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新一代视频压缩编码标准
——H.264/AVC
毕厚杰主编
前 言
数字视频技术在通信和广播领域获得了日益广泛的应用,特别是 90 年代以来,随着
Internet 和移动通信的迅猛发展,视频信息和多媒体信息在 Internet 网络和移动网络中的处理
和传输成为了当前我国信息化中的热点技术。
众所周知,视频信息具有一系列优点,如直观性、确切性、高效性、广泛性等等。但是
视频信息量太大,要使视频得到有效的应用,必须首先解决视频压缩编码问题,其次解决压
缩后视频质量保证的问题。这两者是相互矛盾的,是矛盾的俩各个方面。我们的任务是既要
有较大的压缩比,又要保证一定的视频质量。
为此,人们付出了巨大的辛勤的劳动,现在已结出丰硕的成果。从 1984 年 CCITT 公布
第一个视频编码国际标准以来,至今已有二十年了。ITU-T 等国际标准化组织陆续颁布了接
近十个视频编码国际标准,大大推动了视频通信和数字电视广播的发展,这也是有目共睹的
事实。但是严格地讲,这两大领域至今的发展仍不能令人满意,总起来讲,应用的范围不广,
主要是视频压缩与质量之间的矛盾不能很好解决。例如,可视电话一直被认为是一种理想的
通信设备,可近 30 年来至今未能普及,就是因为性能价格比不高。
2003 年 3 月,ITU-T/ISO 正式公布了 H.264 视频压缩标准,由于其相比以往标准的出色
的性能,被人们称为新一代视频编码标准。具体讲,与 H.263 或 MPEG-4 相比,在同样质
量下,其数码率能降低一半左右;或者说在同样码率下,其信噪比明显提高。这样一来,
H.264 标准在国际上受到了广泛地重视和欢迎。在这样的背景下,我们编写了这一本书。
本书的特点是取材新颖、内容全面。它不仅重点论述了 H.264,而且首先介绍了数字视
频和视频编码的基础知识,介绍了已有若干视频编码国际标准(特别是 MPEG-4),以便为
进一步学习 H.264 打下良好的基础。
全书共 9 章,在 H.264 部分(第 6~9 章)详尽地论述了 H.264 特点、编码器原理、解码
器原理、编解码器的实现。为了更好地理解 H.264 编解码原理及其实现,第 7 章详细介绍了
H.264 码流的句法和语义。最后对 H.264 视频编码传输的 QoS 进行了专门地论述。
本书可作为通信、广播电视专业高校本科生教材,可供该领域的硕士生、博士生深入研
究用,也可供广大的从事视频技术、视频服务领域的技术人员参考用。
本书由毕厚杰教授主编,撰写第 1~4 章及第 6 章前 3 节。左雯撰写了第 5 章。马国强、
徐苏珊撰写了第 7 章。焦良葆、王健撰写了第 9 章。其余部分由方晖、焦良葆、王健、马国
强、左雯、李涛、徐苏珊、鹿宝生等人共同编写完成。全书由毕厚杰负责审稿,左雯负责校
样。
由于时间仓促及水平有限,书中难免出现不当之处,恳请广大读者批评指正,以便再版
时进一步修正。
毕厚杰
2004.10.9
目 录
前 言......................................................................................................................................................2
第 1 章 绪 论....................................................................................................................................9
1.1 信息化与视频通信........................................................................................................................9
1.1.1 什么是信息.............................................................................................................................9
1.1.2 什么是信息化.........................................................................................................................9
1.1.3 我国的信息化和视频通信....................................................................................................9
1.2 视频信息和信号的特点 .............................................................................................................10
1.2.1 直观性..................................................................................................................................10
1.2.2 确切性..................................................................................................................................10
1.2.3 高效性..................................................................................................................................10
1.2.4 广泛性..................................................................................................................................10
1.2.5 视频信号的高带宽性..........................................................................................................10
1.3 视频压缩编码要求和可能性 ..................................................................................................... 11
1.3.1 视频压缩编码目标.............................................................................................................. 11
1.3.2 视频压缩的可能性.............................................................................................................. 11
1.4 视频压缩编码技术综述 .............................................................................................................12
1.4.1 基本结构..............................................................................................................................12
1.4.2 基于波形的编码..................................................................................................................12
1.4.3 基于内容的编码..................................................................................................................13
1.4.4 三维(立体)视频编码......................................................................................................13
参考文献............................................................................................................................................14
第 2 章 数字视频..................................................................................................................................15
2.1 数字电视的基本概念 .................................................................................................................15
2.1.1 数字电视的优越性..............................................................................................................15
2.1.2 数字电视的 PCM 原理 .......................................................................................................16
2.2 数字电视信号 .............................................................................................................................18
2.2.1 电视信号的时间和空间取样..............................................................................................18
2.2.2 彩色空间..............................................................................................................................19
2.2.3 彩色电视取样格式..............................................................................................................19
2.2.4 数字电视信号的编码参数..................................................................................................20
2.3 视频信号的预处理 .....................................................................................................................21
2.3.1 色彩插值(Color Interpolation) .......................................................................................21
2.3.2 色彩校正(Color Correction)...........................................................................................22
2.3.3 伽马校正(Gamma Correction) .......................................................................................23
2.3.4 图像增强(Image Enhancement) .....................................................................................24
2.3.5 白平衡(White Balance) ..................................................................................................27
2.4 视频质量 .....................................................................................................................................29
2.4.1 主观质量的评定..................................................................................................................29
2.4.2 客观质量的测量..................................................................................................................29
参考文献............................................................................................................................................31
第 3 章 视频压缩编码的基本原理 ..................................................................................................32
3.1 预测编码 .....................................................................................................................................32
3.1.1 预测编码的基本概念..........................................................................................................32
3.1.2 帧内预测编码......................................................................................................................33
3.1.3 帧间预测编码......................................................................................................................37
3.1.4 运动估计..............................................................................................................................41
3.2 变换编码 .....................................................................................................................................54
3.2.1 变换编码的基本概念..........................................................................................................54
3.2.2 K-L 变换 ............................................................................................................................54
3.2.3 离散余弦变换 DCT.............................................................................................................55
3.2.4 锯齿形扫描和游程编码......................................................................................................57
3.3 变换编码与预测编码的比较 .....................................................................................................58
3.4 熵编码 .........................................................................................................................................59
3.4.1 变长编码..............................................................................................................................59
3.4.2 算术编码..............................................................................................................................59
参考文献............................................................................................................................................62
第 4 章 视频编码标准简介..................................................................................................................63
4.1 视频编码发展简史......................................................................................................................63
4.2 H.261 标准 ...................................................................................................................................63
4.2.1 图像格式..............................................................................................................................63
4.2.2 H.261 视频编解码器............................................................................................................64
4.3 H.263 标准 ...................................................................................................................................68
4.3.1 H.263 标准图像格式............................................................................................................68
4.3.2 H.263 视频信源编码算法....................................................................................................69
4.4 MPEG-1 标准...............................................................................................................................69
4.4.1 功能......................................................................................................................................69
4.4.2 图像类型和编码结构..........................................................................................................69
4.5 MPEG-2........................................................................................................................................70
4.5.1 MPEG-2 编码复用系统 .......................................................................................................70
4.5.2 档次和级别..........................................................................................................................71
4.5.3 MPEG-2 视频编码器 ...........................................................................................................72
4.6 JPEG 标准....................................................................................................................................73
参考文献............................................................................................................................................76
第 5 章 MPEG-4 压缩编码标准..........................................................................................................77
5.1 MPEG4 标准概述........................................................................................................................77
5.1.1 MPEG-4 标准特性 ...............................................................................................................77
5.1.2 AVO 及数据结构..................................................................................................................77
5.2 MPEG-4 标准构成.......................................................................................................................78
5.2.1 系统......................................................................................................................................78
5.2.2 音频......................................................................................................................................80
5.2.3 视频......................................................................................................................................80
5.2.4 网格动画..............................................................................................................................84
5.2.5 其余......................................................................................................................................85
5.3 MPEG-4 编码技术.......................................................................................................................85
5.3.1 形状编码..............................................................................................................................85
5.3.2 可扩展性编码......................................................................................................................87
5.3.3 sprite 编码..........................................................................................................................90
5.3.4 视频系统合成......................................................................................................................91
5.4 MPEG-4 档次和级.......................................................................................................................93
参考文献............................................................................................................................................96
第 6 章 H.264/AVC 编码器原理...........................................................................................................97
6.1 H.264/AVC 的应用 ......................................................................................................................97
6.2 H.264/AVC 编解码器 ..................................................................................................................98
6.2.1 H.264 编解码器特点............................................................................................................98
6.2.2 H.264 编码器........................................................................................................................98
6.2.3 H.264 解码器........................................................................................................................99
6.3 H.264/AVC 的结构 ......................................................................................................................99
6.3.1 名词解释..............................................................................................................................99
6.3.2 档次和级..............................................................................................................................99
6.3.3 编码数据格式....................................................................................................................100
6.3.4 参数图像.............................................................................................................................102
6.3.5 片和片组............................................................................................................................102
6.4 帧内预测 ...................................................................................................................................104
6.4.1 4×4 亮度预测模式..............................................................................................................105
6.4.2 16×16 亮度预测模式..........................................................................................................107
6.4.3 8×8 色度块预测模式..........................................................................................................109
6.4.4 信号化帧内预测模式........................................................................................................109
6.5 帧间预测 ................................................................................................................................... 110
6.5.1 树状结构运动补偿............................................................................................................ 110
6.5.2 运动矢量............................................................................................................................ 111
6.5.3 MV 预测 ............................................................................................................................. 113
6.5.4 B 片预测............................................................................................................................. 114
6.5.5 加权预测.............................................................................................................................117
6.6 H.264 的 SP/SI 帧技术(SP 片或 SI 宏块的 P 宏块) ........................................................... 117
6.6.1 SP/SI 帧的应用................................................................................................................... 118
6.6.2 SP/SI 帧的基本原理...........................................................................................................120
6.6.3 实验结果和性能分析........................................................................................................123
6.7 整数变换与量化 .......................................................................................................................124
6.7.1 整数变换............................................................................................................................125
6.7.2 量化....................................................................................................................................129
6.7.3 DCT 直流系数的变换量化................................................................................................131
6.8 CAVLC(基于上下文自适应的可变长编码).............................................................................132
6.8.1 熵编码的基本原理.............................................................................................................132
6.8.2 CAVLC 的基本原理...........................................................................................................133
6.8.3 CAVLC 的上下文模型.......................................................................................................133
6.8.4 CAVLC 的编码过程...........................................................................................................133
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