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視頻編碼標準回顧及AVS視頻關鍵技術(2)

時間:2009-07-02 來源:投影時代 作者:陳一凡 點擊:

AVS標準和相關國際標準的時間對應關系以及AVS工作組已經開展的工作如下圖所示。

三、視頻壓縮基本原理
    視頻能夠壓縮的根本原因在于視頻數據具有較高的冗余度。壓縮就是指冗余的消除,主要基于兩種技術:統計學和心理視覺。

    消除統計冗余的基本依據是視頻數字化過程在時間和空間上采用了規則的采樣過程。視頻畫面數字化為規則的像素陣列,其密集程度適于表征每點最高的空間頻率,而絕大多數畫面幀包含非常少甚至不含這種最高頻率的細節。同樣,所選的幀頻能夠表征場景中最快的運動,而理想的壓縮系統只要描述場景所必需的瞬時運動即可。簡言之,理想的壓縮系統能夠動態適應視頻在時間和空間上的變化,所需要的數據量遠低于數字化采樣所產生的原始數據。

    心理視覺技術主要是針對人類視覺系統極限。人類視覺在對比度帶寬、空間帶寬(特別是彩色視覺)、時間帶寬等方面存在極限。而且,這些極限并非相互獨立,整體的視覺系統存在上限,例如,人眼不可能同時察覺到時間和空間的高分辨率。顯然,沒有必要表征那些不能被感知的信息,或者說,一定程度的壓縮損失是人的視覺系統是感知不出來的。

    視頻編碼標準并非一個單一的算法,而是一整套的編碼工具,這些工具綜合起來就達到了完整的壓縮效果。視頻壓縮的歷史可以追溯到上個世紀50年代初,在隨后30多年時間里,主要的壓縮技術和工具逐漸發展起來,在上世紀80年代初,視頻編碼技術初步成型。最初每個主要的工具都是作為視頻編碼的一個完整解決方案而提出,各條技術主線平行發展,最終各性能最佳者匯合成為完整的解決方案,方案集成的主要貢獻者是標準化組織,來自各國家和組織的專家們共同完成了方案集成工作,或者說,編碼標準方案是標準委員會原創的。另外,盡管有些技術多年前就已經提出,但由于實現代價昂貴而沒能在當時得到實際應用,直到近年來半導體技術的發展才滿足實時視頻處理的要求。

四、MPEG標準中視頻編解碼技術
    MPEG標準主要基于三大編碼工具:自適應塊變換編碼(Adaptive block transform coding)消除空間冗余;運動補償差分脈沖編碼調制(Motion-compensated DPCM)消除時域冗余,二者融合為混合編碼技術(hybrid coding)。熵編碼(Entropy coding)用于消除混合編碼器產生的統計冗余。還有一些輔助工具作為主要工具的補充,用于消除已編碼數據某些特殊部分的剩余冗余,或者根據具體應用對編碼進行調整,也有的編碼工具支持將數據格式化為特定比特流以便于存儲和傳輸。

    現代熵編碼始創于20世紀40年代末;60年代末應用于視頻編碼;然后不斷改進,80年代中期引入了二維可變長編碼(2D VLC)和算術編碼(arithmetic coding)方法。

    DPCM始創于1952年,同年首次應用于視頻編碼。DPCM最初是作為空間編碼技術而發展,到了70年代中期,DPCM開始用于時域編碼。DPCM作為一種完整的視頻編碼方案,一直持續到80年代初期。從70年代中早期開始,DPCM的關鍵元素與變換編碼技術融合,逐漸形成了混合編碼技術,并于80年代早期發展成為MPEG的雛形。

    變換編碼60年代末首次用于視頻,70年代上半期得到實質性的發展,被認為在空間編碼方面達到最高分辨率效果。在混合編碼中,變換編碼用于消除空間冗余,DCPM用于消除時間冗余。運動補償預測技術極大地提高了時域DCPM的性能,它始創于1969年,80年代初發展成為MPEG的基本形式。80年代早期,擴展出內插編碼(interpolative coding),即通過多幀內插進行預測,中間幀通過比例運動矢量(scaled motion vectors)預測。直至80年代末,雙向預測技術(bi-directional prediction)誕生,該技術才發展到最終形式。在近年來的進展中(H.264),預測質量得到改進,亦即不同信號之間的相關性降低。因此,變換的必需性降低,H.264使用了簡化的變換(4 x4)。

    MPEG1和H.261的前身是CCITT H.261標準(始于1984年,實質性完成于1989年),它們有共同的數據結構、編碼工具和語法元素。然而兩者并非恰好后向兼容。MPEG1可看作是H.261的擴展集。MPEG1的發展始于1988年,實質性完成于1992年。MPEG2可被看作是MPEG2的擴展集,始于1990,實質完成于1994年。H.263始于1992年,第一版完成于1995。MPEG4(其視頻是建于MPEG2和.263基礎上)始于1993,第一版實質完成于1998年。由于芯片等技術的允許,2003年完成的MPEG-4 AVC/H.264比先前的視頻編碼標準采用了更為復雜的技術,同時也有新的技術模塊??多尺寸塊的幀內和幀間編碼、多方向空間預測技術、4x4整數正交變換、去除塊效應的環內濾波器等,可以獲得更高的壓縮比。由于采用了數據劃分,JVT標準還具有更強的容錯能力。

五、AVS標準及其核心技術
    AVS是我國自主制定的第二代音視頻編碼技術標準。AVS視頻當中具有特征性的核心技術包括:8x8整數變換、量化、幀內預測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預測運動補償、二維熵編碼、去塊效應環內濾波等。

1)變換、量化
    AVS的8x8變換與量化可以在16位處理器上無失真地實現,從而克服了MPEG-4 AVC/ H.264之前所有視頻壓縮編碼國際標準中采用的8x8 DCT變換存在失真的固有問題。而MPEG-4 AVC/ H.264所采用的4x4整數變換在高分辨率的視頻圖像上的去相關性能不及8x8的變換有效。AVS采用了64級量化,可以完全適應不同的應用和業務對碼率和質量的要求。在解決了16位實現的問題后,目前AVS所采用的8x8變換與量化方案,既適合于16位DSP或其他軟件方式的快速實現,也適合于ASIC的優化實現。

2)幀內預測
    AVS的幀內預測技術沿襲了MPEG-4 AVC/ H.264幀內預測的思路,用相鄰塊的像素預測當前塊,采用代表空間域紋理方向的多種預測模式。但AVS亮度和色度幀內預測都是以8x8塊為單位的。亮度塊采用5種預測模式,色度塊采用4種預測模式,而這4種模式中又有3種和亮度塊的預測模式相同。在編碼質量相當的前提下,AVS采用較少的預測模式,使方案更加簡潔、實現的復雜度大為降低。
(中國集群通信網 | 責任編輯:陳曉亮)

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