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H.264/MPEG-4 AVC

H.264，或稱(chēng)MPEG-4第十部分，是由ITU-T視頻編碼專(zhuān)家組（VCEG）和ISO/IEC動(dòng)態(tài)圖像專(zhuān)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(biāo)準(zhǔn)。

ITU-T的H.264標(biāo)準(zhǔn)和ISO/IEC MPEG-4第10部分（正式名稱(chēng)是ISO/IEC 14496-10）在編解碼技術(shù)上是相同的，這種編解碼技術(shù)也被稱(chēng)為AVC，即視頻編碼（Advanced Video Coding）。該標(biāo)準(zhǔn)*版的zui終草案已于2003年5月完成。

H.264是ITU-T以H.26x系列為名稱(chēng)命名的標(biāo)準(zhǔn)之一，同時(shí)AVC是ISO/IEC MPEG一方的稱(chēng)呼。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通常被稱(chēng)之為H.264/AVC（或者AVC/H.264或者H.264/MPEG-4 AVC或MPEG-4/H.264 AVC）而明確的說(shuō)明它兩方面的。該標(biāo)準(zhǔn)zui早來(lái)自于ITU-T的稱(chēng)之為H.26L的項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。H.26L這個(gè)名稱(chēng)雖然不太常見(jiàn)，但是一直被使用著。

有時(shí)候該標(biāo)準(zhǔn)也被稱(chēng)之為“JVT 編解碼器”，這是由于該標(biāo)準(zhǔn)是由JVT組織并開(kāi)發(fā)的（作為兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的事情并非，之前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2也是由MPEG和ITU-T兩方合作開(kāi)發(fā)的，因此MPEG-2在ITU-T的命名規(guī)范中被稱(chēng)之為H.262）。

H.264/AVC項(xiàng)目zui初的目標(biāo)是希望新的編解碼器能夠在比相對(duì)以前的視頻標(biāo)準(zhǔn)（比如MPEG-2或者H.263）低很多的位元率下（比如說(shuō)，一半或者更少）提供很好的視頻質(zhì)量；同時(shí)，并不增加很多復(fù)雜的編碼工具，使得硬件難以實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)目標(biāo)是可適應(yīng)性，即該編解碼器能夠在一個(gè)很廣的范圍內(nèi)使用（比如說(shuō)，即包含高碼率也包含低碼率，以及不同的視頻分辨率），并且能在各種網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)上（比如組播、DVD存儲(chǔ)、RTP/IP包網(wǎng)絡(luò)、ITU-T多媒體系統(tǒng)）工作。

JVT zui近完成了一個(gè)對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)的拓展，該拓展被稱(chēng)為高精度拓展（Fidelity Range Extensions， FRExt）。該拓展通過(guò)支持更高的像素精度（包括10位元和12位元像素精度）和支持更高的色度抽樣率（包括YUV 4:2:2和YUV 4:4:4）來(lái)支持更高精度的視頻編碼。該拓展加入了一些新的特性（比如自適應(yīng)的4x4和8x8的整數(shù)變換，用戶(hù)自定義量化加權(quán)矩陣，的幀間無(wú)失真編碼，支持新增的色度空間和色度參差變換）。該拓展的設(shè)計(jì)于2004年7月完成，草案也于2004年9月完成。由于該標(biāo)準(zhǔn)的zui早版本于2003年5月完成，JVT已經(jīng)完成了一輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的勘誤工作，新一輪的勘誤也已于zui近完成并且得到了ITU-T的批準(zhǔn)，不久也將被MPEG批準(zhǔn)。

H.264的四種Profile類(lèi)

AVC/H.264定義了4種不同的Profile（類(lèi)）：Baseline（基線(xiàn)類(lèi)）, Main（主要類(lèi)）, Extended（擴(kuò)展類(lèi)）和High Profile（類(lèi)）（它們各自下分成許多個(gè)層）：

- Baseline Profile 提供I/P幀，僅支持progressive（逐行掃描）和CAVLC
- Extended Profile 提供I/P/B/SP/SI幀，僅支持progressive（逐行掃描）和CAVLC
- Main Profile 提供I/P/B幀，支持progressive（逐行掃描）和interlaced（隔行掃描），提供CAVLC或CABAC
- High Profile （也就是FRExt）在Main Profile基礎(chǔ)上新增：8x8 intra prediction（8x8 幀內(nèi)預(yù)測(cè)）, custom quant（自定義量化）, lossless video coding（無(wú)損視頻編碼）, 更多的yuv格式（4:4:4...）

技術(shù)細(xì)節(jié)

H.264/AVC 包含了一系列新的特征，使得它比起以前的編解碼器不但能夠更有效的進(jìn)行編碼，還能在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用中使用。這些新特性包括：

• 多參考幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。比起以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264/AVC以更靈活的方式使用已編碼的更多幀來(lái)作為參考幀。在某些情況下，可以使用zui多32個(gè)參考幀（在以前的標(biāo)準(zhǔn)里面，參考幀的數(shù)目不是1就是對(duì)B幀來(lái)說(shuō)的2）。該特性對(duì)大多數(shù)場(chǎng)景序列都可以帶來(lái)一定的碼率降低或者質(zhì)量提高，對(duì)某些類(lèi)型的場(chǎng)景序列，例如快速重復(fù)的閃光，反覆的剪切或者背景遮擋的情況，它能很顯著的降低編碼的碼率。
• 變塊尺寸運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。可使用zui大16x16至zui小4x4的塊來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，能夠?qū)D像序列中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行更的分割。
• 為了減少鋸齒（en:Aliasing）并得到更銳化的圖像，采用六抽頭的濾波器來(lái)產(chǎn)生二分之一像素的亮度份量預(yù)測(cè)值。
• 宏塊對(duì)結(jié)構(gòu)允許場(chǎng)模式中采用16x16的宏塊（相對(duì)于MPEG-2中的16x8）。
• 1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能夠提供更高精度的運(yùn)動(dòng)塊預(yù)測(cè)，由于色度通常是亮度抽樣的1/2（參見(jiàn)4:2:0），這時(shí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木染瓦_(dá)到了1/8像素精度。
• 加權(quán)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，指在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)可以使用增加權(quán)重和偏移的辦法。它能在一些特殊的場(chǎng)合，如淡入、淡出、淡出而后淡入等情況提供相當(dāng)大的編碼增益。
• 使用了一個(gè)環(huán)內(nèi)的除塊效應(yīng)濾波器，能夠減輕普遍存在于其他基于離散余弦變換（DCT）的視頻編解碼器的塊效應(yīng)。
• 一個(gè)匹配的整數(shù)4x4變換（類(lèi)似于離散余弦變換的設(shè)計(jì)），同樣在高精度拓展 中，采用整數(shù)8x8變換，并能在4x4變換和8x8變換中進(jìn)行自適應(yīng)的選擇。
• 在*次4x4變換后，對(duì)DC系數(shù)（色度的DC系數(shù)和某種特殊狀況的亮度DC系數(shù)）再進(jìn)行一次Hadamard變換，使得在平滑區(qū)域得到更好的壓縮效果。
• 利用臨近塊的邊界像素的Intra空間預(yù)測(cè)（比曾在MPEG-2視頻部分使用的直流系數(shù)預(yù)測(cè)和在H.263+和MPEG-4視頻部分使用的變換系數(shù)預(yù)測(cè)的效果要好）。
• 基于上下文的二元算數(shù)編碼 （CABAC）,它能夠靈活的將各種語(yǔ)法元素，在已知相應(yīng)上下文概率分布的狀況下進(jìn)行更有效的無(wú)損熵編碼。
• 基于上下文的變長(zhǎng)編碼 （CAVLC），用于對(duì)量化后的變化系數(shù)進(jìn)行編碼。比起CABAC它的復(fù)雜度相對(duì)較低，壓縮比不高，但是比起以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)所使用的熵編碼方案，它又是相當(dāng)有效的。
• 對(duì)既不是用CABAC也不是用CAVLC的語(yǔ)法元素，使用指數(shù)哥倫布碼（Exponential-Golomb）（Exp-Golomb）熵編碼方案，進(jìn)行編碼。
• 使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)抽像層 （NAL）,使得相同的視頻語(yǔ)法可以適用于多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中；并且使用了序列參數(shù)集（SPSs）和圖像參數(shù)集（PPSs）來(lái)提供更高的強(qiáng)健性（robustness）和靈活性。
• 切換條帶（Switching slices，包括SP和SI兩種），它使得編碼器能夠指令解碼器跳轉(zhuǎn)到一個(gè)正在處理的視頻碼流，用來(lái)解決視頻碼流碼率切換和"竅門(mén)模式"（Trick mode）操作。當(dāng)解碼器利用SP/SI條帶跳轉(zhuǎn)到一個(gè)視頻碼流中間時(shí)，除非之后的解碼幀引用切換幀之前的圖像作為參考幀，它都可以得到*一致的解碼重建圖像。
• 靈活的宏塊排列模式（FMO for Flexible macroblock ordering,也被稱(chēng)為條帶組slice groups技術(shù)）和任意條帶排列（ASO for arbitrary slice ordering）模式，用來(lái)更改圖像編碼的zui基本單位-宏塊的編碼順序。它能夠用來(lái)提高有繞信道下碼流的魯棒性（robustness）以及一些其它的目的。
• 數(shù)據(jù)分區(qū)（DP for Data partitioning）,能夠?qū)⒅匾潭炔煌恼Z(yǔ)法元素分開(kāi)打包傳輸，并使用非平等數(shù)據(jù)保護(hù)（UEP for unequal error protection）等技術(shù)來(lái)改善視頻碼流對(duì)抗信道誤碼/丟包的魯棒性（Robustness）.
• 冗余條帶（RS for Redundant Slices），同樣是一個(gè)提高碼流魯棒性的技術(shù)。編碼器利用該技術(shù)可以發(fā)送圖像某區(qū)域（或者全部）的另一個(gè)編碼表示（通常是較低分辨率的編碼碼流）使得當(dāng)主表示發(fā)生錯(cuò)誤或者丟失的時(shí)候能夠用冗余的第二個(gè)編碼表示來(lái)解碼。
• 使用了一個(gè)自動(dòng)的字節(jié)碼流打包方法，避免了碼流中出現(xiàn)與開(kāi)始碼重復(fù)的碼字。開(kāi)始碼是碼流中用于隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)和重建同步的碼字。
• 補(bǔ)充增強(qiáng)信息（SEI for Supplemental Enhancement Information）和視頻可用信息（VUI for Video Usability Information）增加了向視頻碼流中加入信息的辦法，為各種應(yīng)用提供了用途。
• 輔助圖層（Auxiliary pictures）, 可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)某些特殊的功能，例如alpha復(fù)合（alpha compositing）。
• 幀編號(hào)，使用該功能支持創(chuàng)建一個(gè)視頻序列的子序列,可用來(lái)支持實(shí)現(xiàn)時(shí)域的可伸縮性，還支持對(duì)丟失的整幀圖像進(jìn)行檢測(cè)和隱藏（丟失可能是由于網(wǎng)絡(luò)丟包或者信道誤碼造成的）。
• 圖像順序計(jì)數(shù)，使用該功能使得各幀圖像的順序和解碼圖像的像素值與時(shí)間信息無(wú)關(guān)，即使用一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行傳輸、控制、更改，從而不影響解碼圖像的像素值。

上述這些技術(shù)，與其它技術(shù)的結(jié)合，使得H.264比起以前的視頻編解碼能夠帶來(lái)性能上顯著的提高，并在各種不同的環(huán)境下達(dá)成更廣泛的應(yīng)用。H.264在壓縮性能上比起MPEG-2有很大的提高，在相同的圖像質(zhì)量下可以，碼率可以減少到一半或者更少。

和MPEG的其它視頻標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264/AVC也提供了一個(gè)參考軟件，并可以免費(fèi)下載。它的主要目的是提供一個(gè)演示H.264/AVC各種功能的演示平臺(tái)，而不是作為一個(gè)直接的應(yīng)用平臺(tái)（在后面的鏈接部分可以找到下載的地址）。目前在MPEG也同時(shí)在進(jìn)行一些硬件參考設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

參考資料：維基百科