h.264视频编码标准分析和算法优化

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1、H.264编码标准的分析和算法优化一、研究背景：随着社会的不断进步和多媒体信息技术的发展，人们对信息的需求越来越丰富，方便、快捷、灵活地通过语音、数据、图像与视频等方式进行多媒体通信已成不可或缺的工具。其中视觉信息给人们直观、生动的形象，因此图像与视频的传输更受到广泛的关注。然而，视频数据具有庞大的数据量，以普通的25帧每秒，CIF格式（分辨率为352×288）的视频图像为例，一秒钟的原始视频数据速率高达3.8M字节。不对视频信号进行压缩根本无法实时传输如此庞大的数据量，因此，视频压缩技术成为研究热点。随着近几年来视频图像传输领域的不断扩展，以

2、往的标准己经难于适应不同信道的传输特征及新兴的应用环境。为此，ISO/IEC&ITU-T共同开发了最新视频编码标准H.264/AVC。相对以前的视频编码标准，H.264集成了许多新的视频压缩技术，具有更高的压缩效率和图像质量。在同等的图像质量条件下，H.264的数据压缩比是应用于当前DVD系统MPEG-2的2~3倍，比MPEG-4高1.5~2倍，并且具有更好的网络友好性。但是H.264高压缩比的代价是编码器计算复杂度大幅度地提高。因此在保持编码效率几乎不变的同时尽可能提高编码速度是H.264/AVC视频编码标准能否得到广泛应用的关键。在上述研究

3、背景下，本文深入探讨了H.264/AVC标准，分析了编码器主要耗时模块的工作原理，提出三种降低H.264/AVC高计算复杂度的优化算法――快速帧内预测模式选择算法、快速帧间预测模式选择算法以及快速运动估计算法。实验结果表明：本文所提快速算法都可大幅度地降低H.264编码器的计算复杂度，并且保持基本不变的编码效率。二、新一代视频编码标准H.264简介：编码标准演进过程：H.261MPEG-1MPEG-2H.263MPEG-4从视频编码标准的发展历程来看，视频编码标准都有一个不断追求的目标：在尽可能低的码率（或存储容量）下获得尽可能好的图像质量。M

4、PEG-2、MPEG-4、H.263等标准都取得了巨大的成功，但在应用中也发现一些问题。H.263众多的选项往往令使用者无所适从；MPEG-2压缩效率己显略低；引人注目的MPEG-4的“基于对象的编码”由于尚有技术障碍，目前还难以普遍应用。在此背景下，两大国际标准化组织ITU-T和ISO共同制定了新一代视频编码标准H.264。该编码标准在混合编码的框架下引入新的编码方式，解决了目前编码标准存在的问题，进一步贴近实际应用，其应用前景是不言而喻的。三、H.264视频编码标准概述JVT的工作目标是制定一个新的视频编码标准，以实现视频的高压缩比、高图像

5、质量、良好的网络适应性等目标。JVT的工作已于2003年3月被ITU-T采纳，新的视频编码标准称为H.264标准。该标准也被ISO采纳，称为AVC（AdvancedVideoCoding）标准，是国际标准ISO14496-10（MPEG-4的第10部分），因此总称为H.264/AVC。H.264着重于提高压缩效率和传输的可靠性，因而其应用面十分广泛。具体来说，H.264支持三个不同档次的应用：1、基本档次：H.264简单版本，应用面广，主要用于视频会话，如会议电视、可视电话、远程医疗、远程教学等。2、主要档次：采用了多项提高图像质量和增加压缩比

6、的技术措施，主要用于消费电子应用，可用于SDTV、HDTV和DVD等。3、扩展档次：主要用于各种网络的视频流传输，如视频点播等。H.264和以前的视频编码标准一样，也是传统的混合编码模式，其编码器框架如图2.1编码器结构所示。但它采用“回归基本”的简洁设计，没有设定众多的选项，获得比H.263++好得多的压缩性能；采用“网络友好（Networkfriendly）”的结构和语法，加强了对各种信道的适应能力，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。与以往视频编码标准不同的是，H.264

7、充分考虑了“网络友好”特性，将编码器中面向视频信号的编码部分与面向网络的打包部分分离，形成视频编码层和网络适配层，从而方便使用不同的传输网络和协议进行传输。1、视频编码层（VideoCodingLayer,VCL）VCL中包括VCL编码器与VCL解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码，包括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元。2、网络适配层（NetworkAbstractionLayer,NAL）NAL则用于为VCL提供一个与网络无关的统一接口，负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送。它采用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字

8、节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头中包含存储标志和类型标志。存储标志用于指示当前数据不属于被参考的帧。类型标志用于指示图