新一代视频编码标准H264AVS关键技术研究

华中科技大学硕士学位论文新一代视频编码标准H.264/AVS关键技术研究姓名：陈斌申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：李德华20050510摘要JVT/H.264（MPEG-4part10）是ITU-TVCEG组织和ISO/IECMPEG组织共同制定的新一代视频编码标准，是目前图像通信研究领域的热点问题之一。H.264不但编码性能优越，而且综合考虑了编码效率和网络传输，应用领域广泛，因此对于它的研究和实现具有相当重要的意义。H.264编码效率的提高是多项新技术共同作用的结果，它们包括帧内预测，整数变换，不同的预测块大小，多个参考帧，更精细的预测精度，自适应算术编码，去块效应滤波以及基于率失真优化的模式选择算法等。AVS(AudioVideoCodingStandard)是目前我国正在制定的具有自主知识产权的音视频编码技术标准，它的编码效率与H.264相当，其优势为：性能高、复杂度低、实现成本低、专利授权费用低。本文对H.264和AVS中的核心技术进行了深入分析，并针对AVS标准面向无线通信的要求提出了几种改进策略，试验证明提高了系统整体编码性能和抗误码性。论文主要分为四部分：（一）介绍了H.264和AVS中的关键技术点并进行了比较分析，指出了H.264和AVS编码性能的显著提高是多种新技术共同作用的结果；（二）对H.264和AVS两种标准的帧内预测方法进行了深入分析，提出了一种新的Intra色度预测方法，试验证明可以明显提高系统的编码性能；（三）针对无线通信的特点对AVS标准中的CBP映射表进行了重新排序，试验证明可提高系统的编码性能并使其更符合无线通信的要求；（四）深入分析了差错恢复和掩盖的各种方法，提出了一种新的FBO差错掩盖算法，试验证明可明显地提高系统的抗误码性和鲁棒性。昀后对论文进行了总结，并对未来视频编码技术的发展进行了展望。关键词：H.264AVS帧内预测CBP差错掩盖IIIAbstractJVT/H.264isthecurrentprojectoftheITU-TVideoCodingExpertsGroup(VCEG)andtheISO/IECMotionPictureExpertsGroup(MPEG).AlthoughH.264followsthehybridcodingschemeincommonwithearlierstandards,improvementsareachievedthroughtheinclusionofanumberofnewfeaturesthatdistinguishitselffromallexistingones,includingIntraPrediction,Integertransform,differentpredictedblock,muti-conferenceframes,CAVLCCABAC,1/41/8pelsprecisionprediction,Deblockingfilter,R-Dmodestrategy,etc,whicharenaturallywhatthisarticlemainlyfocuseson.ThebeingfinishedChineseaudioandvideocodingstandardsAVShasapproximatecodingefficiencyasH.264,AVS’sadvantagesincludeshighperformance,lowcomplexity,lowimplementationpriceandsamplelicensing.ThisthesisisconcernedwiththekeytechniquesofH.264&AVSandproposesimprovedmethodsinseveralfields.Inthefirstpart,thecodingelementsofH.264andAVSarebrieflyintroduced,whichprovidethemajorityofthedramaticimprovementincompressionefficiency,inrelationtopriorvideocodingstandards,alongwithsomefeaturesoferrorresilienceandnetworkadaptability.Inthesecondpart,asystematicalanddetailedanalysesofintrapredictionofH.264&AVSareprovided.Aftermuchresearchonthedifferenceofthetwomethods,animprovedmethodofintrachromapredictionisproposed,whichisprovedbyexperimentation.Inthethirdpart,therecompositionoftheCBPmappingtableisproposedaimedattherequirementofwirelesscommunication.Inthefourthpart,detaileddescriptionsofvideoerrorrecoveryandconcealmenttechniquesarepresented,anewvideoerrorconcealmenttechniquenamedFBOisIVproposed,whichimprovestherobustnessofthesystemobservably,comparingtoconventionalFMOtechnique.Inthelastpart,aconclusionofthearticleandtheexpectationofthefuturecodingtechniquesaremade.Keywords:H.264,AVS,intraprediction,CBP,errorconcealmentV1绪论1.1目前的现状近些年来，数字视频通信产品正迅速的进入办公室和普通家庭中。其覆盖领域已触及到通信、多媒体、广播电视和计算机等各个角落，其应用范围渗透到从低端到高端不同的视频通讯应用。随着网络技术的发展以及网络环境的改善，昀终用户接入网络的带宽较以前有了巨大的改善,宽带网络技术正逐渐成为主流接入技术，另一方面随着3G技术的成熟和无线通讯技术的发展，交互的个人视频通讯和高质量的视频广播给当前的视频压缩技术带来了新的挑战。以往的视频压缩技术已经不能适应网络环境的改变或是需要改进。总之，新型的数字视频应用需要新一代的视频压缩标准[1]。越来越多的研究工作者对视频编码、视频处理提出了新理论和新方法，同时各种国际组织参与视频标准的制定。如ISO/IEC成立了JPEG(JointPhotographicExpertGroup)和MPEG(MovingPictureExpertsGroup)并先后完成了JPEG、JPEG2000、MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4标准的制定；ITU-T也先后制定了H.261、H.262(与MPEG组织合作)、H.263/H263+/H.263++等一系列国际数字视频压缩编码。但是这些算法都有很强的针对性，如:MPEG-1是针对视频存储的（VCD）；MPEG-2虽称为通用标准，但主要用于广播和数字电视；MPEG-4的应用面广，但还有需要完善和改进的地方；H.26x系列主要针对实时的视频会议，它们都有自己的一些特殊的限制条件，如H.26x需要对等的编解码环境、低时延、低等待时间等。前面所说，随着网络的发展，无论是Internet网还是无线网络，都迫切需要一种新型的压缩算法，它不仅有高的压缩比；而且可以根据不同的网络条件提供不同质量的视频服务，可以应用在低带宽的信道，也可以应用在高带宽的信道；同时还应该有一定的网络自适应功能。所以ITU-T在完成H.263之后，致力于一个短1期的目标H.263++，和一个长期的目标H.26L，这就是H.264[2]的前身。后来MPEG组织和ITU-T组织联合组成了JVT（JointVideoCodingExpertsGroup）―联合视频专家组，共同研究新的编码方案，分别命名为MPEG-4part10“AdvancedVideoCoding”(AVC)和H.264，它的应用范围极其广泛。视频压缩编码技术是多媒体通信技术发展中昀有活力的研究领域之一，同时也是未来多媒体通信技术领域的研究热点和重点。AVS(AudioVideoCodingStandard)是中国自主制定的音视频编码技术标准。AVS工作组成立于2002年6月，2003年底完成视频部分定稿，2004年第一季度启动面向新一代移动通信的视频编码标准制定，2004年底完成主层（Mainprofile），预计2006年第一季度完成高级层(Advancedprofile)。1.2视频编码标准的发展历史及特点从1990年H.261视频压缩标准正式出台以来，新的技术、算法和方案不断的涌现。主要有两大组织ITU-T和ISO/IEC贡献很多。ITU-T主要针对低码率视频编码制订的，标准为H.26x系列，ISO/IEC主要提出了MPEG系列标准，它不仅包括视频还有音频、系统和复用等。AVS标准的制定更使我国拥有了自主知识产权的国际音视频编码标准，视频编码标准的发展历史如图1.1所示：2图1.1视频编码标准的发展历史1.2.1H.261H.261主要是为（Px64kbits/s）码率的实时视频应用设计的。主要应用离散余弦变换(DCT)、可变长编码(VLC)、运动估计(ME)/运动补偿(MC)技术，是视频编码标准的原型。为减低运算复杂度不包含双向预测编码模式，运动补偿中运动矢量以像素为单位。1.2.2MPEG-1MPEG-1是以CD-ROM为存储媒体，以ISDN、局域和广域网为传输媒体制定的，码率高达1.5Mbits/s。它在H.261的基础上加入了双向预测帧（B帧）。码流分为宏块条，每一个宏块条都有自己的头，当出现比特错误时，用来重同步。错误的宏块用相应解码好的宏块代替，直到下一个宏块正确解码。MPEG-1分帧内和帧间两种编码方式，以宏块为组织。引入了码率控制和抗误码的机制。帧间编码采用运动补偿预测编码方案，支持单向和双向预测编码。为了限制误码传递和提供强大的随机访问功能，宏块经常被强制为无预测的帧内编码模式。31.2.3MPEG-2/H.262在MPEG-1的基础上，ISO/IEC制定了MPEG-2标准，ITU-T采纳为H.262，MPEG-2是以MPEG-1算法为基础并在质量、码率、算法和应用方面进行很多的扩展。MPEG-2支持交织视频的帧场混合编码，它包含很多的层(Profile)和级(Level)(为整个标准的子集)，支持时间、空间和质量的分级性，以满足从消费领域到专业的演播室编辑、从低码率通信到高清晰度数字电视（HDTV）等全方位视频业务的需要。其码率在1.5－35Mbits/s之间。MPEG-2和MPEG-1的主要不同之处在于MPEG-2采用分层结构和支持多格式输入、支持场格式、数字电视（标清、高清）和网络通讯分层的结构，把码流分为基本层和增强层，这样不同的网络条件和性能不同的解码器有相应的码流。此外还引入错误掩盖以及相关技术。1.2.4H.263H.263建议是为甚低码率视频压缩制定的第一个标准，H.263在H.261的基础上作进一步的改进，它在更低的码率下有更好的视频质量。允许音视频信息在低至9.6Kbits/s的信道上传输，采用的编码算法与H.261类似，做了以下一些改进：加入了PB编码帧，支持单双向编码；使用8x8像素的运动矢量场；半像素运动矢量估计；交叠运动补偿。在第一版中加入了四种编码选项：非限定运动矢量、算术编码、高级预测和PB帧。在它的后续版本H.263+、H.263++中又加入了一些更先进的技术。H.2