H.264的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及在H.323系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)，視訊業(yè)務(wù)由于可以為處于多點(diǎn)的與會(huì)者提供音視頻等多種信息，節(jié)省大量費(fèi)用，提高工作效率，因而發(fā)展迅速，并有望成為NGN的主要業(yè)務(wù)。視訊會(huì)議系統(tǒng)從產(chǎn)生至今，發(fā)展了多種適于各類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，目前傳輸多媒體信息的主要有H.323、H.324和H.320等系統(tǒng)。IP技術(shù)的開(kāi)放性特點(diǎn)使得它非常適合承載多種業(yè)務(wù)，隨著IP的安全和QoS等問(wèn)題的逐步解決，以IP作為承載網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)將更加明顯，下一代網(wǎng)絡(luò)也將采用IP技術(shù)作為承載網(wǎng)技術(shù)。因此，本文以適用于在IP網(wǎng)上提供多媒體業(yè)務(wù)的H.323系統(tǒng)為主進(jìn)行闡述。H.264是由JVT為實(shí)現(xiàn)視頻的更高壓縮比，更好的圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性而提出的新的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)證明，H.264編碼更加節(jié)省碼流，它內(nèi)在的抗丟包、抗誤碼能力和良好網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性使它非常適于IP傳輸，H.264有望成為H.323系統(tǒng)中首選的視頻標(biāo)準(zhǔn)。

H.323系統(tǒng)對(duì)視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)提出了以下三個(gè)主要要求：

（1）一些IP網(wǎng)絡(luò)接入方式如xDSL可提供的帶寬有限，除去音頻、數(shù)據(jù)占用的帶寬，傳輸視頻的可用帶寬就更少，這就要求視頻編解碼壓縮率高，這樣就可以在一定的比特率下具有更好的圖像質(zhì)量。

（2）抗丟包性能和抗誤碼性能好，適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括丟包和誤碼嚴(yán)重的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

（3）網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性好，便于視頻流在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

二、H.264適于H.323系統(tǒng)的三個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

H.264在制定時(shí)充分考慮了多媒體通信對(duì)視頻編解碼的各種要求，并借鑒了以往視頻標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，因而具有明顯的優(yōu)勢(shì)。以下將結(jié)合H.323系統(tǒng)對(duì)視頻編解碼技術(shù)的要求，闡述H.264的三個(gè)優(yōu)勢(shì)。

1. 壓縮率和圖像質(zhì)量方面

對(duì)傳統(tǒng)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、變換編碼和熵編碼等算法的改進(jìn)，使H.264的編碼效率和圖像質(zhì)量在以往標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。

（1）可變塊大小：幀間預(yù)測(cè)時(shí)可以靈活選擇塊的大小。在宏塊（MB）劃分上H.264采用了16×16，16×8，8×16，8×8四種模式；當(dāng)劃分為8×8模式時(shí)，又可進(jìn)一步采用8×4、4×8、4×4三種子宏塊劃分模式進(jìn)一步劃分，這樣可以使運(yùn)動(dòng)物體的劃分更加精確，減小預(yù)測(cè)誤差，提高編碼效率。幀內(nèi)預(yù)測(cè)一般采取兩種亮度預(yù)測(cè)模式：Intra_4×4和Intra_16×16。Intra_4×4適合圖像中細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域，而Intra_16×16模式更適合粗糙的圖像區(qū)域。

（2）高精度運(yùn)動(dòng)估值：在H.264中亮度信號(hào)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的精度是1/4像素。如果運(yùn)動(dòng)矢量指向參考圖像的整像素位置，預(yù)測(cè)值就是該位置上參考圖像像素的值；否則使用6階FIR濾波器的線(xiàn)性?xún)?nèi)插獲得1/2像素位置的預(yù)測(cè)值，通過(guò)取整數(shù)和1/2像素位置像素值均值的方式獲得1/4像素位置的值。顯然采用高精度運(yùn)動(dòng)估計(jì)會(huì)進(jìn)一步減小幀間預(yù)測(cè)誤差。

（3）多參考幀運(yùn)動(dòng)估值：每一個(gè)M×N亮度塊都要經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)得到運(yùn)動(dòng)矢量和參考圖像索引，子宏塊中的每個(gè)子宏塊劃分都會(huì)有不同的運(yùn)動(dòng)矢量。選擇參考圖像過(guò)程是在子宏塊層次上進(jìn)行的，因而一個(gè)子宏塊中的多個(gè)子宏塊劃分在預(yù)測(cè)時(shí)使用相同的參考圖像，而同一個(gè)slice的多個(gè)子宏塊之間選擇的參考圖像可以不同，這就是多參考幀運(yùn)動(dòng)估值。

（4）參考圖像的選取更加靈活：參考圖像甚至可以是采用雙向預(yù)測(cè)編碼方式的圖像，這就允許選取與當(dāng)前圖像更加匹配的圖像為參考圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而可以減小預(yù)測(cè)誤差。

（5）加權(quán)預(yù)測(cè)：允許編碼器以一定的系數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)值進(jìn)行加權(quán)，從而在一定的場(chǎng)景下可以提高圖像質(zhì)量。

（6）運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償循環(huán)內(nèi)的消除塊效應(yīng)濾波器：為消除在預(yù)測(cè)和變換過(guò)程中引入的塊效應(yīng)，H.264也采用了消除塊效應(yīng)濾波器，但不同的是H.264的消除塊效應(yīng)濾波器位于運(yùn)動(dòng)估計(jì)循環(huán)內(nèi)部，因而可以利用消除塊效應(yīng)以后的圖像去預(yù)測(cè)其他圖像的運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。

2. 抗丟包和抗誤碼方面

參數(shù)集、片的使用、FMO、冗余片等關(guān)鍵技術(shù)的使用可以大大提高系統(tǒng)的抗丟包和抗誤碼性能。

（1）參數(shù)集：參數(shù)集及其靈活的傳送方式會(huì)大大降低因關(guān)鍵的頭信息丟失而造成錯(cuò)誤發(fā)生的可能。為保證參數(shù)集可靠地到達(dá)解碼器端，可以采用重發(fā)的方式多次發(fā)送同一參數(shù)集，或傳送多個(gè)參數(shù)集。

（2）片（slice）的使用：圖像可以劃分成一個(gè)或幾個(gè)片。將圖像劃分為多個(gè)片，當(dāng)某一片不能正常解碼時(shí)的空間視覺(jué)影響就會(huì)大大降低，而且片還提供了重同步點(diǎn)。

（3）PAFF和MBAFF：當(dāng)對(duì)隔行掃描圖像進(jìn)行編碼時(shí)，由于兩個(gè)場(chǎng)之間存在較大的掃描間隔，這樣，對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像來(lái)說(shuō)幀中相鄰兩行的空間相關(guān)性相對(duì)于逐行掃描時(shí)就會(huì)減小，這時(shí)對(duì)兩個(gè)場(chǎng)分別進(jìn)行編碼會(huì)更節(jié)省碼流。對(duì)幀來(lái)說(shuō)，存在三種可選的編碼方式，將兩場(chǎng)合并作為一幀進(jìn)行編碼或?qū)蓤?chǎng)分別編碼或?qū)蓤?chǎng)合并起來(lái)作為一幀，但不同的是將幀中垂直相鄰的兩個(gè)宏塊合并為宏塊對(duì)進(jìn)行編碼。前兩種稱(chēng)為PAFF編碼，對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行編碼時(shí)場(chǎng)方式有效，非運(yùn)動(dòng)區(qū)域由于相鄰兩行有較大的相關(guān)性，因而幀方式會(huì)更有效。當(dāng)圖像同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)區(qū)域和非運(yùn)動(dòng)區(qū)域時(shí)，在MB層次上，對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域采取場(chǎng)方式，對(duì)非運(yùn)動(dòng)區(qū)域采取幀方式會(huì)更加有效，這種方式就稱(chēng)為MBAFF。

（4）FMO：通過(guò)FMO可以進(jìn)一步提高片的差錯(cuò)恢復(fù)能力。通過(guò)片組（slice group）的使用，F(xiàn)MO改變了圖像劃分為片和宏塊的方式。宏塊到片組的映射定義了宏塊屬于哪一個(gè)片組。利用FMO技術(shù)，H.264定義了七種宏塊掃描模式。

（1）幀內(nèi)預(yù)測(cè)：H.264借鑒了以往視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)在幀內(nèi)預(yù)測(cè)上的經(jīng)驗(yàn)，值得注意的是，在H.264中，IDR圖像可以使參考圖像緩存無(wú)效，之后的圖像在解碼時(shí)不再參考IDR圖像之前的圖像，因而IDR圖像具有很好的重同步作用。在一些丟包和誤碼嚴(yán)重的信道中，可以采取不定期傳送IDR圖像的方式進(jìn)一步提高H.264的抗誤碼和抗丟包性能。