H.264 FRExt技术实现和运用

 

　　一、简介

　　H.264是ITU-T以H.26x系列为名称命名的标准之一，同时AVC是ISO/IEC MPEG一方的称呼。这个标准通常被称之为H.264/AVC（或者AVC/H.264或者H.264/MPEG-4 AVC或MPEG-4/H.264 AVC）而明确的说明它两方面的开发者。该标准早来自于ITU-T的称之为H.26L的项目的开发。H.26L这个名称虽然不太常见，但是一直被使用着。JVT于2003年5月完成H.264基本部分标准制定工作，包含Baselineprofile、Extended profile和Main profile,分别包括不同的编码工具，如表1所示。

　　H.264是一种高性能的视频编解码技术。目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是"国际电联（ITU-T）",它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是"国际标准化组织（ISO）"它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组（JVT）共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4视频编码（Advanced Video Coding,AVC），而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。因此，不论是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10,还是ISO/IEC 14496-10,都是指H.264.

　　在2004年7月，JVT又完成了H.264FRExt（即：FidelityRangeExtensions）扩展部分（Amendment）的制定工作，包括High profile（HP）、High 10 profile（Hi10P）、High 4:2:2 profile（Hi422P）、High 4:4:4 profile（Hi444P） 4个profile.此外，JVT于2005年1月开始进行H.264的一个新扩展部分分层编码SVC的标准制定工作，计划于2006年底完成。本文主要介绍H.264 FRExt中的主要技术点及其应用情况。

　　JVT（Joint Video Team），联合视频编码组。JVT的组成成员主要来自ISO/IEC组织的MPEG小组以及来自ITU组织的VCEG小组。JVT编码组的形成是在视频压缩标准的研讨过程形成的。在2001年6月，经过评估发现，H.26L编码技术基本能够满足MPEG的标准需求，因此MPEG中的成员和VCEG中的成员组成了一个新的小组，叫做Joint Video Team,来推动和管理H.26L的标准化开发。

 
       

 

　　JVT 近完成了一个对原标准的拓展，该拓展被称为高拓展（Fidelity Range Extensions, FRExt）。该拓展通过支持更高的像素（包括10位元和12位元像素）和支持更高的色度抽样率（包括YUV 4:2:2和YUV 4:4:4）来支持更高的视频编码。该拓展加入了一些新的特性（比如自适应的4x4和8x8的整数变换，用户自定义量化加权矩阵，高效的帧间无失真编码，支持新增的色度空间和色度参差变换）。该拓展的设计于2004年7月完成，草案也于2004年9月完成。由于该标准的早版本于2003年5月完成，JVT已经完成了一轮对标准的勘误工作，新一轮的勘误也已于近完成并且得到了ITU-T的批准，不久也将被MPEG批准。

　　二、FRExt技术特点

　　1.FRExt4个profile

　　H.264Baselineprofile、Extendedprofile和Main profile都是针对8位样本数据、4:2:0格式的视频序列，FRExt将其扩展到8~12位样本数据，视频格式可以为4:2:0、4:2:2、4:4:4,设立了High profile（HP）、High 10 profile（Hi10P）、High 4:2:2 profile（Hi422P）、High 4:4:4 profile（Hi444P） 4个profile,这4个profile都以Main profile为基础，并且为逐渐扩展的包含关系，其所包含的编码工具和相互关系如表2所示。

       

　　2.变换方法

　　由于FRExt针对高分辨率的视频图象，因此，为了得到更好的编码效率，在FRExt里增加了一种整数8%8变换方法，变换矩阵为：

        

　　其计算为（8+n）位，其中输入视频样本为n位。该变换方法可以通过蝶形方式快速实现，其计算复杂度比H.264中的4%4变换方法稍多一点，见表3所示。 

        

　　在编码过程中，对于每个宏块MB编码器选择采用4%4变换还是8%8变换，但是，对于帧间宏块，如果采用8%8子划分方式（即采用4%8、8%4、4%4模式），则亮度分量采用4%4变换方法；而对于帧内宏块，如果亮度分量采用8%8预测方法，则亮度分量采用8%8变换方法。

　　3.帧内预测方法

　　在H.264基本部分中，有16%16和4%4两种预测模式，前者包括4个预测方向，后者包括9个预测方向，FRExt增加8%8预测模式，包括与4%4类似的9个预测方向，并且，8%8预测还增加了对参考样本点的预滤波处理过程，即在预测前对参考样本点进行低通滤波处理。

　　4.量化方法

　　类似于MPEG-2,FRExt量化方法采用了基于感知的量化因子矩阵，包括针对帧内和帧间块的两种类型矩阵。该方法不以提高客观质量（如PSNR值）为目标，而以提高主观质量为考虑点。

　　5.熵编码方法

　　与4%4类似，FRExt中8%8扫描方式也包括zig-zag和场扫描两种扫描方式。FRExt对CABAC编码的上下文模型（contextmodels）进行了扩展。

　　6.色度空间

　　与以前的视频编码标准一样，H.264基本部分是按照YCbCr色度空间进行编码的，其转换方法为：

　　例如，可取KR=0.2126,KB=0.0722.

　　FRExt采用了一种新的色度空间YCgCo,其变换方法为：

　　YCgCo可以减少转换过程的计算复杂度、提高编码效率。

　　7.无损编码

　　在H.264基本部分里，通过PCM宏快模式可以支持无损编码或者对某一区域进行无损编码。在PCM宏快模式里，样本值将直接进行编码，而不需要进行预测、变换和量化。FRExt采用了更为有效的无损编码方法，不进行变换，但对样本值采用预测和熵编码的方法。

　　三、FRExt编码性能和应用分析

　　经测试，就高清视频编码来说，在相同配置情况下，Highprofile（HP）可以比Mainprofile（MP）节省10%的码流量，比MPEG-2MP节省60%的码流量。就单色静止图象压缩来说，当采用全帧内编码（INTRA）模式时，H.264 HP可以比JPEG-2000平均提高0.5dB.几个具体测试数据可以参见图1、图2和图3.

        
          

          

　　由于H.264FRExt（Highprofile）具有更好的编码性能，因此，自从JVT完成H.264FRExt标准制定工作后，原来采用H.264 Main profile的应用（例如，高清电视、HD-DVD等）都倾向于采用High profile,例如，DVB在TS 101 154 和TS 102 005中采用HP为卫星、光缆和地面广播中的视频标准，DVD论坛的HD-DVD规定HP为每一个解码器的强制标准之一，蓝光标准协会（Blu-Ray Disc Association）BDA在其BD规范中规定HP为每一个解码器的强制标准之一。可以预见，H.264 FRExt（High profile）标准将会在高清视频应用领域获得广泛的应用。

　　四、结束语

　　针对不同的应用领域，H.264视频标准提供了Baseline、Extended、Main、High、High10、High4:2:2和High4:4:4一共7个profile,其中Baseline profile已经应用于3GPP、会议电视、可视电话等实时通信领域，Main profile已经应用于ISMA等流媒体领域，High profile已经应用于DVB、HD-DVD等广电和存储领域。