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(多图) 新一代视频编码标准H,264/AVC的关键技术研究

张惠 张学武 张卓?? 2009年10月13日 ?? 收藏0

?  NALU类型(T)是一个5比特的子段,指出该NALU单元是32种不同类型中的哪一种。类型1~12已被H.264定义,类型24~31可由H.264以外的其他标准使用。RTP载荷规范将采用其中的某些值来表示包聚合和包分割。其他值被保留待将来使用。

  nal_reference_idc(R)用来标记该NALU在重建过程中的重要程度。0表示该NALU不会被用作参考帧,因此允许解码器或网关将之丢弃而不会引起错误传播。该值越高,表示该NALU中数据越重要。这就允许网络节点根据该值有力保护重要数据。

  forbidden_zero_bit(F)在编码过程中置为0,当网络节点鉴别出NALU中的比特错误时,可以将该位置1。由于网络环境不同,解码器可能对包含比特错误的NALU采取不同的操作,有的则干脆丢弃。for-biddenzerobit为这种操作提供了便利。

  一些使用包传输的网络能够直接使用NALUs,把他们直接作为H.223AL3SDUs或RTP包的载荷即可。然而,在一些面向码流的系统面前,如ITU-T的视频会议建议H.320和数字电视中的MPEG-2传输流等,需要比特或字节流的格式。因此,JVT标准定义了一种从NALUs到码流格式的变换,即把NALUs用起始码字封装起来,非常符合传统的视频编码标准,起始码的字长可以是16b或24b,这依赖于该NALU载荷的重要性。起始码字仅会出现在十字节对准的位置上,因此解码器可以扫描起始码字,用一种简单的u1向字节的内存复制操作把NALUs提取出来。

  为了防止字节流格式中的起始码字发生竞争现象,许多视频编码标准都非常谨慎地采用熵编码方式。由于JVT标准包含两种不同的熵编码模式,所以这种起始码字很少发生竞争现象。JVT依靠一种字节填充机制,即通过在NALU中可能产生起始码字竞争的位置上插入非零字节来避免出现竞争现象。为方便网关设计,在一些看起来不必要的环境,尤其是包传输网络中仍然执行字节填充。由于VCL-NAL接口仅仅是概念上的,所以为防止起始码字竞争,操作习惯上将其作为VCL熵编码的一部分执行。

  H.264视频流在误码、丢包多发的IP网络上传输,增强了H.264视频流的鲁棒性。为了减少传输差错,H.264视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像刷新来完成。空间同步由条结构编码(SliceStruc-turedCoding)来支持,同时为了便于误码以后的再同步,在一帧的视频数据中还提供了一定的重同步点。另外,帧内宏块刷新和多参考帧模式可以使编码器在决定宏块模式时不仅考虑编码效率,还考虑传输信道的特性。H.264中还定义了数据分割模式:图像首先进行分段,段内宏块数据划分为宏块头信息、运动矢量和DCT系数三部分,且三部分之间由标识符分隔。这样,解码器可较方便地检测出受损数据的类型,减少误码对图像质量造成的损伤。这种数据分割的模式也利于信道编码时进行不等保护,即对重要的数据进行等级较高的保护。快速码率控制可通过在宏块层改变量化精度予以实现。

  3H.264的性能分析

  通过实验来测试H.264的编码性能,并通过与H.263的比较,观察H.264的编码效率。

  3.1H.264与H.263编码性能比较

  本试验对Grenadier Guards序列进行测试,分别对H.264和H.263编码的保真度、PSNR、宏块编码比特数进行比较,结果如下:

  (1)保真度测试

  通过残差比较可以很清楚地看出,H.264重构帧和参考帧的残差比较平滑,基本没有斑点;而H.263的残差比较明显,尤其是在人物附近,由于运动量大,H.263使用半像素运动矢量估计,而H.264提高到1/4像素,在1/4像素的基础上再内插,得到1/8像素精度的运动矢量,大大提高了图像编码的质量,如图2所示。

图像编码的质量

  (2)PSNR测试(如图2)

  相对于H.263视频编码标准,H.264在其增强预测编码内容的方法上做了改进,如场、帧编码的自适应选择;变尺寸方块的运动补偿;高精度的运动补偿;多参考帧运动补偿;加权预测;整数变换;自适应熵编码;环路去块滤波等,这些大大提高了H.264的PSNR。由图2可以看出,无论是亮度信号,还是色差信号,H.264的PSNR都比H.263的高。

  (3)宏块编码比特数

  下面对H.264和H.263进行更直观的比较,如图3所示,色条从蓝到红变化,表示比特数的逐渐增加。比较结果如图4,图5所示。

宏块编码比特数


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视频编码? 264? AVC? MPEG?

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