视频编码之H.264详解

随着HDTV等高清资源的兴起，H.264这个规范频频出现在我们眼前，HD-DVD和蓝光DVD均计划采用这一标准进行节目制作。而且自2005年下半年以来，无论是NVIDIA还是ATI都把支持H.264硬件解码加速作为自己最值得夸耀的视频技术。而数码播放器领域也吹来了高清和H.264的风潮，国内外不少数码播放器厂商都已经开始支持此类编码的视频文件，同时网络资源的丰富程度也逐渐提升。那H.264到底是何方“神圣”呢？和传统的RMVB等编码相比，有什么先进之处吗？

H.264，同时也是MPEG-4第十部分，是由ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC动态图像专家组(MPEG)联合组成的联合视频组(JVT，Joint Video Team)提出的高度压缩数字视频编解码器标准。

什么是H.264?H.264是一种高性能的视频编解码技术。目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联(ITU-T)”，它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是“国际标准化组织(ISO)”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组(JVT)共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码(Advanced Video Coding，AVC)，而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。因此，不论是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，还是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。

H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。举个例子，原始文件的大小如果为88GB，采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB，压缩比为25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB，从88GB到879MB，H.264的压缩比达到惊人的102∶1！H.264为什么有那么高的压缩比?低码率(Low Bit Rate)起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等压缩技术相比，H.264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。尤其值得一提的是，H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。

H.264算法的优势

H.264是在MPEG-4技术的基础之上建立起来的，其编解码流程主要包括5个部分：帧间和帧内预测(Estimation)、变换(Transform)和反变换、量化(Quantization)和反量化、环路滤波(Loop Filter)、熵编码(Entropy Coding)。

H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2视频压缩标准发布以后的最新、最有前途的视频压缩标准。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的联合开发组共同开发的最新国际视频编码标准。通过该标准，在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上，因此，H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。

一、H.264的发展历史

H.264在1997年ITU的视频编码专家组(Video Coding Experts Group)提出时被称为H.26L，在ITU与ISO合作研究后被称为MPEG4 Part10(MPEG4 AVC)或H.264(JVT)。

H.264的高级技术背景

H.264标准的主要目标是：与其它现有的视频编码标准相比，在相同的带宽下提供更加优秀的图象质量。

而，H.264与以前的国际标准如H.263和MPEG-4相比，最大的优势体现在以下四个方面：

1． 将每个视频帧分离成由像素组成的块，因此视频帧的编码处理的过程可以达到块的级别。

2． 采用空间冗余的方法，对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和熵编码(可变长编码)。

3． 对连续帧的不同块采用临时存放的方法，这样，只需对连续帧中有改变的部分进行编码。该算法采用运动预测和运动补偿来完成。对某些特定的块，在一个或多个已经进行了编码的帧执行搜索来决定块的运动向量，并由此在后面的编码和解码中预测主块。

4． 采用剩余空间冗余技术，对视频帧里的残留块进行编码。例如：对于源块和相应预测块的不同，再次采用转换、优化和熵编码。

H.264的特征和高级优势

H.264是国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)共同提出的继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式，它即保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟的许多优点。

1．低码流(Low Bit Rate)：和MPEG2和MPEG4 ASP等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。

显然，H.264压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。

2．高质量的图象：H.264能提供连续、流畅的高质量图象(DVD质量)。

3．容错能力强：H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。

4．网络适应性强：H.264提供了网络适应层(Network Adaptation Layer), 使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输(例如互联网，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等)。

二、H.264标准概述

H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263++好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输(存储)场合的需求。

技术上，它集中了以往标准的优点，并吸收了标准制定中积累的经验。与H.263 v2(H.263+)或MPEG-4简单类(Simple Profile)相比，H.264在使用与上述编码方法类似的最佳编码器时，在大多数码率下最多可节省50%的码率。H.264在所有码率下都能持续提供较高的视频质量。H.264能工作在低延时模式以适应实时通信的应用(如视频会议)，同时又能很好地工作在没有延时限制的应用，如视频存储和以服务器为基础的视频流式应用。H.264提供包传输网中处理包丢失所需的工具，以及在易误码的无线网中处理比特误码的工具。

在系统层面上，H.264提出了一个新的概念，在视频编码层(Video Coding Layer, VCL)和网络提取层(Network Abstraction Layer, NAL)之间进行概念性分割，前者是视频内容的核心压缩内容之表述，后者是通过特定类型网络进行递送的表述，这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。

小结：H.264=优秀+通用

众多的专业术语让人头晕眼花，不过总结起来，很简单，H.264就是MPEG-4标准中的一个项目，凭借其自身的优越性和通用性，成为国际认可的一个标准。