視訊壓縮标準發展曆史 數字視訊技術廣泛應用于通信、計算機、廣播電視等領域，帶來了會議電視、可視電話及數字電視、媒體存儲等一系列應用，促使了許多視訊編碼标準的産生。ITU-T與ISO/IEC是制定視訊編碼标準的兩大組織，ITU-T的标準包括H.261、H.263、H.264，主要應用于實時視訊通信領域，如會議電視；MPEG系列标準是由ISO/IEC制定的，主要應用于視訊存儲(DVD)、廣播電視、網際網路或無線網上的流媒體等。兩個組織也共同制定了一些标準，H.262标準等同于MPEG-2的視訊編碼标準，而最新的H.264标準則被納入MPEG-4的第10部分。
H.26X系列壓縮标準簡介 按照ITU-T視訊編碼标準的發展過程，介紹H.261、H.263及H.264。 H.261視訊編碼标準 H.261是ITU-T為在ISDN(ISDN)上開展雙向聲像業務(可視電話、視訊會議)而制定的，速率為64kb/s的整數倍。H.261隻對CIF和QCIF兩種圖像格式進行處理，每幀圖像分成圖像層、宏塊組(GOB)層、宏塊(MB)層、塊(Block)層來處理。 H.261是最早的運動圖像壓縮标準，它詳細制定了視訊編碼的各個部分，包括運動補償的幀間預測、DCT變換、量化、熵編碼，以及與固定速率的信道相适配的速率控制等部分。
H.263視訊編碼标準 H.263是最早用于低碼率視訊編碼的ITU-T标準，随後出現的第二版(H.263+)及H.263++增加了許多選項，使其具有更廣泛的适用性。 H.263是ITU-T為低于64kb/s的窄帶通信信道制定的視訊編碼标準。它是在H.261基礎上發展起來的，其标準輸入圖像格式可以是S-QCIF、QCIF、CIF、4CIF或者16CIF的彩色4∶2∶0亞取樣圖像。H.263與H.261相比采用了半象素的運動補償，并增加了4種有效的壓縮編碼模式。 ========================= 技術細節介紹 ========================= 無限制的運動矢量模式允許運動矢量指向圖像以外的區域。當某一運動矢量所指的參考宏塊位于編碼圖像之外時，就用其邊緣的圖像象素值來代替。當存在跨邊界的運動時，這種模式能取得很大的編碼增益，特别是對小圖像而言。另外，這種模式包括了運動矢量範圍的擴充，允許使用更大的運動矢量，這對錄影機運動特别有利。 基于句法的算術編碼模式使用算術編碼代替霍夫曼編碼，可在信噪比和重建圖像品質相同的情況下降低碼率。 先進的預測模式允許一個宏塊中4個8×8亮度塊各對應一個運動矢量，進而提高了預測精度；兩個色度塊的運動矢量則取這4個亮度塊運動矢量的平均值。補償時，使用重疊的塊運動補償，8×8亮度塊的每個象素的補償值由3個預測值權重平均得到。使用該模式可以産生顯著的編碼增益，特别是采用重疊的塊運動補償，會減少塊效應，提高主觀品質。 PB-幀模式規定一個PB-幀包含作為一個單元進行編碼的兩幀圖像。PB-幀模式可在碼率增加不多的情況下，使幀率加倍。 ========================= 技術細節介紹 ========================= H.263視訊壓縮标準版本2 ITU-T在H.263釋出後又修訂釋出了H.263标準的版本2，非正式地命名為H.263+标準。它在保證原H.263标準核心句法和語義不變的基礎上，增加了若幹選項以提高壓縮效率或改善某方面的功能。原H.263标準限制了其應用的圖像輸入格式，僅允許5種視訊源格式。H.263+标準允許更大範圍的圖像輸入格式，自定義圖像的尺寸，進而拓寬了标準使用的範圍，使之可以處理基于視窗的計算機圖像、更高幀頻的圖像序列及寬屏圖像。 為提高壓縮效率，H.263+采用先進的幀内編碼模式；增強的PB-幀模式改進了H.263的不足，增強了幀間預測的效果；去塊效應濾波器不僅提高了壓縮效率，而且提供重建圖像的主觀品質。 為适應網絡傳輸，H.263+增加了時間分級、信噪比和空間分級，對在噪聲信道和存在大量包丢失的網絡中傳送視訊信号很有意義；另外，片結構模式、參考幀選擇模式增強了視訊傳輸的抗誤碼能力。
H.263++視訊壓縮标準 H263++在H263+基礎上增加了3個選項，主要是為了增強碼流在惡劣信道上的抗誤碼性能，同時為了提高增強編碼效率。 這3個選項為： 選項U——稱為增強型參考幀選擇，它能夠提供增強的編碼效率和信道錯誤再生能力(特别是在包丢失的情形下)，需要設計多緩沖區用于存貯多參考幀圖像。 選項V——稱為資料分片，它能夠提供增強型的抗誤碼能力(特别是在傳輸過程中本地資料被破壞的情況下)，通過分離視訊碼流中DCT的系數頭和運動矢量資料，采用可逆編碼方式保護運動矢量。 選項W——在H263+的碼流中增加補充資訊，保證增強型的反向相容性，附加資訊包括：訓示采用的定點IDCT、圖像資訊和資訊類型、任意的二進制資料、文本、重複的圖像頭、交替的場訓示、稀疏的參考幀識别。 H.264視訊編碼标準 H.264視訊壓縮标準 H.264是由ISO/IEC與ITU-T組成的聯合視訊組(JVT)制定的新一代視訊壓縮編碼标準。事實上，H.264标準的開展可以追溯到8年前。1996年制定H.263标準後，ITU-T的視訊編碼專家組(VCEG)開始了兩個方面的研究：一個是短期研究計劃，在H.263基礎上增加選項(之後産生了H.263+與H.263++)；另一個是長期研究計劃，制定一種新标準以支援低碼率的視訊通信。長期研究計劃産生了H.26L标準草案，在壓縮效率方面與先期的ITU-T視訊壓縮标準相比，具有明顯的優越性。2001年，ISO的MPEG組織認識到H.26L潛在的優勢，随後ISO與ITU開始組建包括來自ISO/IEC MPEG與ITU-T VCEG的聯合視訊組(JVT)，JVT的主要任務就是将H.26L草案發展為一個國際性标準。于是，在ISO/IEC中該标準命名為AVC(Advanced Video Coding)，作為MPEG-4标準的第10個選項；在ITU-T中正式命名為H.264标準。 H.264的主要優點如下: 在相同的重建圖像品質下，H.264比H.263+和MPEG-4(SP)減小50%碼率。 對信道時延的适應性較強，既可工作于低延遲時間模式以滿足實時業務，如會議電視等；又可工作于無時延限制的場合，如視訊存儲等。 提高網絡适應性，采用“網絡友好”的結構和文法，加強對誤碼和丢包的處理，提高解碼器的差錯恢複能力。 在編/解碼器中采用複雜度可分級設計，在圖像品質和編碼處理之間可分級，以适應不同複雜度的應用。 相對于先期的視訊壓縮标準，H.264引入了很多先進的技術，包括4×4整數變換、空域内的幀内預測、1/4象素精度的運動估計、多參考幀與多種大小塊的幀間預測技術等。新技術帶來了較高的壓縮比，同時大大提高了算法的複雜度。 ========================= 技術細節介紹 ========================= 4×4整數變換 以前的标準，如H.263或MPEG-4，都是采用8x8的DCT變換。H.26L中建議的整數變換實際上接近于4×4的DCT變換，整數的引入降低了算法的複雜度，也避免了反變換的失配問題，4×4的塊可以減小塊效應。而H.264的4×4整數變換進一步降低了算法的複雜度，相比H.26L中建議的整數變換，對于9b輸入殘差資料，由以前的32b降為現在的16b運算，而且整個變換無乘法，隻需加法和一些移位運算。新的變換對編碼的性能幾乎沒有影響，而且實際編碼略好一些。 基于空域的幀内預測技術 視訊編碼是通過去除圖像的空間與時間相關性來達到壓縮的目的。空間相關性通過有效的變換來去除，如DCT變換、H.264的整數變換；時間相關性則通過幀間預測來去除。這裡所說的變換去除空間相關性，僅僅局限在所變換的塊内，如8×8或者4×4，并沒有塊與塊之間的處理。H.263+與MPEG-4引入了幀内預測技術，在變換域中根據相臨塊對目前塊的某些系數做預測。H.264則是在空域中，利用目前塊的相臨象素直接對每個系數做預測，更有效地去除相臨塊之間的相關性，極大地提高了幀内編碼的效率。 H.264基本部分的幀内預測包括9種4×4亮度塊的預測、4種16×16亮度塊的預測和4種色度塊的預測。 運動估計 H.264的運動估計具有3個新的特點：1/4象素精度的運動估計；7種大小不同的塊進行比對；前向與後向多參考幀。 H.264在幀間編碼中，一個宏塊(16×16)可以被分為16×8、8×16、8×8的塊，而8×8的塊被稱為子宏塊，又可以分為8×4、4×8、4×4的塊。總體而言，共有7種大小不同的塊做運動估計，以找出最比對的類型。與以往标準的P幀、B幀不同，H.264采用了前向與後向多個參考幀的預測。半象素精度的運動估計比整象素運動估計有效地提高了壓縮比，而1/4象素精度的運動估計可帶來更好的壓縮效果。 編碼器中運用多種大小不同的塊進行運動估計，可節省15%以上的比特率(相對于16×16的塊)。運用1/4象素精度的運動估計，可以節省20%的碼率(相對于整象素預測)。多參考幀預測方面，假設為5個參考幀預測，相對于一個參考幀，可降低5%～10%的碼率。以上百分比都是統計資料，不同視訊因其細節特征與運動情況而有所差異。 熵編碼 H.264标準采用的熵編碼有兩種：一種是基于内容的自适應變長編碼(CAVLC)與統一的變長編碼(UVLC)結合；另一種是基于内容的自适應二進制算術編碼(CABAC)。CAVLC與CABAC根據相臨塊的情況進行目前塊的編碼，以達到更好的編碼效率。CABAC比CAVLC壓縮效率高，但要複雜一些。 去塊效應濾波器 H.264标準引入了去塊效應濾波器，對塊的邊界進行濾波，濾波強度與塊的編碼模式、運動矢量及塊的系數有關。去塊效應濾波器在提高壓縮效率的同時，改善了圖像的主觀效果。 ========================= 技術細節介紹 =========================
下一篇将介紹MPEG标準的視訊壓縮格式。 參考資料： 1、 http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_171258.HTM 2、 http://wenku.baidu.com/view/f5901bf0f90f76c661371a4d.html