據(jù)量，因此，視頻壓縮技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。隨著近幾年來視頻圖像傳輸領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，以

2、往的標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)難于適應(yīng)不同信道的傳輸特征及新興的應(yīng)用環(huán)境。為此，ISO/IEC&ITU-T共同開發(fā)了最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC。相對(duì)以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264集成了許多新的視頻壓縮技術(shù)，具有更高的壓縮效率和圖像質(zhì)量。在同等的圖像質(zhì)量條件下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比是應(yīng)用于當(dāng)前DVD系統(tǒng)MPEG-2的2~3倍，比MPEG-4高1.5~2倍，并且具有更好的網(wǎng)絡(luò)友好性。但是H.264高壓縮比的代價(jià)是編碼器計(jì)算復(fù)雜度大幅度地提高。因此在保持編碼效率幾乎不變的同時(shí)盡可能提高編碼速度是H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。在上述研究

3、背景下，本文深入探討了H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)，分析了編碼器主要耗時(shí)模塊的工作原理，提出三種降低H.264/AVC高計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)化算法――快速幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇算法、快速幀間預(yù)測(cè)模式選擇算法以及快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文所提快速算法都可大幅度地降低H.264編碼器的計(jì)算復(fù)雜度，并且保持基本不變的編碼效率。二、新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264簡(jiǎn)介：編碼標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)過程：H.261MPEG-1MPEG-2H.263MPEG-4從視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程來看，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都有一個(gè)不斷追求的目標(biāo)：在盡可能低的碼率（或存儲(chǔ)容量）下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。M

4、PEG-2、MPEG-4、H.263等標(biāo)準(zhǔn)都取得了巨大的成功，但在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)一些問題。H.263眾多的選項(xiàng)往往令使用者無(wú)所適從；MPEG-2壓縮效率己顯略低；引人注目的MPEG-4的“基于對(duì)象的編碼”由于尚有技術(shù)障礙，目前還難以普遍應(yīng)用。在此背景下，兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU-T和ISO共同制定了新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264。該編碼標(biāo)準(zhǔn)在混合編碼的框架下引入新的編碼方式，解決了目前編碼標(biāo)準(zhǔn)存在的問題，進(jìn)一步貼近實(shí)際應(yīng)用，其應(yīng)用前景是不言而喻的。三、H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)概述JVT的工作目標(biāo)是制定一個(gè)新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)視頻的高壓縮比、高圖像

5、質(zhì)量、良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等目標(biāo)。JVT的工作已于2003年3月被ITU-T采納，新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)稱為H.264標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)也被ISO采納，稱為AVC（AdvancedVideoCoding）標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO14496-10（MPEG-4的第10部分），因此總稱為H.264/AVC。H.264著重于提高壓縮效率和傳輸?shù)目煽啃?，因而其?yīng)用面十分廣泛。具體來說，H.264支持三個(gè)不同檔次的應(yīng)用：1、基本檔次：H.264簡(jiǎn)單版本，應(yīng)用面廣，主要用于視頻會(huì)話，如會(huì)議電視、可視電話、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)等。2、主要檔次：采用了多項(xiàng)提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比

6、的技術(shù)措施，主要用于消費(fèi)電子應(yīng)用，可用于SDTV、HDTV和DVD等。3、擴(kuò)展檔次：主要用于各種網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸，如視頻點(diǎn)播等。H.264和以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是傳統(tǒng)的混合編碼模式，其編碼器框架如圖2.1編碼器結(jié)構(gòu)所示。但它采用“回歸基本”的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，沒有設(shè)定眾多的選項(xiàng)，獲得比H.263++好得多的壓縮性能；采用“網(wǎng)絡(luò)友好（Networkfriendly）”的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)法，加強(qiáng)了對(duì)各種信道的適應(yīng)能力，有利于對(duì)誤碼和丟包的處理；應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，可以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸（存儲(chǔ)）場(chǎng)合的需求。與以往視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)不同的是，H.264

7、充分考慮了“網(wǎng)絡(luò)友好”特性，將編碼器中面向視頻信號(hào)的編碼部分與面向網(wǎng)絡(luò)的打包部分分離，形成視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)適配層，從而方便使用不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行傳輸。1、視頻編碼層（VideoCodingLayer,VCL）VCL中包括VCL編碼器與VCL解碼器，主要功能是視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼和解碼，包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換編碼、熵編碼等壓縮單元。2、網(wǎng)絡(luò)適配層（NetworkAbstractionLayer,NAL）NAL則用于為VCL提供一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)的統(tǒng)一接口，負(fù)責(zé)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包后使其在網(wǎng)絡(luò)中傳送。它采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，包括單個(gè)字節(jié)的包頭信息、多個(gè)字

8、節(jié)的視頻數(shù)據(jù)與組幀、邏輯信道信令、定時(shí)信息、序列結(jié)束信號(hào)等。包頭中包含存儲(chǔ)標(biāo)志和類型標(biāo)志。存儲(chǔ)標(biāo)志用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)不屬于被參考的幀。類型標(biāo)志用于指示圖