浅谈H.264视频编码标准的关键技术

戴静 张顺玲 李秋京 马艳杰

摘要：随着无线通信技术的日益发展，针对无线网络的视频传输逐渐成为了多媒体领域研究的热点问题，无线网络的视频监控系统会得到广泛使用。H.264是最新的国际视频编码标准， 通过许多的新技术来提高编码的性能。本文对H.264中的帧内预测和帧间预测、整数变换与量化、熵编码关键技术进行详细介绍。

关键词：H.264 帧内预测 帧间预测 熵编码

中图分类号：TN919.81 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0233-01

随着无线通信技术和多媒体技术的飞速发展，不断涌现出越来越多的数字视频业务。视频的编码技术成为了人们研究的热点问题。目前，视频编码技术可以分成两大部分，分别是由ISO/IEC制定的MPEG-x系列和由ITUT-T制定的H.26x系列。所有的视频编码技术所要解决的共同问题就是用最少的存储容量来保证最好的图像质量。传统的视频编码技术在实用的过程中总是会出现或多或少的问题，为此，ISO/IEC和ITUT-T两大国际标准化组织建立了联合视频工作组，提出了一种最新的国际视频编码标准H.264。

1 H.264视频压缩编码原理

在编码过程中，将视频帧分为帧内编码和帧间编码两种模式。针对帧内编码模式，其预测值是由当前帧内已编码的宏块经过运动补偿得到的。编码流程为：首先变换和量化残差数据，其次对量化后的数据进行算数编码和变长编码，最后生成用于后继块编码参考的重构块。针对帧间编码模式，其预测值是通过与当前宏块相邻的重构块解码后重建的上侧和左侧像素点的值来决定的。编码流程为：首先进行运动估计，其次通过运动补偿产生残差数据，最后对残差数据进行变换、量化、编码。

2 H.264编码关键技术研究

2.1 帧内预测编码

对比其他的编码技术，H.264提供了更多不同的工具来降低码率。帧内预测是运用相邻块的像素来对当前块进行预测，是一种空间域上的编码算法。针对4×4亮度块有9种预测模式，如图1所示。

针对16×16亮度块有4种预测模式，分别为垂直模式、水平模式、平均模式以及平面模式，具体预测模式如图2所示。

2.2 帧间预测编码

为了提高运动估计和运动补偿的精度和速度，在H.264中允许编码器使用前一帧用于运动估计。在运动预测中，宏块的分解不再只是4×4和16×16两种模式，而是可以分解成1个16×16、2个16×8、2个8×16或者4个8×8四种形式，编码率得到了提升。

2.3 整数变换和量化

整数变换是指H.264对帧内或者帧间预测的残差进行离散余弦变换（Discrete Cosine Transform， DCT）编码。进行量化的原因是尽可能减少图像编码长度和图像中冗余的信息来降低码流，并能保证视频质量的不下降。在H.264压缩标准中将整数变换编码和量化两个过程结合在一起。

2.4 熵编码

在H.264标准中使用了UVLC（Universal Variable Length Coding）和CABAC（Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding）两种熵编码方法对残差系数进行编码。其中，UVLC算法简单，但是对于时间要求很严格，效率低。CABAC编码减少了块编码的相关性冗余，编码效率高，但是计算起来相对比较复杂。

3 结语

H.264是新一代的视频编解码标准，与现有的H.263和MPEG-2相比拥有很强的编码优势。H.264编码效率高，可以很好地提升压缩率。随着无线技术和多媒体技术的日益发展，H.264视频编解码标准将会拥有更加广阔的应用空间。

参考文献

[1]聂晓波.基于H.264压缩域的视频水印算法研究[D].河北工业大学，2014.

[2]谢涛.基于视频压缩标准H.264的研究及应用[D].中南民族大学，2009.