淺談H.264視頻編碼標準的關鍵技術

戴靜 張順玲 李秋京 馬艷杰

摘要：隨著無線通信技術的日益發展，針對無線網絡的視頻傳輸逐漸成為了多媒體領域研究的熱點問題，無線網絡的視頻監控系統會得到廣泛使用。H.264是最新的國際視頻編碼標準， 通過許多的新技術來提高編碼的性能。本文對H.264中的幀內預測和幀間預測、整數變換與量化、熵編碼關鍵技術進行詳細介紹。

關鍵詞：H.264 幀內預測 幀間預測 熵編碼

中圖分類號：TN919.81 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0233-01

隨著無線通信技術和多媒體技術的飛速發展，不斷涌現出越來越多的數字視頻業務。視頻的編碼技術成為了人們研究的熱點問題。目前，視頻編碼技術可以分成兩大部分，分別是由ISO/IEC制定的MPEG-x系列和由ITUT-T制定的H.26x系列。所有的視頻編碼技術所要解決的共同問題就是用最少的存儲容量來保證最好的圖像質量。傳統的視頻編碼技術在實用的過程中總是會出現或多或少的問題，為此，ISO/IEC和ITUT-T兩大國際標準化組織建立了聯合視頻工作組，提出了一種最新的國際視頻編碼標準H.264。

1 H.264視頻壓縮編碼原理

在編碼過程中，將視頻幀分為幀內編碼和幀間編碼兩種模式。針對幀內編碼模式，其預測值是由當前幀內已編碼的宏塊經過運動補償得到的。編碼流程為：首先變換和量化殘差數據，其次對量化后的數據進行算數編碼和變長編碼，最后生成用于后繼塊編碼參考的重構塊。針對幀間編碼模式，其預測值是通過與當前宏塊相鄰的重構塊解碼后重建的上側和左側像素點的值來決定的。編碼流程為：首先進行運動估計，其次通過運動補償產生殘差數據，最后對殘差數據進行變換、量化、編碼。

2 H.264編碼關鍵技術研究

2.1 幀內預測編碼

對比其他的編碼技術，H.264提供了更多不同的工具來降低碼率。幀內預測是運用相鄰塊的像素來對當前塊進行預測，是一種空間域上的編碼算法。針對4×4亮度塊有9種預測模式，如圖1所示。

針對16×16亮度塊有4種預測模式，分別為垂直模式、水平模式、平均模式以及平面模式，具體預測模式如圖2所示。

2.2 幀間預測編碼

為了提高運動估計和運動補償的精度和速度，在H.264中允許編碼器使用前一幀用于運動估計。在運動預測中，宏塊的分解不再只是4×4和16×16兩種模式，而是可以分解成1個16×16、2個16×8、2個8×16或者4個8×8四種形式，編碼率得到了提升。

2.3 整數變換和量化

整數變換是指H.264對幀內或者幀間預測的殘差進行離散余弦變換（Discrete Cosine Transform， DCT）編碼。進行量化的原因是盡可能減少圖像編碼長度和圖像中冗余的信息來降低碼流，并能保證視頻質量的不下降。在H.264壓縮標準中將整數變換編碼和量化兩個過程結合在一起。

2.4 熵編碼

在H.264標準中使用了UVLC（Universal Variable Length Coding）和CABAC（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding）兩種熵編碼方法對殘差系數進行編碼。其中，UVLC算法簡單，但是對于時間要求很嚴格，效率低。CABAC編碼減少了塊編碼的相關性冗余，編碼效率高，但是計算起來相對比較復雜。

3 結語

H.264是新一代的視頻編解碼標準，與現有的H.263和MPEG-2相比擁有很強的編碼優勢。H.264編碼效率高，可以很好地提升壓縮率。隨著無線技術和多媒體技術的日益發展，H.264視頻編解碼標準將會擁有更加廣闊的應用空間。

參考文獻

[1]聶曉波.基于H.264壓縮域的視頻水印算法研究[D].河北工業大學，2014.

[2]謝濤.基于視頻壓縮標準H.264的研究及應用[D].中南民族大學，2009.