DVR_H264編解碼原理及優(yōu)勢(shì)

1、H.264和MPEG4 的壓縮算法(一) 形成二進(jìn)制I幀數(shù)據(jù)1、8×8的宏塊經(jīng)過(guò)DCT變化；2、經(jīng)過(guò)quant量化系數(shù)處理；3、經(jīng)過(guò)之字形(Zigzag)掃描；形成0101的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；(二) 形成幀間預(yù)測(cè)幀1、 I幀的二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)逆向dequant量化系數(shù)變化再通過(guò)逆向DCT變化形成下個(gè)P幀的參考幀；2、 P幀中的宏塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)匹配，在I幀中找到最相似的宏塊；3、 記錄這兩個(gè)宏塊的（level、run、last）等信息，然后這兩個(gè)宏塊進(jìn)行殘差運(yùn)算（會(huì)形成很多0），然后在進(jìn)行DCT、quant、之字形(Zigzag)掃描和雙掃描后形成二進(jìn)制可壓縮數(shù)據(jù)；4、 然后P幀復(fù)原后在形成下一幀

2、的參考幀；以上是MPEG4和H.264的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程，H.264在此基礎(chǔ)上更新了很多。一、 幀內(nèi)預(yù)測(cè)：幀內(nèi)編碼用來(lái)縮減圖像的空間冗余。為了提高H.264幀內(nèi)編碼的效率，在給定幀中充分利用相鄰宏塊的空間相關(guān)性，相鄰的宏塊通常含有相似的屬性。因此，在對(duì)一給定宏塊編碼時(shí)，首先可以根據(jù)周?chē)暮陦K預(yù)測(cè)（典型的是根據(jù)左上角的宏塊，因?yàn)榇撕陦K已經(jīng)被編碼處理），然后對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差值進(jìn)行編碼，這樣，相對(duì)于直接對(duì)該幀編碼而言，可以大大減小碼率。H.264提供6種模式進(jìn)行4×4像素宏塊預(yù)測(cè)，包括1種直流預(yù)測(cè)和5種方向預(yù)測(cè)，如圖2所示。在圖中，相鄰塊的A到I共9個(gè)像素均已經(jīng)被編碼，可以被用以預(yù)測(cè)，如果我們

3、選擇模式4，那么，a、b、c、d4個(gè)像素被預(yù)測(cè)為與E相等的值，e、f、g、h4個(gè)像素被預(yù)測(cè)為與F相等的值，對(duì)于圖像中含有很少空間信息的平坦區(qū)，H.264也支持16×16的幀內(nèi)編碼。 圖2 幀內(nèi)編碼模式二、 小尺寸4×4的dct整數(shù)變換視頻壓縮編碼中以往的常用單位為8×8塊。在H.264中卻采用小尺寸的4×4塊，由于變換塊的尺寸變小了，運(yùn)動(dòng)物體的劃分就更為精確。這種情況下，圖像變換過(guò)程中的計(jì)算量小了，而且在運(yùn)動(dòng)物體邊緣的銜接誤差也大為減少。 當(dāng)圖像中有較大面積的平滑區(qū)域時(shí)，為了不產(chǎn)生因小尺寸變換帶來(lái)的塊間灰度差異，H.264可對(duì)幀內(nèi)宏塊亮度數(shù)據(jù)的16個(gè)4&

4、#215;4塊的DCT系數(shù)進(jìn)行第二次4×4塊的變換，對(duì)色度數(shù)據(jù)的4個(gè)4×4塊的DC系數(shù)（每個(gè)小塊一個(gè)，共4個(gè)DC系數(shù)）進(jìn)行2×2塊的變換。H.263不僅使圖像變換塊尺寸變小，而且這個(gè)變換是整數(shù)操作，而不是實(shí)數(shù)運(yùn)算，即編碼器和解碼器的變換和反變換的精度相同，沒(méi)有“反變換誤差”。與浮點(diǎn)運(yùn)算相比，整數(shù)DCT變換會(huì)引起一些額外的誤差，但因?yàn)镈CT變換后的量化也存在量化誤差，與之相比，整數(shù)DCT變換引起的量化誤差影響并不大。此外，整數(shù)DCT變換還具有減少運(yùn)算量和復(fù)雜度，有利于向定點(diǎn)DSP移植的優(yōu)點(diǎn)。三、 多種更好的運(yùn)動(dòng)估計(jì)高精度估計(jì)在H.263中采用了半像素估計(jì)，在H.26

5、4中則進(jìn)一步采用1/4像素甚至1/8像素的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。即真正的運(yùn)動(dòng)矢量的位移可能是以1/4甚至1/8像素為基本單位的。顯然，運(yùn)動(dòng)矢量位移的精度越高，則幀間剩余誤差越小，傳輸碼率越低，即壓縮比越高。在H.264中采用了6階FIR濾波器的內(nèi)插獲得1/2像素位置的值。當(dāng)1/2像素值獲得后， 1/4像素值可通過(guò)線性?xún)?nèi)插獲得，對(duì)于4:1:1的視頻格式，亮度信號(hào)的1/4 像素精度對(duì)應(yīng)于色度部分的1/8像素的運(yùn)動(dòng)矢量，因此需要對(duì)色度信號(hào)進(jìn)行1/8像素的內(nèi)插運(yùn)算。理論上，如果將運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仍黾右槐叮ɡ鐝恼袼鼐忍岣叩?/2像素精度），可有0.5bit/Sample的編碼增益，但實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)矢量精度超

6、過(guò)1/8像素后，系統(tǒng)基本上就沒(méi)有明顯增益了，因此，在H.264中，只采用了1/4像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量模式，而不是采用1/8像素的精度。多宏塊劃分模式估計(jì)在H.264的預(yù)測(cè)模式中，一個(gè)宏塊（MB）可劃分成7種不同模式的尺寸，這種多模式的靈活、細(xì)微的宏塊劃分，更切合圖像中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)物體的形狀，于是，在每個(gè)宏塊中可包含有1、2、4、8或16個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。多參數(shù)幀估計(jì)在H.264中，可采用多個(gè)參數(shù)幀的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，即在編碼器的緩存中存有多個(gè)剛剛編碼好的參數(shù)幀，編碼器從其中選擇一個(gè)給出更好的編碼效果的作為參數(shù)幀，并指出是哪個(gè)幀被用于預(yù)測(cè)，這樣就可獲得比只用上一個(gè)剛編碼好的幀作為預(yù)測(cè)幀的更好的編碼效果。四、 環(huán)路

7、濾波：H.264/MPEG-4 AVC標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)對(duì)16X16宏塊和4X4塊邊界的解塊過(guò)濾過(guò)程。在宏塊這種情況下，過(guò)濾的目的是消除由于相鄰宏塊有不同的運(yùn)動(dòng)估計(jì)類(lèi)型（比如運(yùn)動(dòng)估計(jì)和內(nèi)部估計(jì)）或者不同的量化參數(shù)導(dǎo)致的人工痕跡。在塊邊界這種情況下，過(guò)濾的目的是消除可能由于變換/量化和來(lái)自于相鄰塊運(yùn)動(dòng)矢量的差別引起的人工痕跡。環(huán)路濾波通過(guò)一個(gè)內(nèi)容自適應(yīng)的非線性算法修改在宏塊/塊邊界的同一邊的兩個(gè)像素。 H.264抗塊效應(yīng)濾波器 一、對(duì)抗塊效應(yīng)濾波器的描述應(yīng)用抗塊效應(yīng)濾波器的目的是為了減少塊失真?？箟K效應(yīng)濾波器是在編碼器和解碼器的反變換之后應(yīng)用的。濾波器有兩種好處：（a）平滑塊邊緣,改善解碼圖像質(zhì)量（

8、特別是在較高的壓縮比時(shí)）；（b）為了在編碼器中對(duì)后面的幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)，使用濾波宏塊，造成預(yù)測(cè)后產(chǎn)生一個(gè)較小的殘差。操作過(guò)程是這樣的：對(duì)幀內(nèi)編碼宏塊進(jìn)行濾波，使用未濾波的重建宏塊形成預(yù)測(cè)幀，進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，但整幅圖像邊緣不被濾波。按下列順序，對(duì)一個(gè)宏塊中垂直或水平4×4的邊緣塊進(jìn)行濾波：（1） 對(duì)亮度分量的4個(gè)垂直邊界進(jìn)行濾波（在圖1中按a，b，c，d的順序）；（2） 對(duì)亮度分量的4個(gè)水平邊界進(jìn)行濾波（在圖1中按e，f，g，h的順序）；（3）對(duì)每個(gè)色度分量2個(gè)垂直邊界進(jìn)行濾波（i，j）；（4）對(duì)每個(gè)色度分量的2個(gè)水平邊界進(jìn)行濾波（k，l）。每個(gè)濾波運(yùn)算影響到邊界兩側(cè)的三個(gè)像素。圖2顯示了相鄰塊p和q（p0，p1，p2，p3和q0，q1，q2，q3）的垂直或水平邊界兩側(cè)的4個(gè)像素。鄰近的塊編碼模式和穿過(guò)圖像抽樣值邊界的梯度,取決于目前的量化器,可能造成一些后果：（a）沒(méi)有像素被濾波。（b）p0，p1，p2，q0，q1,q2被濾波，輸出像素P0，P1，P2，Q0，Q1和Q2。五、 熵編碼在熵編碼之前，4X4的量化系數(shù)必須被重排序。根據(jù)這些系數(shù)原來(lái)采用的預(yù)測(cè)算法為運(yùn)動(dòng)估計(jì)或者內(nèi)部估計(jì)的不同來(lái)選擇不同的掃描類(lèi)型創(chuàng)建一個(gè)重排序的串行化流。掃描類(lèi)型按照從低頻到高