H.264/MPEG-4 Part 10 White Paper 译(一) Overview

H.264概览

1. 引言

数字电视和DVD-video的出现使得广播电视和家庭娱乐发生了彻底的变革.越来越多的这些应用成为可能随着视频压缩技术的标准化.MPGE系列的下一个标准,MPEG4,正使得新一代的基于因特网的视频应用成为可能.而现在视频压缩的ITU-T H.263标准被广泛的应用于视频会议系统．

MPEG4(视频)和H.263都是基于视频压缩(视频编码)技术的标准(大约从1995年开始).运动图像专家组和视频编码专家组(MPEG和VCEG)致力于开发一个比MPEG4和H.263有更好性能的新标准,有着高品质,低比特视频流的特性一个更好的视频图像压缩方法.新标准"高级视频编码"(AVC)的历史可追溯到7年前.

1995年,为了通过电话线传输视频信号而制定的H.263标准定稿以后.ITU-T视频编码专家组(VCEG)就开始工作在两个更深入的发展领域:一个是"短期"的努力去增加H.263的额外特性(制定出标准的版本2),还有一个"长期"的努力,去开发一个适用于低比低率下可视通信的新标准,提供比之前的ITU-T标准更有效,明显更好的视频压缩方法.2001年,ISO运动图像专家组(MPEG)意识到H.26L的潜在优点,就组成了视频联合工作组(JVT),包括MPEG和VCEG的的专家.JVT的主要任务就是将H.26L"模式"草案发展成为一个完全的国际标准.实际上,结果产生了两个标准:ISO MPEG4第10部分和ITU-T H.264. 新标准的官方命名是"高级视频编码"(AVC);然而,旧的命名H.26L和以ITU文档号命名的IH.264[1]更广为人知.

2. H.264 编解码器

和之前的标准一样(如MPEG1,MPEG2和MPEG4),H.264标准草案并没有明确定义一个编解码器.在一定程度上,标准定义了视频比特流编码和与之相对应的解码方法的语法.然而实际上,一个符合的编码和解码器一般包括如图Figure 2-1 和Figure 2-2中所示的功能模块.同时这些图中所示功能通常是必须的,但编解码器还是可以有相当多的变种.基本的功能模块(预测,传输,量化,熵编码)与之前的标准(MPEG1,MPEG2,MPEG4,H.261,H.263)差不多.H.264的最重要的变化是在这些功能模块的实现细节上.

编码器包括两个数据流路径.一个"前向"路径(从左到右,以蓝色表示)和一个"重构"路径(从右到左,以洋红色表示).解码器的数据流路径以从右到左的方式表示,以此来说明编码器和解码器之间的相同点.

2.1 编码器（前向路径）

当一个输入帧Fn被提交编码。该帧以宏块（相当于16X16像素的原始图像）为单位来进行处理。 每个宏块被编码成帧内模式或帧间模式。在这两种情况下，会产生一个基于重建帧的预测宏块P。在帧内模式下，P根据之前已经编码，解码，重建的当前帧n中的采样产生（图中以uF’n表示。注意是未经过滤的采样用来产生P）。在帧间模式下，P根据采用一个或多个参考帧的运动补偿预测来产生。在图中，参考帧表示为之前已经编码的帧F’n-1；然而，每个宏块的预测可能根据过去或将来（以时间为序）的一或多个已经编码并重构的帧来产生。

预测P被从当前宏块中减去来产生一个残留的或差异宏块Dn。它以量化变换系数集X变换（使用块变换）并量化.这些系数被重新排序并进行熵编码。在宏块解码时需要的熵编码系数和边信息（如宏块预测模式，量化步长，描述宏块如何运动补偿的运动矢量等等）组成了压缩的比特流。它被传输到了网络抽象层（NAL）进行传输或保存。

2.2 编码器（重建路径）

为了编码更进一步的宏块，需通过解码宏块量化系数X来重建一帧。系数X被重新调整（Q-1)并且进行逆变换（T-1）来产生一个不同的宏块Dn’，这与原始的差异宏块Dn不同；它在量化过程中有了损耗，所以Dn’是Dn的一个失真版本。

预测宏块P被加到Dn’中来创建一个重建宏块uF’n（原始宏块的一个失真版本）。为了减少阻断失真的影响使用了一个滤镜，重建参考帧从一系列的宏块F’n中创建。

2.3 解码器

解码器从NAL（网络抽象层）接收压缩的比特流。数据元素被熵解码并且重新排列来产生一个量化系数集X。它们被重新调整并进行逆转换来生成Dn’（与编码器中所示的Dn’相同）。使用比特流中解码出的头部信息，解码器生成一个预测宏块P，与在编码器中生成的原始预测帧P相同。P被加到Dn’中来生成uFn’，uF’n经过过滤生成了解码的宏块Fn’。

编码器的重建路径应该从图示和上面的讨论中清除，它实际上是为了确保编码器和解码器使用相同的参考帧来生成预测帧P。如果不这样做，编码器和解码器中的预测帧P就不会相同，导致编码器和解码器之间存在一个越来越大的误差或是“偏移”。

3．参考资料

1 ITU-T Rec. H.264 / ISO/IEC 11496-10, “Advanced Video Coding”, Final Committee Draft, Document JVTE022,September 2002