H.264视频编码介绍资料
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• H263++在H263+基础上增加了3个选项，增强码流在恶劣信道上的抗 误码性和编码效率。 • 选项U—增强型参考帧选择，提供增强的编码效率和信道错误再生能 力。 • 选项V—数据分片选择，提供增强型的抗误码能力(特别是在传输过程 中本地数据被破坏的情况下)，通过分离视频码流中DCT的系数头和 运动矢量数据，采用可逆编码方式保护运动矢量。 • 选项W—在H263+的码流中补充信息，保证增强型的反向兼容性。
H.264解码器
H.264采用的新技术
• H.264标准中诸如帧间预测、变换、量化、熵编码等基本功能模块与 前几个标准（MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261, H.263）并无太大 • • • • • • • 区别，变化主要体现在功能模块的具体细节上。 分层设计 帧间预测编码 帧内预测编码 整数变换 量化处理 熵编码 环路滤波
TTS图解
• 如图所示，搜索步骤如下：
– 第一步：从搜索起点开始，以最大搜索 长度的一半为步长，在周围距离步长的 8个点处进行块匹配计算并比较，图中 用正方形表示，1号为该次搜索最优点。 – 第二步：将步长减半，中心点移到上一 步的最小匹配点，重新在周围距离步长 的8个点处进行块匹配计算并比较，图 中用圆形表示，2号为该次搜索最优点。 – 第三步：在上一步得到的最小匹配点的 中心及周围8个点处找出最匹配点，该 点即为所求，图中用菱形表示，3号为 该次搜索最优点
块的搜索与匹配
• 搜索起点的选择很重要。 • 块搜索算法：
①全搜索法FS ②三步搜索法TTS ③菱形搜索法DS ④六边形搜索法 注：有不少对上述方法的改进及新方法。
• 块匹配准则：
①最小绝对差MAD ②最小均方误差MSE ③归一化互相关函数NCCF ④求和绝对误差SAD
FS
– 对整个搜索窗口的每一个点进行块匹配计算，根据 SAD（求和绝对误差）最小的原则搜索最后得出最佳 匹配点。 – 具有步长固定、易于设计成并行流水线处理的ASIC等 优点。 – 计算量很庞大，能够获取最好的匹配结果。 – 作为其它快速算法比较性能的参考算法。
H.263
• H.263是ITU-T为低于64kb/s的窄带通信信道制定的视频编码标准。 • H.263与H.261的主要区别： （1）数据流层次结构的某些部分在H.263中是可选的，使得编解码可以 配置成更低的数据率。 （2）H.263的运动补偿使用半像素精度，而H.261则用全像素精度和环 路滤波。 （3）H.263采用无限制的运动向量以及基于语法的算术编码。 （4）H.263除支持QCIF和CIF外，还支持SQCIF、4CIF和16CIF， SQCIF相当于QCIF一半的分辨率，而4CIF和16CIF分别为CIF的4倍 和16倍。 （5）采用事先预测和与MPEG中的P-B帧一样的帧预测方法。
第三章 H.264分析
• Profiles & Levels
• • • • • 许多标准包含不同的配置能力，通常是基于Profiles & Levels. A profile is usually a set of algorithmic features. A level is usually a degree of capability. H.264 has three profiles Baseline ：支持帧内和帧间编码（I 片和P片），CAVLC。用于可视 电话，视频会议和无线通讯。 • Main：支持隔行视频，帧间编码用可B 片和加权预测，CABAC。用于 电视广播和视频存储。 • Extended：不支持隔行视频和CABAC，但是支持码流切换（SP和SＩ片） 和高容错能力， Extended包括了Baseline的所有功能，而不能包括 Baseline的。用于流媒体应用。
• 视频编码（压缩）方式
有损压缩与无损压缩 —有损：解压后与压缩前相比数据有丢失，丢失不可恢复， 压缩比高。 —无损：解压后与压缩前数据完全一致，压缩比低。 注：高效压缩算法往往使用有损压缩来减少数据量。 帧内压缩与帧间压缩 —帧内：一幅帧的相邻像素点具有空间连续性。不考虑相邻 帧，减少本帧冗余信息，也称空间压缩。 —帧间：视频具有时间连续性，只记录相邻帧之间的差异来 减少数据量，也称时间压缩。
分层设计
• 在网络传输环境中，视频编码主要由视频编码层 VCL 和支持视频在不同网络之间传输的网络抽象 层NAL，提高了对不同网络的适应能力。
帧间预测编码
• H.264的帧间预测与以往的区别：
• • • • 运动搜索时选择不同大小和形状的块进行搜索。 1/4亮度像素和1/8色度像素的运动向量精度。 可用多个参考帧进行帧间预测。 引入SP帧和SI帧用于码流间的切换。
H.264编码器图
1. 变换&量化去除空间冗 余 2.预测（运动补偿）去除 时间冗余 3.熵编码去除变换系数的 冗余
数据流分析
• 编码器有两条数据通道：前向通道和重建通道。在前向通道中，编码 器的输入是帧Fn，每帧是以16×16像素大小的宏块为单元组成的， 每个宏块进行帧内或帧间预测编码。在图中，帧间预测的参考帧被限 定为前一帧Fn’，但是实际上，参考帧的数量可以多达五帧。 • 当前块减去其预测块P得到残差块Dn ，Dn经过块变换和量化得到量化系 数X，对量化变换系数进行重排序和熵编码，得到的系数以及一些用 于解码的附加信息（例如宏块预测模式、量化步长、运动矢量信息等） 经由网络抽象层NAL (network abstraction layer)进行传输和存储。 • 在重建通道中，块量化系数X经反量化和反变换后产生残差块Dn’ (由 于量化过程引入误差，Dn’与先前的Dn并不一致)。预测块P与Dn’相 加构成重建块uFn’，再引入滤波器减小块效应得到Fn’， Fn’ 可被用 作帧间参考图像。在编码器中引入重建通道的目的是为了使编码器和 解码器使用相同的参考帧来构成预测块P，否则，预测块P在编码器 和解码器中将不一致，这将造成误差积累或编解码器间的“漂移 （drifting）”。
Profiles
片组和ASO（ 任意的片次序） 冗余片技术：通过在 码流中添加冗余信息 来保障系统鲁棒性。 使用RS会使系统码 流变大，应权衡。
• 基本概念
• H.264中帧以宏块为单元进行处理，宏块包含一个16X16亮度块和两个8X8色 度块。 • 运动向/矢量 (MV)：编码图像中的当前块相对于参考图像的块所移动的距离 和方向就是运动向量。 • 运动估计（ME）：寻找最佳匹配块（有一定标准）的过程。 • 运动补偿（MC）：是一种描述相邻帧(相邻在这里表示在编码关系上相邻， 在播放顺序上两帧未必相邻) 差别的方法，具体来说是描述前面一帧的每个块 怎样移动到当前帧中的某个位置去。 • 预测块P —Inter-Prediction：参考帧（已编码，解码，重建且经过了滤波）中的块经运动 补偿得到。 —Intra-Prediction：根据当前片（slice）中已编码的块（未经滤波）对当前块预 测。 • 残差（剩余）块： 当前块减去预测块就得残差块，表示预测的误差。
• 运动补偿
• 宏块分割 •4运动补偿
• 宏块分割：
• 每个宏块（16×16像素）可以4种分割方式：一个16×16，两个 16×8或8×16，四个8×8，其运动补偿也相应有四种。而8×8分割 还可以有四种分割方式：一个8×8，两个4×8或8×4及4个4×4。这 种分割下的运动补偿则称为树状结构运动补偿。 • 每个分割或子块都有一个独立的运动补偿，每个MV和分割的方式需 编码至比特流中。 • 宏块的色度成分（Cr和Cb）则为相应亮度的一半（水平和垂直各一 半）。色度块采用和亮度块同样的分割模式，只是尺寸变小（水平和 垂直方向都减半）。例如，8×16的亮度块相应色度块尺寸为4×8， 8×4亮度块相应色度块尺寸为4×2，等等。色度块的MV也是通过相 应亮度MV水平和垂直分量减半而得。
H263+
• H.263+与H.263的主要区别： • （1）支持更多图像源格式。 • （2）可扩展性，允许多显示率、多速率及多分辨率，增强了视频信 息在易误码、易丢包异构网络环境下的传输能力。 • （3）采用先进的帧内编码模式，增强的PB-帧模式改进了H.263的不 足，增强了帧间预测的效果。
H.236++
H.264
• H.264是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视 频压缩编码标准。 • H.264的特点： （1）在同等视觉条件下，压缩比更高。 （2）对网络传输具有更好的支持功能，支持交互式应用所需的低延迟模 式，支持随机帧索取，支持可变码率，支持多种分辨率。 （3）对信道时延的适应性较强，既能用于低时延的实时业务（如会议电 视），又可用于无时延限制的场合（如视频存储）。 （4）具有较强的抗误码能力，可适应不同网络中的视频传输，网络亲和 性好。 （5）在编码器和解码器中的复杂度可分级设计，使图像质量和编码处理 之间可分级，以适应不同复杂度的应用。
对称编/解码和不对称编/解码 —对称：编码和解码占用相同的计算处理能力和时间，实时 性好。 —不对称：与上相反，一般压缩慢，解压快。
第二章 视频编码发展概况
ITU-T 与MPEG • ITU-T与ISO/IEC是制定视频编码标准的两大组织，ITU-T 的标准包括H.261、H.263、H.264，主要应用于实时视频 通信领域，如会议电视；MPEG系列标准是由ISO/IEC制 定的，主要应用于视频存储(DVD)、广播电视、因特网或 无线网上的流媒体等。 • 值得注意的是两个组织也共同制定了一些标准，H.262标 准等同于MPEG-2的视频编码标准，而最新的H.264标准 则被纳入MPEG-4的第10部分。 • 注：本幻灯片以ITU-T视频编码标准概述发展过程。
H.264视频编码学习
• 第一章 视频编码基本知识 • 第二章 视频编码发展概况 • 第三章 H.264分析
第一章 视频编码基本知识
• 视频编码的原因：视频未经编码（压缩）时具有极大数据量，不利于 存储，传输，实时应用。 • 视频编码的原理： —空间冗余：同一幅图像的相邻像素点具有连贯性。 —时间冗余：一组连续的画面之间存在着关联性。 —结构冗余：某些场景中存在着明显的图像分布模式，有规律可循。比 如：方格地板，蜂窝。 —视觉冗余：人眼对图像细节的分辨率有限，对亮度比对色度更敏感。 —知识冗余：许多图像的理解和某些知识有关联。比如人类面部的固定 结构。 • 视频编码的原则：在保证视觉效果的前提下尽可能减少视频的数据量。
H.261
• H.261是ITU-T为综合业务数字网(ISDN)上开展双向声像业务(可视电 话、视频会议)而制定的，速率为64kb/s的整数倍。H.261只对CIF和 QCIF两种图像格式进行处理，每帧图像分成图像层、宏块组(GOB)层、 宏块(MB)层、块(Block)层来处理。
• H.261是最早的运动图像压缩标准，它详细制定了视频编码的各个部 分，包括运动补偿的帧间预测、DCT变换、量化、熵编码，以及与固 定速率的信道相适配的速率控制等部分。
• MxM宏块采用全搜索方法在(M+2d)x(M+2d)的搜索窗口范围内 寻找最佳匹配块，将当前块在搜索窗口沿水平和垂自方向逐个 像素移动，每移动一次需计算一次SAD，然后进行比较。 • 搜索次数以搜索半径的平方增加，计算量较大，难于软件实时 处理。
FS图解
TTS
• 计算量只有FS的10％左右。 • 搜索时逐步减小搜索步长,每次搜索都以上一步的搜索结 果为中心，搜索步长为上一步的一半，搜索精度为1个像 素。 • 对运动平缓的视频序列容易陷入局部最优，从而引起误导， 影响搜索精确度。 • 为了克服三步搜索算法的缺点，R. Li、B. Zeng和M. L. Liou提出了新三步算法NTTS：NTTS采用具有中心倾向的 搜索点模式以减少误导，同时采用中止判别技术减少搜索 次数。 • 三步搜索算法衍生出的许多其它改进的算法。
• 运动矢量
• 帧间编码宏块的每个分割或子块都是从参考图像某一相同 尺寸区域预测而得。两者之间的差异（MV）对亮度成分 采用1/4像素精度，色度成分1/8像素精度。 • 亚像素位置的亮度和色度像素并不存在于参考图像中，需 利用邻近已编码点进行内插而得。 • 如果MV 的垂直和水平分量都为整数，参考块相应像素实 际存在。否则，预测像素通过参考帧中相应像素内插获得。
H.264解码器
H.264采用的新技术
• H.264标准中诸如帧间预测、变换、量化、熵编码等基本功能模块与 前几个标准（MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261, H.263）并无太大 • • • • • • • 区别，变化主要体现在功能模块的具体细节上。 分层设计 帧间预测编码 帧内预测编码 整数变换 量化处理 熵编码 环路滤波
TTS图解
• 如图所示，搜索步骤如下：
– 第一步：从搜索起点开始，以最大搜索 长度的一半为步长，在周围距离步长的 8个点处进行块匹配计算并比较，图中 用正方形表示，1号为该次搜索最优点。 – 第二步：将步长减半，中心点移到上一 步的最小匹配点，重新在周围距离步长 的8个点处进行块匹配计算并比较，图 中用圆形表示，2号为该次搜索最优点。 – 第三步：在上一步得到的最小匹配点的 中心及周围8个点处找出最匹配点，该 点即为所求，图中用菱形表示，3号为 该次搜索最优点
块的搜索与匹配
• 搜索起点的选择很重要。 • 块搜索算法：
①全搜索法FS ②三步搜索法TTS ③菱形搜索法DS ④六边形搜索法 注：有不少对上述方法的改进及新方法。
• 块匹配准则：
①最小绝对差MAD ②最小均方误差MSE ③归一化互相关函数NCCF ④求和绝对误差SAD
FS
– 对整个搜索窗口的每一个点进行块匹配计算，根据 SAD（求和绝对误差）最小的原则搜索最后得出最佳 匹配点。 – 具有步长固定、易于设计成并行流水线处理的ASIC等 优点。 – 计算量很庞大，能够获取最好的匹配结果。 – 作为其它快速算法比较性能的参考算法。
H.263
• H.263是ITU-T为低于64kb/s的窄带通信信道制定的视频编码标准。 • H.263与H.261的主要区别： （1）数据流层次结构的某些部分在H.263中是可选的，使得编解码可以 配置成更低的数据率。 （2）H.263的运动补偿使用半像素精度，而H.261则用全像素精度和环 路滤波。 （3）H.263采用无限制的运动向量以及基于语法的算术编码。 （4）H.263除支持QCIF和CIF外，还支持SQCIF、4CIF和16CIF， SQCIF相当于QCIF一半的分辨率，而4CIF和16CIF分别为CIF的4倍 和16倍。 （5）采用事先预测和与MPEG中的P-B帧一样的帧预测方法。
第三章 H.264分析
• Profiles & Levels
• • • • • 许多标准包含不同的配置能力，通常是基于Profiles & Levels. A profile is usually a set of algorithmic features. A level is usually a degree of capability. H.264 has three profiles Baseline ：支持帧内和帧间编码（I 片和P片），CAVLC。用于可视 电话，视频会议和无线通讯。 • Main：支持隔行视频，帧间编码用可B 片和加权预测，CABAC。用于 电视广播和视频存储。 • Extended：不支持隔行视频和CABAC，但是支持码流切换（SP和SＩ片） 和高容错能力， Extended包括了Baseline的所有功能，而不能包括 Baseline的。用于流媒体应用。
• 视频编码（压缩）方式
有损压缩与无损压缩 —有损：解压后与压缩前相比数据有丢失，丢失不可恢复， 压缩比高。 —无损：解压后与压缩前数据完全一致，压缩比低。 注：高效压缩算法往往使用有损压缩来减少数据量。 帧内压缩与帧间压缩 —帧内：一幅帧的相邻像素点具有空间连续性。不考虑相邻 帧，减少本帧冗余信息，也称空间压缩。 —帧间：视频具有时间连续性，只记录相邻帧之间的差异来 减少数据量，也称时间压缩。
分层设计
• 在网络传输环境中，视频编码主要由视频编码层 VCL 和支持视频在不同网络之间传输的网络抽象 层NAL，提高了对不同网络的适应能力。
帧间预测编码
• H.264的帧间预测与以往的区别：
• • • • 运动搜索时选择不同大小和形状的块进行搜索。 1/4亮度像素和1/8色度像素的运动向量精度。 可用多个参考帧进行帧间预测。 引入SP帧和SI帧用于码流间的切换。
H.264编码器图
1. 变换&量化去除空间冗 余 2.预测（运动补偿）去除 时间冗余 3.熵编码去除变换系数的 冗余
数据流分析
• 编码器有两条数据通道：前向通道和重建通道。在前向通道中，编码 器的输入是帧Fn，每帧是以16×16像素大小的宏块为单元组成的， 每个宏块进行帧内或帧间预测编码。在图中，帧间预测的参考帧被限 定为前一帧Fn’，但是实际上，参考帧的数量可以多达五帧。 • 当前块减去其预测块P得到残差块Dn ，Dn经过块变换和量化得到量化系 数X，对量化变换系数进行重排序和熵编码，得到的系数以及一些用 于解码的附加信息（例如宏块预测模式、量化步长、运动矢量信息等） 经由网络抽象层NAL (network abstraction layer)进行传输和存储。 • 在重建通道中，块量化系数X经反量化和反变换后产生残差块Dn’ (由 于量化过程引入误差，Dn’与先前的Dn并不一致)。预测块P与Dn’相 加构成重建块uFn’，再引入滤波器减小块效应得到Fn’， Fn’ 可被用 作帧间参考图像。在编码器中引入重建通道的目的是为了使编码器和 解码器使用相同的参考帧来构成预测块P，否则，预测块P在编码器 和解码器中将不一致，这将造成误差积累或编解码器间的“漂移 （drifting）”。
Profiles
片组和ASO（ 任意的片次序） 冗余片技术：通过在 码流中添加冗余信息 来保障系统鲁棒性。 使用RS会使系统码 流变大，应权衡。
• 基本概念
• H.264中帧以宏块为单元进行处理，宏块包含一个16X16亮度块和两个8X8色 度块。 • 运动向/矢量 (MV)：编码图像中的当前块相对于参考图像的块所移动的距离 和方向就是运动向量。 • 运动估计（ME）：寻找最佳匹配块（有一定标准）的过程。 • 运动补偿（MC）：是一种描述相邻帧(相邻在这里表示在编码关系上相邻， 在播放顺序上两帧未必相邻) 差别的方法，具体来说是描述前面一帧的每个块 怎样移动到当前帧中的某个位置去。 • 预测块P —Inter-Prediction：参考帧（已编码，解码，重建且经过了滤波）中的块经运动 补偿得到。 —Intra-Prediction：根据当前片（slice）中已编码的块（未经滤波）对当前块预 测。 • 残差（剩余）块： 当前块减去预测块就得残差块，表示预测的误差。
• 运动补偿
• 宏块分割 •4运动补偿
• 宏块分割：
• 每个宏块（16×16像素）可以4种分割方式：一个16×16，两个 16×8或8×16，四个8×8，其运动补偿也相应有四种。而8×8分割 还可以有四种分割方式：一个8×8，两个4×8或8×4及4个4×4。这 种分割下的运动补偿则称为树状结构运动补偿。 • 每个分割或子块都有一个独立的运动补偿，每个MV和分割的方式需 编码至比特流中。 • 宏块的色度成分（Cr和Cb）则为相应亮度的一半（水平和垂直各一 半）。色度块采用和亮度块同样的分割模式，只是尺寸变小（水平和 垂直方向都减半）。例如，8×16的亮度块相应色度块尺寸为4×8， 8×4亮度块相应色度块尺寸为4×2，等等。色度块的MV也是通过相 应亮度MV水平和垂直分量减半而得。
H263+
• H.263+与H.263的主要区别： • （1）支持更多图像源格式。 • （2）可扩展性，允许多显示率、多速率及多分辨率，增强了视频信 息在易误码、易丢包异构网络环境下的传输能力。 • （3）采用先进的帧内编码模式，增强的PB-帧模式改进了H.263的不 足，增强了帧间预测的效果。
H.236++
H.264
• H.264是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视 频压缩编码标准。 • H.264的特点： （1）在同等视觉条件下，压缩比更高。 （2）对网络传输具有更好的支持功能，支持交互式应用所需的低延迟模 式，支持随机帧索取，支持可变码率，支持多种分辨率。 （3）对信道时延的适应性较强，既能用于低时延的实时业务（如会议电 视），又可用于无时延限制的场合（如视频存储）。 （4）具有较强的抗误码能力，可适应不同网络中的视频传输，网络亲和 性好。 （5）在编码器和解码器中的复杂度可分级设计，使图像质量和编码处理 之间可分级，以适应不同复杂度的应用。
对称编/解码和不对称编/解码 —对称：编码和解码占用相同的计算处理能力和时间，实时 性好。 —不对称：与上相反，一般压缩慢，解压快。
第二章 视频编码发展概况
ITU-T 与MPEG • ITU-T与ISO/IEC是制定视频编码标准的两大组织，ITU-T 的标准包括H.261、H.263、H.264，主要应用于实时视频 通信领域，如会议电视；MPEG系列标准是由ISO/IEC制 定的，主要应用于视频存储(DVD)、广播电视、因特网或 无线网上的流媒体等。 • 值得注意的是两个组织也共同制定了一些标准，H.262标 准等同于MPEG-2的视频编码标准，而最新的H.264标准 则被纳入MPEG-4的第10部分。 • 注：本幻灯片以ITU-T视频编码标准概述发展过程。
H.264视频编码学习
• 第一章 视频编码基本知识 • 第二章 视频编码发展概况 • 第三章 H.264分析
第一章 视频编码基本知识
• 视频编码的原因：视频未经编码（压缩）时具有极大数据量，不利于 存储，传输，实时应用。 • 视频编码的原理： —空间冗余：同一幅图像的相邻像素点具有连贯性。 —时间冗余：一组连续的画面之间存在着关联性。 —结构冗余：某些场景中存在着明显的图像分布模式，有规律可循。比 如：方格地板，蜂窝。 —视觉冗余：人眼对图像细节的分辨率有限，对亮度比对色度更敏感。 —知识冗余：许多图像的理解和某些知识有关联。比如人类面部的固定 结构。 • 视频编码的原则：在保证视觉效果的前提下尽可能减少视频的数据量。
H.261
• H.261是ITU-T为综合业务数字网(ISDN)上开展双向声像业务(可视电 话、视频会议)而制定的，速率为64kb/s的整数倍。H.261只对CIF和 QCIF两种图像格式进行处理，每帧图像分成图像层、宏块组(GOB)层、 宏块(MB)层、块(Block)层来处理。
• H.261是最早的运动图像压缩标准，它详细制定了视频编码的各个部 分，包括运动补偿的帧间预测、DCT变换、量化、熵编码，以及与固 定速率的信道相适配的速率控制等部分。
• MxM宏块采用全搜索方法在(M+2d)x(M+2d)的搜索窗口范围内 寻找最佳匹配块，将当前块在搜索窗口沿水平和垂自方向逐个 像素移动，每移动一次需计算一次SAD，然后进行比较。 • 搜索次数以搜索半径的平方增加，计算量较大，难于软件实时 处理。
FS图解
TTS
• 计算量只有FS的10％左右。 • 搜索时逐步减小搜索步长,每次搜索都以上一步的搜索结 果为中心，搜索步长为上一步的一半，搜索精度为1个像 素。 • 对运动平缓的视频序列容易陷入局部最优，从而引起误导， 影响搜索精确度。 • 为了克服三步搜索算法的缺点，R. Li、B. Zeng和M. L. Liou提出了新三步算法NTTS：NTTS采用具有中心倾向的 搜索点模式以减少误导，同时采用中止判别技术减少搜索 次数。 • 三步搜索算法衍生出的许多其它改进的算法。
• 运动矢量
• 帧间编码宏块的每个分割或子块都是从参考图像某一相同 尺寸区域预测而得。两者之间的差异（MV）对亮度成分 采用1/4像素精度，色度成分1/8像素精度。 • 亚像素位置的亮度和色度像素并不存在于参考图像中，需 利用邻近已编码点进行内插而得。 • 如果MV 的垂直和水平分量都为整数，参考块相应像素实 际存在。否则，预测像素通过参考帧中相应像素内插获得。