多媒體會(huì)議中的H.264編碼
南京郵電大學(xué) 馬國強(qiáng) 畢厚杰 2006/09/22
H.264是新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，由兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合開發(fā)。H.264和以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，也是采用基于塊的混合編碼模式，但是它在以往標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)編碼算法進(jìn)行了改進(jìn)，使得H.264算法具有很高的編碼效率。在同等的圖像質(zhì)量條件下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮性能比當(dāng)前DVD系統(tǒng)中使用的MPEG-2高2~3倍，比MPEG-4高1.5~2倍。正因?yàn)槿绱耍?jīng)過H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中所需要的帶寬更少，也更加經(jīng)濟(jì)，所以更適合視頻會(huì)議業(yè)務(wù)。
編碼器架構(gòu)與算法模塊
隨著壓縮性能的提高，H.264的計(jì)算復(fù)雜度變得極高，H.264編碼的計(jì)算復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263（H.264的同系列標(biāo)準(zhǔn)）的3～5倍，解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的2倍。為此，一款設(shè)計(jì)優(yōu)良的H.264編碼器必須充分考慮編碼速度與率失真性能之間的平衡。一般而言，H.264編碼器架構(gòu)主要包括以下各種算法。
- 運(yùn)動(dòng)搜索（運(yùn)動(dòng)估計(jì)）
這是視頻壓縮編碼領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。運(yùn)動(dòng)搜索技術(shù)的基本原理是搜索視頻序列中的相鄰圖像，找出運(yùn)動(dòng)信息和運(yùn)動(dòng)矢量，用表征物體運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)代替相應(yīng)圖像的原始信息，從而極大地消除時(shí)間冗余，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。
在視頻流中，每幀圖像的編碼方式既可以是I幀（幀內(nèi)預(yù)測幀），也可以是P幀（幀間預(yù)測幀）。I幀的編碼效率沒有P幀高，但I(xiàn)幀是視頻碼流中的重要組成單位，因?yàn)镮幀提供重同步的能力。在傳輸中如果某幀發(fā)生丟包，則使用該幀預(yù)測的后續(xù)P幀將不能正確解碼，但由于I幀是自包含的，沒有引用任何以往的圖像，所以碼流在這里獲得重新同步，將錯(cuò)誤限制在一定范圍內(nèi)。
在視頻編碼中會(huì)有許多編碼模式和參數(shù)的決策問題，率失真優(yōu)化算法對(duì)每個(gè)侯選的編碼模式或參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，然后按照一定的法則挑選出最優(yōu)模式。
監(jiān)測信道狀況，對(duì)碼率的分配作出決策。這個(gè)算法模塊需要和率失真優(yōu)化結(jié)合起來，形成編碼器的決策層。
存儲(chǔ)器的邏輯和物理管理，并負(fù)責(zé)對(duì)參考幀隊(duì)列管理。在對(duì)P幀編碼時(shí)，需要參考以往已編碼或解碼的圖像，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)搜索，所以在編碼和解碼的同時(shí)必須建立參考幀隊(duì)列，存儲(chǔ)參考幀數(shù)據(jù)。
對(duì)視頻序列壓縮的各種方法都圍繞三個(gè)方面：消除時(shí)間冗余、消除空間冗余、消除統(tǒng)計(jì)冗余。幀間和幀內(nèi)預(yù)測分別針對(duì)時(shí)間冗余和空間冗余，而消除統(tǒng)計(jì)冗余的方法就稱作熵編碼。
H.264編碼器的工作流程
編碼程序在設(shè)定編碼參數(shù)后，首先從輸入圖像序列中讀出一幀圖像數(shù)據(jù)作為當(dāng)前編碼圖像，并根據(jù)圖像特征分析編碼類型。每一幀圖像數(shù)據(jù)由若干個(gè)片數(shù)據(jù)組成，每一個(gè)片數(shù)據(jù)獨(dú)立編碼為一個(gè)NAL。當(dāng)寫好NAL的起始信息和片頭數(shù)據(jù)后，進(jìn)入圖像宏塊層編碼。
進(jìn)入宏塊數(shù)據(jù)編碼子程序后，首先根據(jù)宏塊所處的幀類型，進(jìn)入相應(yīng)的宏塊編碼模式選擇算法模塊。選擇宏塊的編碼模式后，根據(jù)編碼模式進(jìn)入相應(yīng)的宏塊編碼模塊。幀內(nèi)編碼的宏塊的預(yù)測值是來自在同一圖像中的相鄰宏塊的像素值；幀間編碼的宏塊的預(yù)測值是來自于運(yùn)動(dòng)矢量所指向的參考圖像中相應(yīng)區(qū)域的像素值。用圖像的原始值減去預(yù)測值得到殘差數(shù)據(jù)，對(duì)殘差數(shù)據(jù)變換、量化、熵編碼，進(jìn)一步消除其冗余信息，得到視頻編碼后的碼流。
當(dāng)宏塊的編碼模式是幀內(nèi)亮度16×16或者幀內(nèi)色度8×8時(shí)，整數(shù)變換后的直流分量要提出來經(jīng)過第二次變換。編碼后的碼流進(jìn)行反變換，重建宏塊數(shù)據(jù)，為后續(xù)宏塊預(yù)測做準(zhǔn)備。當(dāng)一幀圖像重建好之后，繼續(xù)對(duì)該重建圖像進(jìn)行塊濾波，消除量化造成圖像的塊效應(yīng)，隨后將可用于后續(xù)圖像編碼參考的圖像數(shù)據(jù)存入?yún)⒖紙D像隊(duì)列，更新參考圖像隊(duì)列。
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