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摘 要 ： H.264标准标志着视频压缩技术的最新进展,其采用一系列最新的压缩技术提高了压缩率.该文重点介绍了视频编码新标准H.264的关键技术,并阐述了它在数字电视、高清晰度电视以及移动通信等方面的应用前景.

关 键 词 ： H.264标准；视频压缩；视频编码

0 引言

以数字视频的采集、压缩、处理为核心的现代视频监控技术,采用先进图像处理芯片对视频进行压缩处理,把智能图像处理技术用于图像显示、监控成为嵌入式视频监控系统的重点研究方向[1].无论是MPEG1、MPEG2或者是MPEG4、H.263都已经无法满足运动图像压缩的要求,这时新一代的H.264标准便被制定,H.264作为新一代的编码方式,有效提升了视频压缩率,仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频,而且视频编码的码率更加灵活,架构主要包括,帧内预测、帧间预测、转换、量化、去区块滤波器、熵编码等模块,下面将研究H.264视频编码的关键技术及其应用前景.[2]

1.H.264压缩标准

H.264是两个组织专家ITU-T和ISO为多媒体传输设计的数字视频编码标准[3],全称是MPEG-4AVC,翻译成中文意思是“活动图像专家组-4的高等视频编码”,或称为MPEG-4Part10.各种分辨率的视频图像格式都可以被H.264视频编码标准支持,包括sub-QCIF、QCIF、CIF、4CIF、16CIF等[4].H.264是一种视频压缩标准,同时也是一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式.H.264比其他编码标准有着更高的视频质量和更低的码率,被广泛用于网络流媒体数据、各种高清晰度电视陆地广播以及卫星电视广播等领域.H.264的特点是能低码率、高清晰持续提供较高的视频质量,能大大加强图像的编码效率和改善图像数据在网络中的传输效率.[1],使网络更加灵活、适应性更强,最大的好处就是节约了成本,弥补了技术差距,让存储与视频管理变得更高效.

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2.H.264编码器的结构和特点

H.264只是规定了输入码流的格式及编码之后输出比特流的句法结构,其标准的编码思路是混合编码模式,以帧间和帧内预测来清除空间和时间的冗余分量,用变换和量化编码来清除频域冗余分量.H.264视频编码在一定情况下提高了视频压缩编码性,其视频解码与编码实现的过程相反,依据帧内编码进行逆量化,反变换,重构帧,最后经块滤波器平滑滤波后得到重建图像,[1]H.264编码器的功能组成框图如1.

3.H.264编码器关键环节分析

3.1 帧内预测 比起H.263,H.264提供了更多不同的工具来降低码率,以编码单位来说,h.264中每个宏块（macroblock/mb）大小都是固定的16×16像素,能够实现高分辨率视频的压缩,对于帧间编码来说,它允许变换块的大小根据运动补偿块的大小进行自适应的调整；对于帧内编码来说,它允许变换块的大小根据帧内预测残差的特性进行自适应的调整.

3.2 帧间预测 H.264标准与早期标准不同之处在于,它所使用的是块结构运动补偿,运算精度精确到1/4像素点上.[8]不仅如此,H.264标准还使用了多帧预测的方法,能够明显改善预测增益.[5]

3.3 整数变换与量化 H.264中整型变换与之前的MPEG系列标准所采用的DCT变换都有区别：

①它是整形变换（所有的操作都为整数运算,不存在解码精度损失）.②用整数算术变换可以确保编解码之间实现零失配.③变换的核心运算部分只用到加法和移位运算,不需要乘除运算.④到量化器的缩放乘积因子为整数,减少了乘积因子的数据位数.[4]量化的目的是减小信号的值域,以更少的比特来表示信号,从而达到减少数据量的目的.H.264中量化的步长总共有52种,其按照12.5%递增,并且变换系数的读取有双扫描和之字形两种方式.

3.4 熵编码 熵编码是对数据的冗余信息进行压缩的方法,变长编码和Huffman编码相结合进行,以较短的字长表示出现概率较大的数据,较长的字长表示出现概率较小的数据来达到降低数据量的目的.

CAVLC是一种变长编码.先对变换系数进行zig-zag扫描.用行程码（L,V）表示扫描以后的数据,V代表数值,L代表该数出现的次数.因为视频块在整形变换和量化后,大部分变换系数成为0,只有很少的数据在低频部分,用行程数L代表连续出现的0的个数,V代表0串后挨着的非零值,接着对L和V分别采用Huffman编码进一步压缩,有不同的码表可以查询亮度块和色度块.行程编码大大降低了编码的码字字长.CABAC是一种二进制算术编码,其通过构建模型来预测当前的视频信号.相对于CAVLC编码,CABAC的编码效率更高,更节省码率.[4]

3.5 码率控制 H.264视频编码标准虽然对于编码器的结构实现模式没有具体的规定,但编码器实现的核心问题要解决编码器的结构、相应的视频编码如何控制.H.264编码器采用基于拉各朗日Lagrangian优化算法的率失真优化模型实现视频编码的控制,其实现方法简单而且效率高.[5]

H.264编码标准由于以上关键技术的支持,获得了较高性能编码,但编码器复杂度增加,约为MPEG2的4倍,MPEG4的2倍.其高复杂度原因有两个方面,一是编码选项复杂,二是计算量高.具体内容有宏块的划分及搜索模式的组合的选取、高精度亚像素运动补偿和多参考顿预测,H.264更细化,更精确的数据压缩导致了计算量高.[6]

4.应用前景

H.264作为一种具有高效压缩性能的视频压缩编码技术,其在制定的过程中就充分参考和吸收了H系列和MPEG系列的优秀研究成果,修改或重新制定了其中不合理的部分,使其有很好的压缩性能.H.264能够比H.263和MPEG-4大约省去50%的码率.[7]H.264的高效的视频压缩能力和优异的网络适应性,为视频数据传输的可靠性提供了保障,其可广泛应用于数字摄像、英特网、数字视频录像、DVD及电视广播等领域的图像压缩.

5.结束语

网络视频监控系统要达到良好的监控效果,仅提高摄像头的分辨率是不行的,只有通过改善数字视频的压缩技术,降低视频传输的误码率,提高视频的质量,才能推动网络视频走向智能化.[1]H.264标准的推出是视频编码标准的一次重要的进步,尽管其算法复杂,但是能够大幅度提高编码效率,使得应用范围更加的广泛.

参考文献：

[1]李红京.基于H.264视频压缩技术的网络视频传输系统设计[J].河北工业科技,2011,28（4）：236-239.

[2]齐淋淋,向健勇,唐巍.H.264视频压缩关键技术及