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【H.264/AVC视频编解码技术详解】二. 主流视频编码标准的发展

简介: 《H.264/AVC视频编解码技术详解》视频教程已经在“CSDN学院”上线,视频中详述了H.264的背景、标准协议和实现,并通过一个实战工程的形式对H.

《H.264/AVC视频编解码技术详解》视频教程已经在“CSDN学院”上线,视频中详述了H.264的背景、标准协议和实现,并通过一个实战工程的形式对H.264的标准进行解析和实现,欢迎观看!

“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,只有自己按照标准文档以代码的形式操作一遍,才能对视频压缩编码标准的思想和方法有足够深刻的理解和体会!

链接地址:H.264/AVC视频编解码技术详解

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一. 主流视频编码标准的发展

长期以来,视频编码标准主要由两个国际组织负责制定:国际电信联盟ITU-T国际标准化组织ISO。目前影响力最强的视频编码标准基本均出自这两个组织:

除了上述两个组织之外,其他比较有影响力的标准还有:

  • Google:VP8/VP9;
  • Microsoft : VC-1;
  • 国产自主标准:AVS/AVS+/AVS2

二. H.261标准

H.261视频编码标准诞生于1988年,可谓是视频压缩编码发展的第一个里程碑。因为从H.261开始,视频编码方法采用了沿用至今的基于波形的混合编码方法。H.261标准主要目标是用于视频会议和可视电话等高实时性、低码率的视频图像传输场合。

在H.261标准产生的时代,由于各国的电视制式不一致,因此不能直接互通。为了解决数据源格式不兼容的问题,H.261定义了一种公共中间格式CIF(Common Intermediate Format)。编码的目标格式首选转换为CIF格式进行编码和传输,接收端进行解码后再转换为各自的格式。H.261规定的CIF格式视频的亮度分辨率为352×288,QCIF格式的亮度分辨率为176×144。

H.261视频编解码系统图:

H.261信源编码所采用的技术:

  1. 帧内编码/帧间编码判定:根据帧与帧之间的相关性判定——相关性高使用帧间编码,相关性低使用帧内编码。
  2. 帧内编码:对于帧内编码帧,直接使用DCT编码8×8的像素块。
  3. 帧间编码/运动估计:使用以宏块为基础的运动补偿预测编码;当前宏块从参考帧中查找最佳匹配宏块,并计算其相对偏移量(Vx, Vy)作为运动矢量;编码器使用DCT、量化编码当前宏块和预测宏块的残差信号;
  4. 环路滤波器:实际上是一个数字低通滤波器,滤除不必要的高频信息,以消除方块效应;

H.261码流复合器输出的码流结构:

经过H.261码流复合器输出的码流,总共可以分为四层,从上到下分别为帧层块组层宏块层块层。每一层按照不同的封装格式包含了头信息和下一层的结构。

  1. 帧层:由帧首和块组数据构成;帧首包括帧起始码( PSC)、帧计数码( TR)、帧类型( PTYPE)等;
  2. 块组层:由块组首和宏块数据组成;块组首包括组起始码( GBSC)、块组编号码( GN)、块组量化步长等;
  3. 宏块层(Macroblock,MB):由宏块首和块数据构成;宏块首包括宏块地址码、宏块类型、宏块量化步长、运动矢量数据、编码模式等;
  4. 块层:包括每个8×8块的DCT系数按之字形扫描后的熵编码码流,以块结束符结尾

三. H.263标准

H.263是相对于H.261的改进标准,同样以低码率视频通信为目标,但是具有更好的压缩效率。与H.261相比,H.263支持更多种分辨率的图像格式:

  • Sub-QCIF: 128×96
  • QCIF: 176×144
  • CIF:352×288
  • 4CIF:704×576
  • 16CIF:1480×1152

除了更多的分辨率选择之外,视频信源编码算法也相比H.261实现了多项改进。

  1. 运动矢量:相比于H.261,H.263的运动矢量分配更加灵活。在H.261中,每一个MB分配一个运动矢量;H.263中支持对每一个8×8像素块各自使用一个运动矢量。
  2. MV精度:H.261只支持整数像素的运动矢量,在H.263中运动矢量精度为1/2像素。
  3. 双向预测模式:H.263的帧间编码帧除了P帧之外,也支持B帧,使用前后双向预测模式。
  4. 熵编码:采用了算术编码,以较高的运算复杂度换取更高的编码效率。

四. MPEG-1标准

MPEG-1是国际标准化组织ISO下属的移动图像专家组负责制定的早期视频压缩标准,主要用于视频信息的存储、广播电视和网络传输应用。其中在VCD中保存的视频信息便使用MPEG-1标准进行压缩,其码率越为1.2~1.5Mb/s。

MPEG-1标准所支持的图像类型与H.263类似,支持I、B、P帧类型

  • I帧:帧内编码帧,采用帧内编码,可作为P/B帧的参考帧;
  • P帧:前向预测帧,采用帧间编码,以I/P帧作为参考帧;
  • B帧:双向预测帧,参考前后两个方向的参考帧;

在码流的结构上,MPEG-1采用了与H.261类似的分层码流结构。MPEG-1相比于H.261增加了条带层,每一个宏块所有的编码操作只能在一个条带内实现,条带层可以有效防止编码错误在一帧内扩散。MPEG-1标准的码流结构如下图所示:


五. MPEG-2标准

MPEG-2标准是ITU-T和ISO合作制定的编码标准,其视频部分也称作H.262标准,其标准编号为ISO-13818。ISO-13818是一系列标准的集合,包括了系统、视频、音频、一致性、参考软件等10个部分。MPEG-2标准在数字电视广播和音视频媒体容器等场合得到了广泛应用,常见的DVD视盘采用的就是MPEG-2视频编码方法。

MPEG-2格式的主要改进之处之一是支持支持逐行或者隔行扫描视频,使用基于帧或场的编码。在MPEG-2中,为适应隔行扫描视频信号的特点,在DCT、预测和运动估计算法中对帧和场进行了不同的处理。

另一方面,MPEG-2根据不同的编码工具定义了5个Profile:简单SP、主要MP、SNR可分级SNP、空间可分级SSP和高级HP。根据视频分辨率的不同定义了4个Level:低级LL、主级ML、高-1440级High1440和高级HL。

MPEG-2的码流分为三层:

  • 基本流:ES,由视频编码的视频基本流和音频编码的音频基本流构成
  • 打包基本流:PES,为音视频ES分别打包
  • 传输流、节目流:TS/PS,若干个PES进行复用后输出,分别用于传输和存储

在MPEG-2的ES流层中,其码流结构采用了类似MPEG-1码流结构的分层封装的方法:

  • 图像序列层:包括若干GOP,序列头包含起始码和序列参数等;
  • 图像组(GOP)层:包括若干图像,GOP头包括起始码、GOP标识等;
  • 图像层:包括若干个Slice,图像头中包括起始码和图像参数等;
  • 片(Slice)层:最小的同步单位,包括若干宏块,Slice头中包括起始码、片地址、量化步长等信息;
  • 宏块(Macroblock)层:由4个亮度块和2个色度块组成,宏块头包括地址、类型、MV等信息

六. MPEG-4标准

MPEG-4是ISO与1999年颁布的视频编码标准。同前任的MPEG-1和MPEG-2相比,MPEG-4更注重多媒体系统的交互性、灵活性和可扩展性。MPEG-4的标准编号为ISO-14496,也包括多个部分,如系统、视觉信息、音频、一致性等。

MPEG-4中最为显著的特点是采用了基于对象的编码。在MPEG-4中,一个视频对象主要定义为画面中分割出来的不同物体,每个物体由三类信息描述:运动信息、轮廓信息和纹理信息。MPEG-4通过编码这三类信息来实现对视频对象的编码。

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