H.264/AVC视频压缩编码标准的新进展

　　H .264/AVC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，于2003年5月完成制订。相对于先前的标准，H.264/AVC无论在压缩效率、还是在网络适应性方面都有明显的提高，因此，业界普遍预测其将在未来的视频应用中替代现有的视频压缩标准。

　　但是，H.264/AVC标准由于对视频源的限制，仅支持娱乐级视频质量。为了进一步扩大其应用范围，使其适应高保真视频压缩的应用，JVT于2004年7月对H.264/AVC做了重要的补充扩展，称为FRExt(Fidelity Range Extensions)。

FRExt概述

　　H.264/AVC标准第一版支持的源图像为每象素8b，且采样方式仅限于4∶2∶0；而新近扩展的FRExt部分则扩大了标准的应用范围，如专业级的视频应用、高分辨率/高保真的视频压缩等。FRExt对H.264/AVC的改善主要在：(1)进一步引入一些先进的编码工具，提高了压缩效率；(2)视频源的每个样值均可超过8b，最高可达12b；(3)增加了4∶2∶2与4∶4∶4的采样格式；(4)更高的比特率，更高的图像分辨率；(5)可达到图像高保真的要求，支持无损压缩；(6)支持RGB格式的压缩，同时避免了色度空间转换的舍入误差。 

   
图1 FRExt 编码工具

　　FRExt增加了4个新的类：(1)High Profile(HP)，支持8b、4∶2∶0采样；(2)High 10 Profile(Hi10P)，支持10b、4∶2∶0采样；(3)High 4∶2∶2 Profile(H422P)，支持10b、4∶2∶2采样；(4)High 4∶4∶4 Profile (H444P)，支持12b、4∶4∶4采样、无损编码与多种色彩空间的编码。

　　H.264/AVC FRExt详细说明了一组4个新的类，它们如同性能的嵌套子集一样被创立。这4个类全都继承了主类的工具集，就像它们的公共交集；而高类(HP)还额外地包含了所有能够提高编码效率的主要的新工具。相对于主类(MP)，这些工具在算法复杂度上只是稍有提高。因此，在数字视频应用中，在4∶2∶0色度采样格式中使用8b视频的高类有可能代替主类。

　　增加了高类之后，H.264/AVC各类的关系如图2所示，具体所包含的编码工具如下： 

                                   
图2 H.264 各个类的关系

　　1.所有类的共同部分：I片、P片、CAVLC；

　　2.基本类(Baseline)：FMO、ASO、冗余片；

　　3.主类(Main)：B片、加权预测、CABAC、隔行编码；

　　4.扩展类(Extended)：包含基本类的所有部分(FMO、ASO、冗余片)、SP片、SI片、数据分割、B片、加权预测；

　　5.高类(High)：包含主类的所有部分(B片、加权预测、CABAC、隔行编码)、自适应变换块尺寸(4×4或8×8整数变换)、量化矩阵。 
FRExt增加的关键算法

　　FRExt之所以能进一步提高编码效率及保真度，是因为加入了一些有效的编码工具。其中大部分是在取样点比特深度和色度格式方面；而在提高编码效率方面，主要是利用8×8的亮度帧内预测、4×4变换及8×8变换、量化矩阵等技术。[page]

　　9种8×8的亮度帧内预测

　　H.264/AVC第一版的帧内预测包括9种4×4亮度块、4种16×16亮度块和4种色度块的预测。

                                    
图3 帧内预测方向

    在FRExt中增加了9种8×8亮度块的预测，其预测方向(如图3)、预测块的计算与4×4块的基本一样，如图4所示。在一个给定的8×8亮度块中，每个象素值可从相邻的参考象素值(A～X、Z)中预测得到，编码器可选择8种不同的预测方向和直流预测。

　　还有一点与4×4块的不同，就是要对预测值进行低通滤波，以提高预测的精确度。新的8×8帧内预测中，给出了一个简单的二阶低通滤波器，它在预测之前被用来重建亮度的参考象素值。经过滤波的参考象素按照9种模式的预测方法进行预测。

　　8×8的整数变换

　　H.264/AVC第一版中，对所有的残差块采用了4×4整数变换；对16×16亮度块进行帧内预测；整数变换后的16个DC系数采用4×4哈达玛变换，色度块的DC系数采用2×2哈达码变换。

　　4×4整数变换除了算法复杂度低外，还可以有效地降低块效应。但是，对于大尺寸、高保真的视频，须要很好地保存图像的细节和纹理，这就需要更大尺寸的变换。为了达到各方面的平衡，FRExt引入了8×8整数变换，且编码器可以在宏块级自适应地选择4×4或8×8变换。在制定H.264/AVC标准之前，曾提出可变块尺寸的变换，其算法复杂度要低一些。 [page]

                                        
图4 用于8×8空间亮度预测的样本

　　8×8正变换和逆变换都可以通过快速蝶形算法实现，对于n比特的输入视频，只需要(8+n)比特的运算动态范围。8×8变换蝶形算法的复杂度只略高于4×4变换。

　　新的变换同时要求相应的量化方法。FRExt在第一版的基础上做了扩展，与MPEG-2一样可以选择量化矩阵进行量化，而量化矩阵可以提高图像的主观质量。同时，CABAC也做了改进，增加了3个内容模型，而CAVLC把8×8的系数分为4组4×4的系数。 

  
表1 FRExt中的二维8×8变换矩阵

　　须要指出的是，编码器可以对每一个宏块选择4×4或8×8变换，但变换尺寸的选择过程受到两种约束：(1)对于帧内预测，只有在采用8×8亮度块的预测时，选择8×8整数变换；(2)对于帧间预测，宏块中包含一个或多个小于8×8的块(4×8、8×4、4×4)，必须采用4×4整数变换。

高保真编码

　　在高类中，H.264/AVC对FRExt定义了特别的编码方案——支持无损编码和多种颜色格式。

　　(1)无损编码

　　为满足视频信号高保真的要求，H.264/AVC只在H444P类中引入了无损压缩编码方案。第一个是PCM方案，它没有预测、变换和量化，直接传送取样点的值以达到无损编码的目的；第二个是无变换的无损编码方案，运用预测与熵编码技术来表示图像高效无损，相对于第一个方案提高了编码效率。

　　(2)支持多种颜色格式

　　RGB与YCbCr相互之间的颜色转换使用的都是浮点运算，这必将引入舍入误差。为了消除在浮点运算中引入的舍入误差，H.264/AVC在支持RGB的同时引入了新的彩色空间YCgCo：

　　Y=1/2(G+(R+B)/2), Cg=1/2(G-(R+B)/2),Co=(R-B)/2

　　上面的公式减小了色彩空间转换的复杂度；但是，为了避免舍入误差，要求增加额外的比特以保持精确性。为了把这个额外比特降到1b，使用下面的公式：

　　Co=R-B，Cg=G-(B+(Co>>1))，Y=(B+(Co>>1))+Cg>>1)

压缩效率

　　从压缩效率上讲，H.264/AVC已经大大超过了以往的视频压缩标准，加入了FRExt之后，其在大尺寸、高保真等视频压缩方面更具优势。图5示出H.264/AVC FRExt与MPEG-2在HDTV图像主观评价方面的一个比较，H.264/AVC在不同的码率下压缩，而MPEG-2的压缩码率是24Mb/s，由此图可见8Mb/s的H.264/AVC FRExt与MPEG-2相当。 

                                   
图5 H.264/AVC FRExt 与MPEG-2的性能比较

　　由于引入了基于空域的帧内预测技术，并且经过FRExt的改善，H.264/AVC的I帧与JPEG2000的编码效率相当，非常适合高质量的视频压缩应用。

小结

　　新一代视频压缩编码标准H.264/AVC的新进展——FRExt，相对于第一版标准扩展了视频源的采样格式与比特深度，加入了一些提高编码效率的工具。从而H.264/AVC进一步提高了编码效率，扩大了应用范围。

　　目前，高类已经代替主类而成为广播和其他娱乐应用的首选。主要原因是，它比起先前的主类只增加了极小的算法复杂度，却大大提高了压缩性能且编码器控制的灵活性。其中，H422P类可望在演播室环境中得以应用。在补充了FRExt之后，H.264/AVC被迅速推广到各种应用中，主要包括：欧洲数字视频广播标准DVB；美国先进电视系统委员会ATSC；DVD论坛的HD-DVD规范；蓝光光碟协会(BDA)的BD-ROM规范。