H264与AVS视频标准核心技术比较.pdf

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1、技 术 应 用 H 2 6 4与 A V S POL YCOM 宝利通极致高清视频会议系统 视频标准核 技术比较 文 中国科 学院 电信研 究所 刘翼 光 视 频 编 码 技 术 在 过 去 几 年 最 重 要 的 发 展 之 一 是 由 I T u和I S 0 I E C的联合视频小组(J VT)开发了H 2 6 4 MP E G一 4 AV C【8】标 准。在 发展过 程中，业界为这种新标准取 了许 多不同 的名称。I T u 在 1 9 9 7年开始 利用 重要 的新编码工 具处理 H 26 L(长期)结果令人 鼓舞 于是 I S 0 决定联 手 I T u 组建 J VT并采 用一个

2、通用 的标准。因此，大 家有 时会 听 到有 人将 这项 标准 称 为 J VT，尽管 它并非 正 式名 称。I Tu在 2 0 0 3年 5月批准了新的 H 2 6 4标准。I S O在 2 0 0 3 年 1 0月 以MP EG一 4 P a r t 1 0、高级 视频编码或 AVC的名称 批 准 了该 标 准。H 2 6 4 实现的改进创造了新的市场机遇 H 2 6 4 A VC在压缩效率方面取得 了巨大突破，一般情 况下达到 MP E G 一 2及 MP E G一 4简化类压缩效率 的大约 2倍。在 J VT进行 的正 式测试 中 H 2 6 4在 8 5个测试 案例 中有 7 8 的

3、案例 实现 1 5倍 以上 的编码 效率提高，7 7 的案例 中达 到 2倍 以上，部分 案例 甚至高达 4倍。H 2 6 4 实现 的 改进创造 了新 的市场机遇，如：6 0 0 Kb p S的 VHS品质视 频 可 以通 过 AD S L线路 实 现视 频点 播；高清 晰 电影无 需 新 的激 光头 即可适 应普 通 DVD。H 2 6 4标准化 时支持三 个类别：基本 类、主类及扩 展 类。后 来一项 称为高保 真范 围扩 展(F RE x t)的修 订弓 1 入 了称 为高 级 类 的 4个 附加 类。在 初 期 主要 是 基本 类 和主 类 引起 了大 家 的兴 趣。基 本类 降 低

4、 了计 算 及 系统 内存 需 求 而 且 针 对低 时 延进 行 了优 化。由于 B 帧 的内在 时 延 以及 CAB AC的计算复杂 性 因此它不包括这 两者。基本 类 非 常适 合 可视 电话 应 用 以及 其他 需 要低 成 本 实 时编 码 的 应 用。主类 提 供 的 压 缩效 率 最 高 但 其要 求 的处理 能 力 也 比基 本 类 高许 多，因此使 其 难 以 用于 低成 本 实 时编 码 和 低 时 延 应 用。广 播 与 内容 存储 应 用 对 主类 最 感兴 趣 它 们 是 为 了 尽 可 能 以最 低 的 比特 率 获 得 最 高 的视 频 质量。尽管 H 2 6 4

5、采 用与旧标准相 同的主要 编码 功能，不过 它还 具 有许 多与 旧标 准 不 同 的新 功 能 它们 一起 实 现 了 中国多媒体通信岛 ，维普资讯 http:/ 、T oc hN Ol o gy 、技 术 技 术 应 用 编码 效 率 的提 高。其 主要 差 别，概 述 如 下：帧 内预测 与编码：H 2 6 4采用空域 帧内预测技 术来预 测相邻块邻近像 素的 I n t r a MB 中的像素。它对预测残 差 信号 和预测模 式进行 编码，而不 是编码 块 中的实 际像 素。这 样可 以显 著提 高 帧 内编 码效 率。帧问预测 与编码：H 2 6 4中的帧间编码采用 了旧标准 的主

6、要 功能，同时 也增 加 了灵 活性 及 可操 作性 包括 适 用 于 多种功 能 的几 种块 大小 选项 如：运 动补 偿、四分 之一像素运动补偿、多参 考帧、通用(g e n e r a l i z e d)双向 预 测 和 自适应 环 路 去块。可 变 矢量 块 大小：允许 采用 不 同块 大 小执 行 运动 补 偿。可以为小至 4(4的块传输单个运动矢量 因此在双 向预测 情况下 可 以为单个 MB 传输 多达 3 2个运 动 矢量。另外还支持 1 6(8 8(1 6、8(8、8(4和 4(8的块大1 J、。降低 块大 小可 以提 高 运动 细 节 的处理 能 力，因而提 高 主 观

7、质量 感 受，包括 消 除 较 大 的块化 失真。四分之 一 像素 运 动估 计：通过 允 许 半像 素 和 四分 之 一像素 运 动 矢量分 辨 率 可 以改 善运 动 补偿。多参考 帧预测 1 1 6个不 同的参 考帧 可 以用于 帧 间编 码，从而可 以改善视 频质 量的 主观感 受并提 高编码效 率。提供 多个参考 帧还有助 于提 高 H 2 6 4位流的容错能力。值 得 注意 的是，这种 特 性会增 加 编码 器 与解 码器 的 内存 需 求，因 为必 须在 内存 中保 存 多个 参 考帧。自适应环路去块 滤波器：H 2 6 4采用一 种 自适应解块 滤波器 它会 在预 测 回路 内

8、对 水 平和 垂 直 区块边 缘进 行 处理，用于 消除 块预 测误 差造 成 的 失真。这种 滤波 通 常 是基于 4(4块 边界 为运算 基础，其 中边 界各边 的 3个 像 素可 通过 4级滤 波器 进行 更新。整数 变换：采 用 DC T 的早期标 准必 须为逆 变换 的 固 点 实 施 来 定 义 舍 入 误 差 的容 差 范 围。编码 器 与 解 码 器 之 间的 I DcT 精度 失配 造成 的漂移 是质 量损 失的 根源。H 2 6 4利用整数 4(4空域 变换解决 了这一 问题一 这种 变换是 DCT的近 似值。4(4的小 区块还 有助于减少阻塞 与振 铃 失 真。量化 与

9、变换 系 数 扫描：变换 系数通 过 标 量量 化 方 式 得到 量化，不产 生加 大 的死 区。与 之前 的标 准 类似，每 个 MB都 可选择 不同的量化步 长，不过步长 以大约 1 2 5 的复 合速 率增 加，而 不 是 固定递 增。同时，更 精细 的 量 化 步长 还可 以用于 色度 成 分，尤 其是 在粗 劣 量化 光度 系 数 的 情 况 下。熵 编 码：与 根 据 所 涉 及 的数 据 类 型 提 供 多 个 静 态 VL C表 的先前标准不 同，H 2 6 4针对变换系数采用上下文 自适应 VLC同时 针对 所有 其他 符号 采 用统一 的 VLC (Un i v e r s

10、 a l VL C)方法。主类还 支持新的上下文自适应二 进 制算术编码器(C A B AC)。C AVL C优于 以前的 V L C实 施 不过成 本却 比 VLC 高。c AB AC利用编码器 和译 码器的机率模 型来 处理所有 语 法元素(s y n t a x e l e me n t s)包括：变换系数和运动 矢 量。为 了提 高算 术 编码 的 编码效 率，基本 概率 模 型通过 一种 称 为上 下 文建 模 的方法 对视 频 帧 内不 断 变换 的统计 进行 适应。上 下文 建模 分 析提 供编 码 符号 的 条件概 率 估 计值。只要 利 用适 当 的上 下文 模型，就 能根

11、据待 编码 符 号 周 围 的 已编 码 符号，在 不 同 的概 率 模 型 间进 行 切 换，进 而 充份 利 用符 号 间的冗 余 性。每 个语 法 元素 都可 以保 持 不 同 的模 型(例 如，运动 矢 量和 变 换 系数具 有不 同 的 模型)。相较于 V L C熵编码方法(U V L C C A V L C)，C A B A C 能多节省 1 0 b i t 速率。加 权 预 测 它利 用前 向 和后 向 预 测 的加权 总 和建 立 对双 向内插 宏 模块 的预 测，这样 可 以提 高场 景 变化 时的 编 码效 率 尤 其是 在 衰 落情 况 下。保 真度范围扩 展2 0 0

12、4年 7月，H 2 6 4标 准增加 了称 为保 真度范 围扩展(F RE x t)1 1】的新修 订。这次 扩展在 中国 多媒 体 通 信 维普资讯 http:/ 技 术 应 用 神D ig 州tta t数 C h码in a H 2 6 4中添 加了一 整套工 具 而且 允许采 用附加 的色域、视 频格 式 和 位深 度。另外 还 增 加 了对 无 损帧 间编码 与立 体显 示视频 的支持。F RE x t 修 订版在 H 2 6 4中引入 了 4种 新类，即：Hi g h P r o f i l e(HP)：用于标准 4：2：0色度采样 每 分量 8位彩 色。此类 引入 了新 的 工具一

13、一 随后 详 述。Hi g h 1 0 P r o f i l e(Hi l O P)：用于更高清晰度视频 显 示 的标准 4：2：0 色度采样，1 0位彩色。H i g h 4：2：2 1 0 b i t c o l o r p r o f i l e(H 4 2 2 P)：用于源编辑 功 能。H i g h 4：4：4 1 2 b i t c o l o r p r o fi l e(H 4 4 4 P)：最高品质 的 源 编辑 与 色彩 保 真 度，支持 视频 区域 的 无损 编 码 以及 与 新 的整数色域 变换(从 RGB到 YUV 及黑色)。在新的应用领域 中 H 2 6 4 HP

14、对 广播与 DVD尤 为有 利。某些试验显示 出 H 2 6 4 HP的性能 比 MP E G 一 2 提 高 了 3倍。下面介 绍 H 2 6 4 HP中引入 的主要 附加工具。白适应 残 差块大 小与 整数 8(8变换：用于 变换 编 码 的残差块可 以在 8(8与 4(4之 间切换。引入 了用 于 8(8 块 的新 l 6位 整 数 变换。较 小 的块 仍 然可 以采 用 以前 的 4 (4变换。8(8亮度 帧内预 测：增加 了 8种 模式，除 之前 的 1 6 (1 6和 4(4块 以外，使 亮度 内部宏模块 还能够 对 8(8块 进 行 帧 内预 测。量化加 权：用于 量化 8(8变

15、换 系数 的新量 化加 权矩 阵。单 色 支持 黑 白视 频 编码。AVS 2 0 0 2年，中 国信 息 产 业 部成 立 的音 视 频 技 术 标 准(AVS)工 作组 宣布准备针对移 动多媒体、广播、DVD等 应 用编写一份 国家标 准。该视 频标准 称为 AVs 1 4】，由 两个相 关部 分 组成 针对 移 动视 频应 用 的 AVs M 和 针对 广播与 DVD的 AVS 1 0。AVS标准与 H 2 6 4相似。AVS1 0同时支持 隔行和逐行扫描模 式。AVS中 P帧 可 以利 用 2帧 的 前 向参考 帧，同 时允许 B 帧采 用 前后 各 一个帧。在隔 行模式 下，4个场可

16、 以用作参考。可 以仅在 帧 级执 行隔行 模式 中 的帧 场编 码，这 一点 与 H 2 6 4不 同，其 中允许此选项 的 MB级 白适应。A Vs具 有与 H 2 6 4 目 应用 网络 联盟 W W W o n e t n e t c r l 相似 的环 路 滤 波器，可 以在 帧级 关 闭。另外 B 帧 还 无 需 环 路 滤 波器。帧 内预测 是 以 8(8块 为单 位进 行。MC 允许 对亮 度 块进行 1 4象素补偿。ME的块大小可以是 1 6(1 6、1 6(8、8(1 6或 8(8。变换方式是基于 l 6位 的 8(8整数变换(与 WMV9 相似)。VL C是基 于上 下文

17、 白适应 2 D运 行 级别编 码。采 用 4个 不 同的 E x p Go l o mb编码。用于每个 已量 化 系数的编码 白适应到相 同 8(8块 中前面的符号。由于 E x p Go l o mb表是参 数化 的表，因此 表较小。用于逐 行视频序 列的 AVS 1 0的视频质量在相 同比特 率时稍逊 于 H 2 6 4主 类。AVS M 主要针对移动视频应 用 与 H 2 6 4基本规范存 在交 叉。它仅 支持逐 行视频、I与 P帧，不 支持 B帧。主 要 AVS M 编码工具 包括基于 4(4块 的帧 内预测、1 4象 素运动 补 偿、整数 变换与 量化、上 下文 白适应 VLC 以

18、及 高 度 简化 的环 路 滤 波器。与 H 2 6 4基本规范相 似 AVs M 中的运动矢量块大 小 降至 4(4，因此 MB 可拥有 多达 1 6个 运动矢量。采用 多 帧预测，但仅 支持 2个参考 帧。此外，AVs M 中还定 义 了 H 2 6 4 H R D S E I 消息的子集。AVs M 的编码 频率 约 为 0 3 d B，在 相 同设 置 下稍 逊 于 H 2 6 4基本规 范，而解 码 器 的复 杂性 却降 低 了大 约 2 0。H 2 6 4和 A VS的背景 H 2 6 4 MP EG一 4 AVC是 I T u T的 VCG(Vi d e o Co d i n g

19、 E x p e r t s Gr o u p)和 I s 0 I E C的 MP EG(Mo v i n g P i c t u r e E x P e r t S Gr o u p)联合 开发 的新一代视 频编码标 准。应用范 围包 括可视 电话、视频会议等。H 2 6 4的主要特色就 是极 大 的提高 了压 缩率，是 MP E G一 2及 MP E G一 4压缩效率 的一 倍 以上。H 2 6 4核心技 术与之前标 准相 同，仍采 用基 于预 测 变换 的混 合 编码 框 架，但 是在 细 节 的实 现 上有 很 大 不 同，就 是细 节 上 的改 进 导致 压 缩效 率 极 大得 提

20、高。而 且 新 一代 视频 编码 标 准 H 2 6 4具 有 良好 的 网络 适应 性和 容 错 等特 点。AVs的诞生可 以说是一个 历史的机遇，面对 H 2 6 4以 及 MP E G一 2等 标准 高额 的专利费，我国数字视频产 业面临 严 重挑 战。加 上我 国致 力 于提 高 国 内数 字 音视 频产 业 的 核心 竞争 力，由国家信 息产 业部 科 学技术 司于 2 0 0 6年 6 一 中国多媒体通信(维普资讯 http:/，Te chn oI ogy 技 术 技 术 应 用 月 批准成立 了 数字 音视频 编解码 技术标准 工作组 联 合 国 内从事 数字 音视 频编 解码

21、技 术研 发 的科研 机 构和 企 业 针 对我 国音 视 频产 业 的需 求 提 出 了我 国 自主 知识 产权 的信源 编码 标准一 一 信 息技 术先进 音视 频编 码 系列标准 简称 AV S(a u d i o v i d e o c o d i n g s t a n d a r d)自主 的 AVs标准在技术 和性能上 处于 国际先进水平 如果抓 住这 次机 遇，我 国在技 术 一专 利 一标准 一芯片 一系 统 产 业这 个产 业 链上 就 有可 能 具 有全 面 的主 动 权。H 2 6 4和 A V S核心技术分析及对比 H 2 6 4和 以前 的标准一样 还是 采用的混合

22、编码 的框 架，AVs视频标准采 用 了与 H 2 6 4类似 的技术 框架，包 括 变换、量 化、熵 编码、帧 内预 测、帧 间预 测、环 路滤 波等 模块。他们 核 心 技 术的 不 同包 括 以下 几 点：1 变换和量化 H 2 6 4对残差数据采用基 于块的变换编码 去除原始 图像 的空 间 冗余 使 图像 能 力集 中在 小部分 系数上，直 流 系数值 一般 来说 是 最大 的，这 样可 以提 高压 缩 比、增 强抗干扰能力。先前标准一般采用DcT变换 这种变换 的缺 点是 会 出现 失 配现 象 原 始数 据经 过 变换和 反 变换 恢 复后 会 有 一 个 差值 由于 是 实 数

23、 运 算 计 算 量 也 比较 大。H 2 6 4采用 的是 基于 4 4块 的整 数变换。Avs采用 88的整数 变换，可 以在 1 6位处理器 上 无 失配 地实 现。对 高 分 辨率 的视 频 图像去 相 关 性要 比 4 4变换有效，采用 了 6 4级 量化，可 以适应 不 同的应用 和 业务 对码 流 和 质量 的要 求。2 帧内预测 H 2 6 4和 A VS技术都采用帧 内预测的方式 用相邻 的 像 素预 测 当前 块，采 用 代 表 空 间 域 纹 理 的 多种 预 测 模 式。H 2 6 4的亮度预测有 44 块和 1 61 6块 2 种预测方 式，对于 44的块：从 一 1

24、 3 5度到+2 2 5度方 向加上一 个直流预 测一 共是 9种预 测方向：对于 1 6 1 6块：有 4 种预测 方向。色度预测是 8 8块，有 4种预 测模式，类 似于帧内 1 61 6预测的 4种模式，其中 DC为模式 0、水 平 为模式 1、垂直 为模式 2、平面 为模式 3。3 帧问预测 H 2 6 4帧问预测是利 用以编码视频帧和基于 块的运 动 补偿 的预 测模 式，与 以往 标准 帧 间预 测的 区 别在 于块 尺 寸范 围更广、亚 像素 运动矢 量 的使 用和 多参考 帧 的运 用。H 2 6 4有 1 61 6、1 68、81 6、88、84、4 8和 44一共 8种宏

25、块及子 宏块划分，而 AVS只有 1 6 1 6、1 68、8 l 6和 88一共 4种宏块划分方式。H 2 6 4支持使用多个不同的参考帧对帧问宏块和片进 行预 测 AVs中 P帧可 以利用 至多 2帧的前 向参考 帧 B 帧 采 用 前后 各 一 个参 考 帧。4 熵编码 H 2 6 4制定 了基于信 息量的熵编码效率，一种是 对所 有的待 编码 的符号 采用统一 的可 变长 编码(uVLC)，另 一种是 采用基于 内容 的 自适应二进制算 术编码(CA BAC，C o n t e x t A d a p t i v e B i n a r y A r i t h me t i c C o

26、 d i n g)，大大减少了 块编码相 关性冗余 提高 了编码 效率。UVL C计算复杂度 较 低 主 要针 对 对编 码 时 间很 严格 的 应用，缺 点就是 效 率低，码率较高。C ABA C是一种效率很高 的熵编码方法 其 编码效 率比 UV L C编码高 5 0。AVs熵编码 采用 自适 应变长编码技 术。在 AVS熵 编 码过程中，所有的语法元素和残差数据都是 以指数寄伦 布码 的 形 式 映射 成 二进 制 比特流。采 用 指 数哥 伦 布码 的优 势在 于：一 方 面。它的硬 件 复杂 度 比较 低 可 以根据 闭合公式 解析码 子，无需查表；另 一 方面，它可 以根 据 编码

27、 元 素 的概 率分 布 灵活 地确 定 以 K 阶 指数 哥伦 布码 编码，如 果 K 选得 恰 当，则 编码效 率 可 以 逼近 信 息 熵。对预测残差的块变换系数，经扫描形成(1 e v e l、r u n)对串，l e v e l、r u n不是独立事件，而存在着很强的相关性 在 A VS中 l e v e 1 r u n 采用二维联合编码，并根据 当前 l e v e l、r u n的不 同概率分 布趋势，自适 应改 变指数 哥伦布码 的阶 数。另外，在 AVS中没有 s I、S P帧。可 以这样说，AV S 是在 H 2 6 4的基础上发展起来 的，吸收 了 H 2 6 4的精华 但 为了绕过专利 的困扰，又不得不放弃 H 2 6 4的一些核心 算 法。换来 的代 价 就是，编 码效 率稍 微 降 低一 点 的情况 下，复 杂 度极 大 得 降低 了。AVs是 我 国 自主知 识产 权 的标准，现 在还 没有 大规 模使 用，处在 起 步 阶段。大多 数企 业 处 于观 望状 态，没 有 资金 大 量投 入，面 临重 重 困难，但 是 它 的广 阔前 景是 不 容忽 视 的，又 有 国 家的 大 力支持，一 定会 发展 的 更加 完 美。C M M C 中 国 多 媒 体 通 信 维普资讯 http:/