IPTV編解碼標準綜述
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2 H.264標準簡(jiǎn)介
2003年，ITU-T通過(guò)了一個(gè)新的數字視頻編解碼標準，即H.264標準，H.264是由ISO/IEC與ITU-T組成的聯(lián)合視頻組(JVT)制定的新一代視頻壓縮編解碼標準。國際電信聯(lián)盟將該系統命名為H.264/AVC，國際標準化組織和國際電工委員會(huì )將其稱(chēng)為14496-10/MPEG-4 AVC。
H.264標準只有三個(gè)子集：基本子集、主體子集和擴展子集?；咀蛹菍?zhuān)為視頻會(huì )議應用設計的，這套標準幾近完美，能夠提供強大的差錯隱消技術(shù)（應用該技術(shù)，即使在Internet這樣的易錯網(wǎng)絡(luò )上也可以得到較好的視頻效果），并且支持低延時(shí)編/解碼技術(shù)，使視頻會(huì )議顯得更自然。主體子集和擴展子集更適合于電視應用（數字廣播、DVD）和延時(shí)顯得并不很重要的視頻流應用。
H.264標準的關(guān)鍵技術(shù)如下：
（1）幀內預測編碼
幀內編碼用來(lái)縮減圖像的空間冗余。為了提高H.264幀內編碼的效率，在給定幀中充分利用相鄰宏塊的空間相關(guān)性，相鄰的宏塊通常含有相似的屬性。因此，在對一給定宏塊編碼時(shí)，首先可以根據周?chē)暮陦K預測，然后對預測值與實(shí)際值的差值進(jìn)行編碼，這樣，相對于直接對該幀編碼而言，可以大大減小碼率。H.264提供6種模式進(jìn)行4×4像素宏塊預測，包括1種直流預測和5種方向預測，H.264也支持16×16的幀內編碼。
（2）幀間預測編碼
幀間預測編碼利用連續幀中的時(shí)間冗余來(lái)進(jìn)行運動(dòng)估計和補償。H.264的運動(dòng)補償支持以往的視頻編碼標準中的大部分關(guān)鍵特性，而且靈活地添加了更多的功能，除了支持P幀、B幀外，H.264還支持一種新的流間傳送幀——SP幀，碼流中包含SP幀后，能在有類(lèi)似內容但有不同碼率的碼流之間快速切換，同時(shí)支持隨機接入和快速回放模式。
?。?） 整數變換
在變換方面，H.264使用了基于4×4像素塊的類(lèi)似于DCT的變換，但使用的是以整數為基礎的空間變換，不存在反變換。與浮點(diǎn)運算相比，整數DCT變換會(huì )引起一些額外的誤差，但因為DCT變換后的量化也存在量化誤差，與之相比，整數DCT變換引起的量化誤差影響并不大。此外，整數DCT變換還具有減少運算量和復雜度，有利于向定點(diǎn)DSP移植的優(yōu)點(diǎn)。
（4）量化
H.264中可選32種不同的量化步長(cháng)，這與H.263中有31個(gè)量化步長(cháng)很相似，但是在H.264中，步長(cháng)是以12.5%的復合率遞進(jìn)的，而不是一個(gè)固定常數。在H.264中，變換系數的讀出方式也有兩種：之字形(Zigzag)掃描和雙掃描，大多數情況下使用簡(jiǎn)單的之字形掃描；雙掃描僅用于使用較小量化級的塊內，有助于提高編碼效率。
（5）熵編碼
視頻編碼處理的最后一步就是熵編碼，H.264標準采用的熵編碼有兩種：一種是基于內容的自適應變長(cháng)編碼(CAVLC)與統一的變長(cháng)編碼(UVLC)結合；另一種是基于內容的自適應二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)。CAVLC與CABAC根據相臨塊的情況進(jìn)行當前塊的編碼，以達到更好的編碼效率。CABAC比CAVLC壓縮效率高，但要復雜一些。
3 AVS標準簡(jiǎn)介
AVS是基于我國創(chuàng )新技術(shù)和部分公開(kāi)技術(shù)的自主標準，AVS標準包括系統、視頻、音頻、數字版權管理等四個(gè)主要技術(shù)標準和一致性測試等支撐標準。2002年，在信息產(chǎn)業(yè)部支持下，成立了“數字音視頻編解碼技術(shù)標準”工作組（簡(jiǎn)稱(chēng)AVS工作組），2003年，國家發(fā)展和改革委員會(huì )批準了《數字音視頻編解碼技術(shù)標準AVS研究開(kāi)發(fā)與測試驗證重大專(zhuān)項》。在國內外上百家企業(yè)和科研單位共同參與下，AVS標準制定工作進(jìn)展順利，其中最重要的視頻編碼標準于2005年通過(guò)國家廣電總局測試，2006年1月得到信息產(chǎn)業(yè)部批準，2月國家標準化管理委員會(huì )正式頒布，3月1日起實(shí)施。
AVS視頻編解碼的核心技術(shù)包括：8x8整數變換、量化、幀內預測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預測運動(dòng)補償、二維熵編碼等。
（1）變換量化
AVS的8x8變換與量化可以在16位處理器上無(wú)失配地實(shí)現，從而克服了H.264之前所有視頻壓縮編碼國際標準中采用的8x8 DCT變換存在失配的固有問(wèn)題。而H.264所采用的4x4整數變換在高分辨率的視頻圖像上的去相關(guān)性能不及8x8的變換有效。AVS采用了64級量化，可以完全適應不同的應用和業(yè)務(wù)對碼率和質(zhì)量的要求。
（2）幀內預測
AVS的幀內預測技術(shù)沿襲了H.264幀內預測的思路，用相鄰塊的像素預測當前塊，采用代表空間域紋理方向的多種預測模式。但AVS亮度和色度幀內預測都是以8x8塊為單位的。亮度塊采用5種預測模式，色度塊采用4種預測模式，而這4種模式中又有3種和亮度塊的預測模式相同。在編碼質(zhì)量相當的前提下，AVS采用較少的預測模式，使方案更加簡(jiǎn)潔、實(shí)現的復雜度大為降低。
（3）幀間預測
幀間運動(dòng)補償編碼是混合編碼技術(shù)框架中最重要的部分之一。AVS標準采用了16×16，16×8，8×16和8×8的塊模式進(jìn)行運動(dòng)補償，而去除了H.264標準中的8×4，4×8，4×4的塊模式，目的是能更好地刻畫(huà)物體運動(dòng)，提高運動(dòng)搜索的準確性。實(shí)驗表明，對于高分辨率視頻，AVS選用的塊模式已經(jīng)能足夠精細地表達物體的運動(dòng)。較少的塊模式，能降低運動(dòng)矢量和塊模式傳輸的開(kāi)銷(xiāo)，從而提高壓縮效率、降低編解碼實(shí)現的復雜度。
AVS和H.264都采用了1/4像素精度的運動(dòng)補償技術(shù)。H.264采用6抽頭濾波器進(jìn)行半像素插值并采用雙線(xiàn)性濾波器進(jìn)行1/4像素插值。而AVS采用了不同的4抽頭濾波器進(jìn)行半像素插值和1/4像素插值，在不降低性能的情況下減少插值所需要的參考像素點(diǎn)，減小了數據存取帶寬需求。
在傳統的視頻編碼標準中，雙向預測幀B幀都只有一個(gè)前向參考幀與一個(gè)后向參考幀，而前向預測幀P 幀則只有一個(gè)前向參考幀。AVS中P幀可以利用至多2幀的前向參考幀，而B(niǎo)幀采用前后各一個(gè)參考幀，P幀與B幀（包括后向參考幀）的參考幀數相同，其參考幀存儲空間與數據存取的開(kāi)銷(xiāo)并不比傳統視頻編碼的標準大，而恰恰是充分利用了必須預留的資源。AVS的B幀的雙向預測使用了直接模式(direct mode)、對稱(chēng)模式(symmetric mode)和跳過(guò)模式(skip mode)。使用對稱(chēng)模式時(shí)，碼流只需要傳送前向運動(dòng)矢量，后向運動(dòng)矢量可由前向運動(dòng)矢量導出，從而節省后向運動(dòng)矢量的編碼開(kāi)銷(xiāo)。對于直接模式，當前塊的前、后向運動(dòng)矢量都是由后向參考圖像相應位置塊的運動(dòng)矢量導出，無(wú)需傳輸運動(dòng)矢量，因此也可以節省運動(dòng)矢量的編碼開(kāi)銷(xiāo)。跳過(guò)模式的運動(dòng)矢量的導出方法和直接模式的相同，跳過(guò)模式編碼的塊運動(dòng)補償的殘差為零，即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號，而不需要傳輸運動(dòng)矢量、補償殘差等附加信息。
（4）熵編碼
AVS熵編碼采用自適應變長(cháng)編碼技術(shù)，在A(yíng)VS熵編碼過(guò)程中，所有的語(yǔ)法元素和殘差數據都是以指數哥倫布碼的形式映射成二進(jìn)制比特流。采用指數哥倫布碼的優(yōu)勢在于：一方面，它的硬件復雜度比較低，可以根據閉合公式解析碼字，無(wú)需查表；另一方面，它可以根據編碼元素的概率分布靈活地確定以k階指數哥倫布碼編碼，如果k選得恰當，則編碼效率可以逼近信息熵。對預測殘差的塊變換系數，經(jīng)掃描形成（level、run）對串，level、run不是獨立事件，而存在著(zhù)很強的相關(guān)性，在A(yíng)VS中level、run采用二維聯(lián)合編碼，并根據當前l(fā)evel、run的不同概率分布趨勢，自適應改變指數哥倫布碼的階數。
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