论文部分内容阅读
我国现有有线电视用户1亿户，模拟电视机4亿多台。我国主要大中城市的有线广播电视网已经基本完成了采集、制作、播出的数字化，卫星和光缆干线也基本实现了数字信号的传输。2004年是广电总局确定的“数字发展年”和“产业发展年”，广电总局明确提出整体平移的战略发展思想，并向全国推行“青岛模式”、“佛山模式”，以解决机顶盒给数字电视产业发展带来的障碍，通过国家和各地方政府部门的大力支持，使中国数字电视发展进入了快速发展期。
数字电视业务的开展需要足够的带宽资源作为保证，根据我国数字电视业务发展的态势，在不久的将来，数字付费频道的数目将增加至上百个，再加上视频点播、高清、电视网站、交互电视、股票行情与分析等业务的开展，数字电视运营平台将提供给广大用户丰富的数字电视产品及相关服务。然而随着数字电视业务的不断增加，在现有带宽资源有限的条件下如何提高传输信道带宽的利用率已经成为各数字电视运营平台亟待解决的问题。同时随着图像压缩编码技术、互联网技术和多媒体技术的快速发展，特别是H.264编码技术的出现，为数字电视业务开展提供了更为广阔的技术平台。
数字电视的特点
数字电视技术能更有效地利用各类频道资源，它采用数字录像机和非线性编辑系统制作节目，使得数字电视节目质量明显提高，节目易于存贮处理。数字电视视觉清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强。数字电视信号的传输不象模拟信号在传输过程中受噪声积累的影响，在接收端收看到的电视图像非常接近演播室水平。随着电视传输和用户接收的数字化，以往用模拟方式无法提供的服务将成为可能，电视网站、交互电视、股票行情与分析、视频点播等新业务的开展将变得更加容易，用户将从单纯的收视者变为积极的参加者。
数字电视编码状况
目前我国数字电视运营平台基本均采用MPEG-2编码方式对付费电视节目进行编码传输，每套标清节目的平均占用带宽约为2.5~5.5Mbps，在一个模拟电视频道中只能够传送6~8套标清数字电视节目；每套高清数字节目占用带宽约为20~25Mbps左右，每个模拟电视频道只能传输一套高清数字电视节目，信道带宽无法得到更充分的利用。
H.264技术特点及优势
JVT（Joint Video Team，视频联合工作组）于2001年12月在泰国Pattaya成立。它由ITU-T和ISO两个国际标准化组织的有关视频编码的专家联合组成。JVT的工作目标是制定一个新的视频编码标准，以实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。目前JVT的工作已被ITU-T接纳，新的视频压缩编码标准称为H.264标准，该标准也被ISO接纳，称为AVC（Advanced Video Coding）标准，是MPEG-4的第10部分。
H.264标准可分为三档：基本档次（其简单版本，应用面广）；主要档次（采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等）；扩展档次（可用于各种网络视频流的传输）。
H.264不仅比H.263和MPEG-2节约了50％的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中的视频流媒体传输。H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264能适应不同网络中的视频传输，网络亲和性好。
1、H.264视频压缩系统
H.264标准压缩系统由视频编码层（VCL）和网络提取层（Network Abstraction Layer，NAL）两部分组成。VCL中包括VCL编码器与VCL解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码，它包括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元。NAL则用于为VCL提供一个与网络无关的统一接口，它负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送。它采用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头中包含存储标志和类型标志。存储标志用于指示当前数据不属于被参考的帧。类型标志用于指示图像数据的类型。VCL可以传输按当前的网络情况调整的编码参数。
2、H.264的技术特点
（1）H.264和H.261、H.263一样，也是采用DCT变换编码加DPCM的差分编码，即混合编码结构。同时，H.264在混合编码的框架下引入了新的编码方式，提高了编码效率，更贴近实际应用。
（2）H.264没有繁琐的选项，而是力求简洁地“回归基本”，它具有比H.263++更好的压缩性能，又具有适应多种信道的能力；
（3）H.264的应用目标广泛，可满足各种不同速率、不同场合的视频应用，具有较好的抗误码和抗丢包的处理能力；
（4）具有开放的性质和适应性；
（5）尽管H.264编码基本结构与H.261、H.263类似，但它在很多环节做了改进：
①多种更好的运动估计
?誗高精度估计
在H.263中采用了半像素估计，在H.264中则进一步采用1/4像素甚至1/8像素的运动估计。即真正的运动矢量的位移可能是以1/4甚至1/8像素为基本单位的。显然，运动矢量位移的精度越高，则帧间剩余误差越小，传输码率越低，即压缩比越高。
对于4:1:1的视频格式，亮度信号的1/4 像素精度对应于色度部分的1/8像素的运动矢量，因此需要对色度信号进行1/8像素的内插运算。
理论上，如果将运动补偿的精度增加一倍（例如从整像素精度提高到1/2像素精度），可有0.5bit/Sample的编码增益，但实际验证发现，在运动矢量精度超过1/8像素后，系统基本上就没有明显增益了，因此，在H.264中，只采用了1/4像素精度的运动矢量模式，而不是采用1/8像素的精度。
?誗多宏块划分模式估计
在H.264的预测模式中，一个宏块（MB）可划分成7种不同模式的尺寸，这种多模式的灵活、细微的宏块划分，更切合图像中的实际运动物体的形状，于是，在每个宏块中可包含有1、2、4、8或16个运动矢量。
?誗多参数帧估计
在H.264中，采用多个参数帧的运动估计，即在编码器的缓存中存有多个刚刚编码好的参数帧，编码器从中选择一个给出更好的编码效果的作为参数帧，并指出哪个帧被用于预测，这样就可获得比只用上一个刚编码好的帧作为预测帧更好的编码效果。
②小尺寸4×4的整数变换
视频压缩编码中以往的常用单位为8×8块，在H.264中却采用小尺寸的4×4块，由于变换块的尺寸变小了，运动物体的划分就更为精确。这种情况下，图像变换过程中的计算量小了，而且在运动物体边缘的衔接误差也大为减少。
当图像中有较大面积的平滑区域时，为了不产生因小尺寸变换带来的块间灰度差异，H.264可对帧内宏块亮度数据的16个4×4块的DCT系数进行第二次4×4块的变换，对色度数据的4个4×4块的DC系数（每个小块一个，共4个DC系数）进行2×2块的变换。
③更精确的帧内预测
在H.264中，每个4×4块中的每个像素都可用17个最接近先前已编码的像素的不同加权和来进行帧内预测。
④统一的VLC
H.264中采用熵编码有两种方法。
a)统一的VLC（即UVLC：Universal VLC）。UVLC使用一个相同的码表进行编码，而解码器很容易识别码字的前缀，UVLC在发生比特错误时能快速获得重同步。
b)内容自适应二进制算术编码（CABAC：Context Adaptive Binary Arithmetic Coding）。其编码性能比UVLC稍好，但复杂度较高。
⑤去块循环滤波器
基于块编码的压缩算法的特点是偶尔产生可见的块结构，由于块边沿的精度比内部差，块效应是目前压缩算法的常见人工瑕疵。H.264/AVC定义了一个自适应循环滤波器，滤波的强度通过几个语法元素控制。
滤波的基本思想是：如果块边沿的绝对差值相对比较大，出现块人工瑕疵的可能性就很大，因此需要进行相应处理。然而，如果差值幅度很大，编码量化过程的误差不能解释，边沿很可能反映了源图像的实际样值，不需处理。
经过滤波处理，减少了块效应，而图像的质量基本不受影响，因此主观质量大大改善。如果不滤波，同样的主观质量，需要多出5%~10%的码率。
3、性能优势
H.264具有比MPEG-2更优秀的PSNR性能，H.264的PSNR比MPEG-2平均要高2dB以上。
应用方法
目前我国采用DVB标准进行数字电视的传输，DVB标准具有良好的兼容性，在数字电视运营平台前端采用H.264编码器进行编码，编码后的码流采用DVB格式进行封装即可。由于H.264具有很高的编码压缩效率，这样便达到了提高传输信道带宽利用率的目的。
总 结
作为一种新的国际标准，H.264在编码效率、图像质量、网络适应性和抗误码方面都取得了成功。H.264将在数字电视领域具有更为广阔的应用。
数字电视业务的开展需要足够的带宽资源作为保证，根据我国数字电视业务发展的态势，在不久的将来，数字付费频道的数目将增加至上百个，再加上视频点播、高清、电视网站、交互电视、股票行情与分析等业务的开展，数字电视运营平台将提供给广大用户丰富的数字电视产品及相关服务。然而随着数字电视业务的不断增加，在现有带宽资源有限的条件下如何提高传输信道带宽的利用率已经成为各数字电视运营平台亟待解决的问题。同时随着图像压缩编码技术、互联网技术和多媒体技术的快速发展，特别是H.264编码技术的出现，为数字电视业务开展提供了更为广阔的技术平台。
数字电视的特点
数字电视技术能更有效地利用各类频道资源，它采用数字录像机和非线性编辑系统制作节目，使得数字电视节目质量明显提高，节目易于存贮处理。数字电视视觉清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强。数字电视信号的传输不象模拟信号在传输过程中受噪声积累的影响，在接收端收看到的电视图像非常接近演播室水平。随着电视传输和用户接收的数字化，以往用模拟方式无法提供的服务将成为可能，电视网站、交互电视、股票行情与分析、视频点播等新业务的开展将变得更加容易，用户将从单纯的收视者变为积极的参加者。
数字电视编码状况
目前我国数字电视运营平台基本均采用MPEG-2编码方式对付费电视节目进行编码传输，每套标清节目的平均占用带宽约为2.5~5.5Mbps，在一个模拟电视频道中只能够传送6~8套标清数字电视节目；每套高清数字节目占用带宽约为20~25Mbps左右，每个模拟电视频道只能传输一套高清数字电视节目，信道带宽无法得到更充分的利用。
H.264技术特点及优势
JVT（Joint Video Team，视频联合工作组）于2001年12月在泰国Pattaya成立。它由ITU-T和ISO两个国际标准化组织的有关视频编码的专家联合组成。JVT的工作目标是制定一个新的视频编码标准，以实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。目前JVT的工作已被ITU-T接纳，新的视频压缩编码标准称为H.264标准，该标准也被ISO接纳，称为AVC（Advanced Video Coding）标准，是MPEG-4的第10部分。
H.264标准可分为三档：基本档次（其简单版本，应用面广）；主要档次（采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等）；扩展档次（可用于各种网络视频流的传输）。
H.264不仅比H.263和MPEG-2节约了50％的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中的视频流媒体传输。H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264能适应不同网络中的视频传输，网络亲和性好。
1、H.264视频压缩系统
H.264标准压缩系统由视频编码层（VCL）和网络提取层（Network Abstraction Layer，NAL）两部分组成。VCL中包括VCL编码器与VCL解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码，它包括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元。NAL则用于为VCL提供一个与网络无关的统一接口，它负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送。它采用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头中包含存储标志和类型标志。存储标志用于指示当前数据不属于被参考的帧。类型标志用于指示图像数据的类型。VCL可以传输按当前的网络情况调整的编码参数。
2、H.264的技术特点
（1）H.264和H.261、H.263一样，也是采用DCT变换编码加DPCM的差分编码，即混合编码结构。同时，H.264在混合编码的框架下引入了新的编码方式，提高了编码效率，更贴近实际应用。
（2）H.264没有繁琐的选项，而是力求简洁地“回归基本”，它具有比H.263++更好的压缩性能，又具有适应多种信道的能力；
（3）H.264的应用目标广泛，可满足各种不同速率、不同场合的视频应用，具有较好的抗误码和抗丢包的处理能力；
（4）具有开放的性质和适应性；
（5）尽管H.264编码基本结构与H.261、H.263类似，但它在很多环节做了改进：
①多种更好的运动估计
?誗高精度估计
在H.263中采用了半像素估计，在H.264中则进一步采用1/4像素甚至1/8像素的运动估计。即真正的运动矢量的位移可能是以1/4甚至1/8像素为基本单位的。显然，运动矢量位移的精度越高，则帧间剩余误差越小，传输码率越低，即压缩比越高。
对于4:1:1的视频格式，亮度信号的1/4 像素精度对应于色度部分的1/8像素的运动矢量，因此需要对色度信号进行1/8像素的内插运算。
理论上，如果将运动补偿的精度增加一倍（例如从整像素精度提高到1/2像素精度），可有0.5bit/Sample的编码增益，但实际验证发现，在运动矢量精度超过1/8像素后，系统基本上就没有明显增益了，因此，在H.264中，只采用了1/4像素精度的运动矢量模式，而不是采用1/8像素的精度。
?誗多宏块划分模式估计
在H.264的预测模式中，一个宏块（MB）可划分成7种不同模式的尺寸，这种多模式的灵活、细微的宏块划分，更切合图像中的实际运动物体的形状，于是，在每个宏块中可包含有1、2、4、8或16个运动矢量。
?誗多参数帧估计
在H.264中，采用多个参数帧的运动估计，即在编码器的缓存中存有多个刚刚编码好的参数帧，编码器从中选择一个给出更好的编码效果的作为参数帧，并指出哪个帧被用于预测，这样就可获得比只用上一个刚编码好的帧作为预测帧更好的编码效果。
②小尺寸4×4的整数变换
视频压缩编码中以往的常用单位为8×8块，在H.264中却采用小尺寸的4×4块，由于变换块的尺寸变小了，运动物体的划分就更为精确。这种情况下，图像变换过程中的计算量小了，而且在运动物体边缘的衔接误差也大为减少。
当图像中有较大面积的平滑区域时，为了不产生因小尺寸变换带来的块间灰度差异，H.264可对帧内宏块亮度数据的16个4×4块的DCT系数进行第二次4×4块的变换，对色度数据的4个4×4块的DC系数（每个小块一个，共4个DC系数）进行2×2块的变换。
③更精确的帧内预测
在H.264中，每个4×4块中的每个像素都可用17个最接近先前已编码的像素的不同加权和来进行帧内预测。
④统一的VLC
H.264中采用熵编码有两种方法。
a)统一的VLC（即UVLC：Universal VLC）。UVLC使用一个相同的码表进行编码，而解码器很容易识别码字的前缀，UVLC在发生比特错误时能快速获得重同步。
b)内容自适应二进制算术编码（CABAC：Context Adaptive Binary Arithmetic Coding）。其编码性能比UVLC稍好，但复杂度较高。
⑤去块循环滤波器
基于块编码的压缩算法的特点是偶尔产生可见的块结构，由于块边沿的精度比内部差，块效应是目前压缩算法的常见人工瑕疵。H.264/AVC定义了一个自适应循环滤波器，滤波的强度通过几个语法元素控制。
滤波的基本思想是：如果块边沿的绝对差值相对比较大，出现块人工瑕疵的可能性就很大，因此需要进行相应处理。然而，如果差值幅度很大，编码量化过程的误差不能解释，边沿很可能反映了源图像的实际样值，不需处理。
经过滤波处理，减少了块效应，而图像的质量基本不受影响，因此主观质量大大改善。如果不滤波，同样的主观质量，需要多出5%~10%的码率。
3、性能优势
H.264具有比MPEG-2更优秀的PSNR性能，H.264的PSNR比MPEG-2平均要高2dB以上。
应用方法
目前我国采用DVB标准进行数字电视的传输，DVB标准具有良好的兼容性，在数字电视运营平台前端采用H.264编码器进行编码，编码后的码流采用DVB格式进行封装即可。由于H.264具有很高的编码压缩效率，这样便达到了提高传输信道带宽利用率的目的。
总 结
作为一种新的国际标准，H.264在编码效率、图像质量、网络适应性和抗误码方面都取得了成功。H.264将在数字电视领域具有更为广阔的应用。