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### 新一代视频压缩编码标准—H.264/AVC #### 一、引言与背景 视频压缩编码技术自1984年CCITT（国际电信咨询委员会）发布首个视频编码国际标准以来，已经历了二十多年的发展历程。随着互联网技术和移动通信的快速发展，视频信息和多媒体数据在这些平台上的处理与传输变得尤为重要。然而，视频信息的数据量巨大，为了使其能够得到有效利用，必须解决视频压缩编码问题，并确保压缩后的视频质量。这一过程中存在的主要矛盾在于如何在保持较高视频质量的同时实现较大的压缩比。 #### 二、H.264/AVC概述 2003年3月，ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）和ISO（国际标准化组织）联合发布了H.264/AVC视频压缩标准。H.264/AVC以其卓越的性能被誉为新一代视频编码标准。相比于之前的视频编码标准如H.263和MPEG-4，H.264/AVC能够在保持相同视频质量的前提下将码率降低约50%，或者在相同的码率下显著提高信噪比。这种性能上的巨大提升使得H.264/AVC在全球范围内受到广泛关注。 #### 三、H.264/AVC的技术特点 1. **高效的压缩算法**：H.264/AVC采用了一系列先进的压缩技术，包括帧间预测、帧内预测以及更加精细的运动估计方法，从而实现了更高的压缩效率。 2. **灵活的码流结构**：该标准支持多种不同的码流结构，可以根据应用场景的需求灵活选择，如低延迟、高分辨率或高质量等不同场景。 3. **强大的错误恢复机制**：为了应对网络传输中的丢包问题，H.264/AVC引入了多种错误恢复机制，增强了视频传输的鲁棒性。 4. **广泛的适用范围**：H.264/AVC不仅适用于传统的广播视频，还适用于互联网视频、移动视频等多种应用场景。 #### 四、H.264/AVC的关键技术 - **帧间预测编码**：通过分析相邻帧之间的差异来减少冗余数据，这是H.264/AVC实现高效压缩的核心技术之一。 - **帧内预测编码**：通过对同一帧内的块进行预测，减少同一帧内部的冗余数据。 - **运动补偿**：通过精确的运动向量估计来提高预测精度，从而降低比特率。 - **熵编码**：包括上下文自适应二进制算术编码（CABAC）和上下文自适应变长编码（CAVLC），用于更有效地表示经过变换后的系数和运动向量。 - **环路滤波**：通过对重建图像进行去块效应滤波，改善图像质量。 #### 五、H.264/AVC的应用 - **视频会议**：H.264/AVC的高效压缩特性使其成为视频会议的理想选择。 - **互联网视频流**：在网络带宽有限的情况下，H.264/AVC能够提供流畅的视频体验。 - **数字电视广播**：该标准已成为数字电视广播的标准配置之一。 - **移动视频**：在移动设备上观看高清视频成为可能。 #### 六、结论 H.264/AVC视频压缩标准凭借其出色的性能和灵活性，极大地推动了视频通信和数字电视广播领域的发展。无论是对于学术研究还是工业实践，H.264/AVC都是一项重要的技术突破。未来，随着技术的不断进步和发展，H.264/AVC将继续发挥其重要作用，并为视频编码技术的进步贡献力量。
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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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