簡介

　　H.264 是最新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它也稱為 MPEG-4 Part 10 或 AVC(高級(jí)視頻編碼)。據(jù)預(yù)測，在未來幾年內(nèi) H.264 將成為行業(yè)首選的視頻標(biāo)準(zhǔn)。

　　H.264 是一個(gè)需要許可證才能使用的開放標(biāo)準(zhǔn)，可支持最當(dāng)今市場上最高效的視頻壓縮技術(shù)。

　　在不影響圖像質(zhì)量的情況下，與采用 M-JPEG 和 MPEG-4 Part 2 標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264 編碼器可使數(shù)字視頻文件的大小分別減少 80% 和 50% 以上。這意味著視頻文件所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)空間將大大降低?；蛘邚牧硪粋€(gè)角度來說，在某一特定比特率下，視頻圖像質(zhì)量將得到顯著提高。

　　H.264 由電信和IT行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合制定，與先前標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264 有望得到更廣泛的應(yīng)用H.264 已經(jīng)應(yīng)用于手機(jī)和數(shù)字視頻播放器等新一代電子產(chǎn)品中，并且迅速獲得廣大最終用戶的青睞。在線視頻存儲(chǔ)公司和電信公司等服務(wù)提供商也開始采用 H.264 標(biāo)準(zhǔn)。

　　在視頻監(jiān)控行業(yè)，H.264 將很可能以最快速度應(yīng)用于那些需要高幀速和高分辨率的監(jiān)控場所，例如高速公路、機(jī)場和娛樂場所等。對(duì)于這些監(jiān)控場所而言，使用 30/25 fps (NTSC/PAL) 的幀速已經(jīng)成為一種通行的標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于 H.264 能夠減少帶寬和存儲(chǔ)需求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，因此可以幫助企業(yè)最大限度節(jié)省成本。

　　此外，由于 H.264 這種極其高效的壓縮技術(shù)能夠在不影響圖像質(zhì)量的前提下，對(duì)大文件進(jìn)行大比例壓縮并降低比特率，因此有望提高百萬像素?cái)z像機(jī)的普及速度。然而，事物都有其兩面性。雖然 H.264 能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)成本，然而它卻對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和監(jiān)控臺(tái)提出了更高的性能要求。

　　H.264 的發(fā)展

　　H.264 是 ITU-T 的視頻編碼專家組 (VCEG) 和 ISO/IEC 運(yùn)動(dòng)圖像專家組 (MPEG) 聯(lián)合制定的新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。ITU-T 是一個(gè)代表國際電信聯(lián)盟協(xié)調(diào)制定電信標(biāo)準(zhǔn)的部門。ISO 是指國際標(biāo)準(zhǔn)化組織。IEC 是指國際電工委員會(huì)，負(fù)責(zé)制定所有電子、電氣和相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。H.264是 ITU-T 所使用的名稱，而 ISO/IEC 將其命名為 MPEG-4 Part 10/AVC，因?yàn)樗淼氖荕PEG-4 系列標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4 系列標(biāo)準(zhǔn)包括了 MPEG-4 Part 2 等標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-4Part 2 是一個(gè)應(yīng)用于基于 IP 的視頻編碼器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　為了解決先前視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中存在的不足，H.264 的目標(biāo)是支持：

　　> 高效實(shí)施，在某一特定的視頻質(zhì)量下，與采用任何其它視頻標(biāo)準(zhǔn)相比，可以使比特率平均降低 50%

　　> 更強(qiáng)大的容錯(cuò)能力，能夠糾正各種網(wǎng)絡(luò)的傳輸錯(cuò)誤

　　> 低時(shí)延功能，并能夠在更高時(shí)延的情況下提供更高質(zhì)量的圖像

　　> 通過簡單的句法規(guī)范簡化實(shí)施

　　> 精確匹配解碼，嚴(yán)格規(guī)定了編碼器和解碼器如何進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以避免錯(cuò)誤累積

　　此外，H.264 還能夠靈活地支持有著不同比特率要求的各種監(jiān)控應(yīng)用。例如，在娛樂視頻應(yīng)用(包括廣播、衛(wèi)星電視、有線電視和 DVD)中，H.264 能夠以高時(shí)延實(shí)現(xiàn) 1-10Mbit /秒的性能。而對(duì)于電信服務(wù)來說，H.264 能夠以低時(shí)延實(shí)現(xiàn)低于 1Mbit /秒的比特率。

　　視頻壓縮的工作原理

　　視頻壓縮通過減少和去除冗余視頻數(shù)據(jù)的方式，達(dá)到有效發(fā)送和存儲(chǔ)數(shù)字視頻文件的目的。

　　在壓縮過程中，需要應(yīng)用壓縮算法對(duì)源視頻進(jìn)行壓縮以創(chuàng)建壓縮文件，以便進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)。

　　要想播放壓縮文件，則需要應(yīng)用相反的解壓縮算法對(duì)視頻進(jìn)行還原，還原后的視頻內(nèi)容與原始的源視頻內(nèi)容幾乎完全相同。壓縮、發(fā)送、解壓縮和顯示文件所需的時(shí)間稱為時(shí)延。在相同處理能力下，壓縮算法越高級(jí)，時(shí)延就越長。

　　視頻編解碼器(編碼器/解碼器)是指兩個(gè)協(xié)同運(yùn)行的壓縮-解壓算法。使用不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻編解碼器通常彼此之間互不兼容;也就是說，使用一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮的視頻內(nèi)容無法使用另外一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解壓縮。例如，MPEG-4 Part 2 解碼器就不能與 H.264 編碼器協(xié)同運(yùn)行。這是因?yàn)橐环N算法無法正確地對(duì)另外一個(gè)算法的輸出信號(hào)進(jìn)行解碼，然而我們可以在同一軟件或硬件中使用多種不同的算法，以支持對(duì)多種格式的文件進(jìn)行壓縮。[nextpage]

　　由于不同的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)會(huì)使用不同的方法來減少數(shù)據(jù)量，因此壓縮結(jié)果在比特率、質(zhì)量和時(shí)延方面也各不相同。

　　此外，由于編碼器的設(shè)計(jì)者可能會(huì)選擇使用某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所定義的不同工具集，因此，即使是使用相同壓縮標(biāo)準(zhǔn)的編碼器之間，其壓縮結(jié)果也可能會(huì)存在差異。不過，只要編碼器的輸出信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)的格式以及解碼器的要求，就可以采用不同的實(shí)施方式。這是非常有利的，因?yàn)椴煌膶?shí)施方式可實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)，滿足不同的預(yù)算要求。對(duì)用于制作光存儲(chǔ)介質(zhì)母盤的非實(shí)時(shí)專業(yè)軟件編碼器來說，應(yīng)該能夠比用于視頻會(huì)議的集成在手持設(shè)備中的實(shí)時(shí)硬件編碼器提供質(zhì)量更高的編碼視頻。因此，即使是某個(gè)指定的標(biāo)準(zhǔn)也無法保證提供指定的比特率或質(zhì)量。而且，如果不事先確定實(shí)施方式，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就無法與其它標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正確的性能對(duì)比，甚至也無法與同一標(biāo)準(zhǔn)的其它實(shí)施方式進(jìn)行正確的性能對(duì)比。

　　與編碼器不同，解碼器必須實(shí)施某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的所有必需部分，才能對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的比特流進(jìn)行解碼。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了解壓縮算法應(yīng)如何對(duì)壓縮視頻的每個(gè)比特進(jìn)行還原。

　　下圖是在相同圖像質(zhì)量水平下，采用下列視頻標(biāo)準(zhǔn)的比特率對(duì)比：M-JPEG，MPEG-4 Part 2(無運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)、MPEG-4 Part 2(有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)和 H.264(基準(zhǔn)類)。

　　圖 1. 對(duì)于視頻序列樣本來說，使用 H.264 編碼器能夠比使用有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)?MPEG-4 編碼器降低 50% 的比特率 (bps) 。在沒有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)那闆r下，H.264 編碼器的效率至少比 MPEG-4 編碼器高 3 倍，比 M-JPEG編碼器高 6 倍。

　　H.264 類別和等級(jí)

　　參與制定 H.264 標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合組織致力于創(chuàng)建一個(gè)簡單明了的解決方案，最大限度地限制選項(xiàng)和特性的數(shù)量。和其它視頻標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264 標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要方面是通過類別(算法特性集)和等級(jí)(性能等級(jí))中提供的功能，以最佳的方式支持常見應(yīng)用和通用格式。

　　H.264 有 7 個(gè)類別，每個(gè)類別都針對(duì)某一類特定的應(yīng)用。此外，每個(gè)類別都定義了編碼器能夠使用哪些特性集，并限制了解碼器在實(shí)施方面的復(fù)雜性。[nextpage]

　　網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和視頻編碼器最有可能使用的是基準(zhǔn)類別，此類別主要針對(duì)計(jì)算資源有限的應(yīng)用。對(duì)于嵌入在網(wǎng)絡(luò)視頻產(chǎn)品中的實(shí)時(shí)編碼器來說，在特定的可用性能下，基準(zhǔn)類別最為適用。此類別能夠?qū)崿F(xiàn)低時(shí)延，這對(duì)監(jiān)控視頻來說是一個(gè)很重要的要求，而且對(duì)于支持 PTZ 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的平移/傾斜/縮放 (PTZ) 控制來說尤為重要。

　　H.264 分為 11 個(gè)功能等級(jí)，對(duì)性能、帶寬和內(nèi)存需求進(jìn)行了限制。每個(gè)等級(jí)都規(guī)定了從 QCIF到 HDTV 等各種分辨率所對(duì)應(yīng)的比特率和編碼速率(每秒宏塊數(shù))。分辨率越高，要求的等級(jí)就越高。

　　幀的基本知識(shí)

　　根據(jù) H.264 的不同類別，編碼器會(huì)使用不同類型的幀，例如 I 幀、P 幀和 B 幀。

　　I 幀(幀內(nèi)編碼幀)是一種自帶全部信息的獨(dú)立幀，無需參考其它圖像便可獨(dú)立進(jìn)行解碼。視頻序列中的第一個(gè)幀始終都是 I 幀。如果所傳輸?shù)谋忍亓髟獾狡茐?，則需要將 I 幀用作新查看器的起始點(diǎn)或重新同步點(diǎn)。I 幀可以用來實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、快退以及其它隨機(jī)訪問功能。如果新的客戶端將參與查看視頻流，編碼器將以相同的時(shí)間間隔或者根據(jù)要求自動(dòng)插入 I 幀。I 幀的缺點(diǎn)在于它們會(huì)占用更多的數(shù)據(jù)位，但從另一方面看，I 幀不會(huì)產(chǎn)生可覺察的模糊現(xiàn)象。

　　P 幀(幀間預(yù)測編碼幀)需要參考前面的 I 幀和/或 P 幀的不同部分才能進(jìn)行編碼。與 I 幀相比，P 幀通常占用更少的數(shù)據(jù)位，但其缺點(diǎn)是，由于 P 幀對(duì)前面的 P 和 I 參考幀有著復(fù)雜的依賴性，因此對(duì)傳輸錯(cuò)誤非常敏感。

　　B 幀(雙向預(yù)測編碼幀)需要同時(shí)以前面的幀和后面的幀作為參考幀。

圖 2. 帶有 I 幀、B 幀和 P 幀的典型視頻序列。P 幀只需要參考前面的 I 幀或 P 幀，而 B 幀則需要同時(shí)參考前面和后面的 I 幀或 P 幀。

　　當(dāng)視頻解碼器逐個(gè)幀地對(duì)比特流進(jìn)行解碼以便重構(gòu)視頻時(shí)，必須始終從I幀開始解碼。如果使用了 P 幀和 B 幀，則必須與參考幀一起解碼。

　　在 H.264 基準(zhǔn)類中，僅使用 I 幀和 P 幀。由于基準(zhǔn)類沒有使用 B 幀，所以可以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，因此是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和視頻編碼器的理想選擇。

　　減少數(shù)據(jù)量的基本方法

　　可以通過各種方法在一個(gè)圖像幀內(nèi)或者在一系列幀之間減少視頻數(shù)據(jù)量。

　　在某個(gè)圖像幀內(nèi)，只需要?jiǎng)h除不必要的信息就可以減少數(shù)據(jù)量，但這樣做會(huì)導(dǎo)致圖像的分辨率下降。

　　在一系列的幀內(nèi)，可以通過差分編碼這樣的方法來減少視頻數(shù)據(jù)量，包括 H.264 在內(nèi)的大多數(shù)視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)都采用這種方法。在差分編碼中，會(huì)將一個(gè)幀與參考幀(即前面的 I 幀或 P 幀)進(jìn)行對(duì)比，然后只對(duì)那些相對(duì)于參考幀來說發(fā)生了變化的像素進(jìn)行編碼。通過這種方法，可以降低需要進(jìn)行編碼和發(fā)送的像素值。

圖 3. 對(duì) M-JPEG 格式來說，上述序列中的三個(gè)圖像分別作為獨(dú)立的圖像(I 幀)進(jìn)行編碼和發(fā)送，彼此之間互不依賴。

                             傳輸   -- -- --                                    不傳輸 -- -- --

圖 4. 對(duì)差分編碼(包括 H.264 在內(nèi)的大多數(shù)視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)都采用這種方法)來說，只有第一個(gè)圖像(I幀)是將全幀圖像信息進(jìn)行編碼。在后面的兩個(gè)圖像(P 幀)中，其靜態(tài)部分(即房子)將參考第一個(gè)圖像，而僅對(duì)運(yùn)動(dòng)部分(即正在跑步的人)使用運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行編碼，從而減少發(fā)送和存儲(chǔ)的信息量。[nextpage]

　　如果是根據(jù)像素塊(宏塊)而不是單個(gè)的像素來檢測差別并進(jìn)行差分編碼，還可以進(jìn)一步減少需要編碼的信息量;因此，可以對(duì)更大的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，而只需對(duì)那些存在重大差別的塊進(jìn)行編碼。此外，對(duì)發(fā)生更改的區(qū)域位置進(jìn)行標(biāo)記的相關(guān)開銷也將大大降低。

　　然而，如果視頻中存在大量物體運(yùn)動(dòng)的話，差分編碼將無法顯著減少數(shù)據(jù)量。這時(shí)，可以采用基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)?；趬K的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償考慮到視頻序列中構(gòu)成新幀的大量信息都可以在前面的幀中找到，但可能會(huì)在不同的位置上。所以，這種技術(shù)將一個(gè)幀分為一系列的宏塊。然后，通過在參考幀中查找匹配塊的方式，逐個(gè)塊地構(gòu)建或者“預(yù)測”一個(gè)新幀(例如 P 幀)。如果發(fā)現(xiàn)匹配的塊，編碼器只需要對(duì)參考幀中發(fā)現(xiàn)匹配塊的位置進(jìn)行編碼。與對(duì)塊的

　　實(shí)際內(nèi)容進(jìn)行編碼相比，只對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行編碼可以減少所占用的數(shù)據(jù)位。

圖 5. 基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償圖示。

　　H.264 的效率

　　H.264 將視頻壓縮技術(shù)提升到一個(gè)新的高度。在 H.264 中，將通過新的高級(jí)幀內(nèi)預(yù)測方法對(duì) I幀進(jìn)行編碼。這種方法通過對(duì)幀中每個(gè)宏塊內(nèi)較小的像素塊進(jìn)行連續(xù)預(yù)測，可以大大減少 I 幀所占的數(shù)據(jù)位并保持較高的質(zhì)量。這一點(diǎn)可通過在與進(jìn)行幀內(nèi)編碼的新 4×4 像素塊相鄰接的前幾個(gè)編碼像素中，尋找匹配的像素來實(shí)現(xiàn)。通過重復(fù)利用已編碼的像素值，可以極大地減少需要編碼的位數(shù)。新的幀內(nèi)預(yù)測功能是 H.264 技術(shù)的關(guān)鍵部分，實(shí)驗(yàn)證明，這種方法非常有效。與只使用 I 幀的 M-JPEG 視頻流相比，只使用 I 幀的 H.264 視頻流的文件大小要小得多。

圖 6. 在由 16 個(gè)像素塊構(gòu)成的宏塊中，對(duì)其中 1 個(gè)像素塊內(nèi)的 4×4 像素進(jìn)行編碼時(shí)，幀內(nèi)預(yù)測所采用的幾種模式的圖示。在宏塊的 16 個(gè)像素塊中，每個(gè)像素塊都可以使用不同的模式進(jìn)行編碼。

圖 7. 以上是 H.264 幀內(nèi)預(yù)測方法的效率圖示。通過這種方法，幀內(nèi)預(yù)測圖像將“免費(fèi)”發(fā)送。只需對(duì)殘留圖像和幀內(nèi)預(yù)測模式進(jìn)行編碼，就可以生成輸出圖像。

　　對(duì) P 幀和 B 幀進(jìn)行編碼時(shí)所采用的基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，在 H.264 中也得到了改進(jìn)。H.264 編碼器可以在一個(gè)或多個(gè)參考幀的少數(shù)或眾多區(qū)域內(nèi)，以亞像素精度搜索匹配的塊。為了提高匹配率，可以對(duì)塊的大小和形狀進(jìn)行調(diào)整。在參考幀中，對(duì)于找不到匹配塊的區(qū)域，將會(huì)使用幀內(nèi)編碼的宏塊。H.264 基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償具有高度的靈活性，非常適合人群比較擁擠的監(jiān)控場所，因?yàn)樗軌虮ＷC較高的質(zhì)量，以滿足嚴(yán)格的應(yīng)用要求。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是視頻編碼器要求最嚴(yán)格的一個(gè)方面，H.264 編碼器實(shí)施運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)牟煌绞揭约捌鋵?shí)施程度，將會(huì)影響視頻壓縮的效率。[nextpage]

　　對(duì)于 H.264，通過使用環(huán)內(nèi)去塊效應(yīng)濾波器，可以減少在使用 M-JPEG 和 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)(而不是 H.264 標(biāo)準(zhǔn))的高度壓縮視頻中通常出現(xiàn)的圖像模糊現(xiàn)象。此過濾器能夠通過自適應(yīng)強(qiáng)度使塊邊緣變得平滑，從而確保輸出幾乎完美無缺的解壓縮視頻。

圖 8. 從右邊的圖中我們可以看到，在應(yīng)用了去塊效應(yīng)濾波器之后，左圖中高度壓縮圖像的塊狀效應(yīng)已經(jīng)大大降低。

　　結(jié)論

　　H.264 代表著視頻壓縮技術(shù)的一個(gè)重大飛躍。由于該技術(shù)具有更精確的預(yù)測能力和更高的容錯(cuò)能力，因此可實(shí)現(xiàn)更高的壓縮效率。它將有可能推動(dòng)視頻編碼器進(jìn)一步向前發(fā)展，從而能夠在同樣的比特率下提供更高質(zhì)量的視頻流、更高的幀速以及更高的分辨率(與先前的標(biāo)準(zhǔn)相比);或者反過來說，能夠在同樣的視頻質(zhì)量下降低比特率。

　　H.264 是 ITU、ISO 和 IEC 首次在視頻壓縮方面聯(lián)合制定的一個(gè)通用國際標(biāo)準(zhǔn)。由于其具有高度的靈活性，H.264 已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，例如：高清 DVD(例如藍(lán)光)、數(shù)字視頻廣播(包括高清 TV)、在線視頻存儲(chǔ)(例如 YouTube)、3G 移動(dòng)電話、軟件(例如 QuickTime、Flash 和蘋果計(jì)算機(jī)公司的 MacOS X 操作系統(tǒng)等)，以及家用電視游戲機(jī)(例如 PlayStation 3等)。在眾多行業(yè)的支持下，以及在為滿足個(gè)人消費(fèi)者和專業(yè)用戶需求的應(yīng)用的推動(dòng)下，H.264 有望取代當(dāng)今市場中使用的其它壓縮標(biāo)準(zhǔn)和方法。

　　隨著 H.264 格式更加廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、視頻編碼器和視頻管理軟件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)商和集成商將需要確保他們所選擇的產(chǎn)品和廠商能夠支持這一全新的開放標(biāo)準(zhǔn)。就目前來說，能夠同時(shí)支持 H.264 和 M-JPEG 的網(wǎng)絡(luò)視頻產(chǎn)品具有最高的靈活性和集成能力，因此是用戶的理想選擇。

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