畢業(yè)設(shè)計實習(xí)論文

姓名：劉杰通信08110404112教師：楊秀梅摘要H.264視頻壓縮技術(shù)作為目前國際上最新的圖像編解碼原則,它以低碼率、高清晰的特點持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量,可以大大增強圖像的編碼效率和改善圖像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播效率。H.264采用了多種先進(jìn)技術(shù)，具有很好的壓縮性能，可以適應(yīng)絕大部分視編碼的需要。在視頻應(yīng)用領(lǐng)域中具有許多長處，例如，H.264能提供比H.263和MPEG4更高的壓縮性能，試驗表明，在相似圖像質(zhì)量的狀況下，H.264原則可以節(jié)省二分之一的帶寬，有助于用有限的空間存儲更多的圖像數(shù)據(jù)。H.264中還包括了大量的錯誤恢復(fù)工具，其中幀內(nèi)編碼模式的內(nèi)插和數(shù)據(jù)分割等工具，己應(yīng)用于此前的視頻壓縮方案中，但其中的參數(shù)集、靈活宏塊排序(FMO)、冗余分片(RS)等工具是全新的。此外，H.264在系統(tǒng)層面提出了一種新的概念，在視頻編碼層VCLD網(wǎng)絡(luò)適配NAL之間進(jìn)行概念性分割。引入面向數(shù)據(jù)包編碼，有助于將數(shù)據(jù)打包在網(wǎng)絡(luò)中傳播，支持流媒體服務(wù)應(yīng)用；具有較強的抗誤碼特性，以適應(yīng)在噪聲干擾大、丟包率高的無線信道中傳播；對不一樣應(yīng)用的時延規(guī)定具有靈活的適應(yīng)性；編碼和解碼復(fù)雜度具有可擴展性，支持編碼和解碼復(fù)雜度的不等分派和擴展。關(guān)鍵詞：H.264、視頻壓縮、編碼、序言伴隨信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普及到各個角落，人們迫切需要從網(wǎng)絡(luò)上實時的獲取多媒體數(shù)據(jù)，尤其是信息豐富的圖像和視頻數(shù)據(jù)?；诰W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多媒體通信已經(jīng)成為通信發(fā)展的趨勢，它將徹底變化老式通信系統(tǒng)的格局，不過網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源是非常有限的，而視頻流的傳播具有持續(xù)數(shù)據(jù)量大、對實時性規(guī)定高等特點，給視頻系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了諸多問題，因此我們需要研究更為有效的壓縮算法來滿足視頻傳播的需求為了在Internet上有效的高質(zhì)量的傳播視頻流，需要多種技術(shù)的支持，其中數(shù)字視頻的壓縮編碼技術(shù)是Internet視頻傳播中的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過高效的視頻壓縮技術(shù)將視頻進(jìn)行大幅度的壓縮，可以有效的減少對網(wǎng)絡(luò)傳播帶寬的需求。為此國際上制定了許多視頻壓縮的原則如：H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等等，在眾多原則中H.263重要是面向低碼率視頻傳播的原則，而更新的H.264H.26L是最新的，也是非常有效的一種有關(guān)視頻壓縮的原則。H.264作為面向電視電話電視會議的新一代編碼方式，最初是由ITU組織的視頻編碼專家組(VCEGVideoCodingExpertsGroup)于1997年提出的，直究竟，鑒于H.264的試驗?zāi)Ｐ偷男阅苊黠@優(yōu)越于既有的MPEG-4的軟件，模型ISOIEC的MPEG組織也加入了ITU-T的VCEG組織構(gòu)成了聯(lián)合視頻小組(JVTJointVideoTeam)，共同完畢H.264的制定工作JVT組織的目的，就是建立一種單獨的視頻編碼原則即一種新的ITU-T原則，同步也作為MPEG-4家族的一部分(MPEGPart-10)。H.264基本概況一、H.264的特性及其性能：H.264的原則草案已經(jīng)于年5月制定完畢，它的編碼算法的基本構(gòu)成延續(xù)了原有原則中的基本特性，同步具有諸多新的特性其重要性能如下：1、更高的編碼效率。同H.263v2(H.263+)或MPEG-4相比，在大多數(shù)的碼率下獲得相似的最佳效果的狀況下，可以平均節(jié)省不小于50的碼率。2、高質(zhì)量的視頻畫面。H.264可以在所有的碼率(包括低碼率)條件下提供高質(zhì)量的視頻圖像。3、自適應(yīng)的延時特性。H.264可以工作于低延時模式下用于實時的通信應(yīng)用(如視頻會議)，也能用于沒有延時限制的應(yīng)用如：視頻存儲視頻流服務(wù)器等。4、錯誤恢復(fù)功能。H.264提供了處理網(wǎng)絡(luò)傳播包丟失的問題的工具，合用于在高誤碼率傳播的無線網(wǎng)絡(luò)中傳播視頻數(shù)據(jù)。5、H.264和H.261H.263同樣，也是采用混合編碼構(gòu)造，同步H.264在混合編碼的框架下引入了新的編碼方式，提高了編碼效率，更貼近實際應(yīng)用。6、H.264沒有繁瑣的選項，而是力爭簡潔的回歸基本，它具有比H.263++更好的壓縮性能，又具有適應(yīng)多種信道的能力。7、H.264的應(yīng)用目的廣泛，可滿足多種不一樣速率不一樣場所的視頻應(yīng)用，具有很好的抗誤碼和抗丟包的處理能力。8、H.264的基本系統(tǒng)無需使用版權(quán)，具有開放的性質(zhì)，能很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的使用，這對目前因特網(wǎng)傳播多媒體信息，移動網(wǎng)中傳播寬帶信息等都具有重要意義?？傊?，H.264原則使運動圖像壓縮技術(shù)上升到了一種更高的階段，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳播是H.264的應(yīng)用亮點。H.264的推廣應(yīng)用對視頻終端網(wǎng)關(guān)MCU等系統(tǒng)的規(guī)定較高，將有力地推進(jìn)視頻會議軟硬件設(shè)備在各個方面的不停完善。二、H.264的應(yīng)用檔次：H.264的壓縮原則中，規(guī)定了碼流構(gòu)造和解碼算法，并沒有規(guī)定編碼算法。而H264著重于處理壓縮的高效率和傳播的高可靠性，因此應(yīng)用十分廣泛。詳細(xì)來說，H264支持三個不一樣檔次的應(yīng)用：1、基本檔次：重要用于“視頻會話”，如會議電視、可視電話、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)等；2、擴展檔次：重要用于網(wǎng)絡(luò)的視頻流，如視頻點播；3、重要檔次：重要用于消費型電子應(yīng)用：如數(shù)字電視廣播、數(shù)字視頻存儲等。三、H264的視頻格式H264支持4：2：0的持續(xù)或隔行視頻的編碼和解碼，缺省的4：2：0的取樣格式如圖3—1所示。oooo@●@●oooooooo@●@●oooooooo固●固●oooo4：2：0取樣o●@o。．@oo●@o。．@oo●④o。．@o4：2：2取樣oY取樣●cb取樣@Cr取樣C●@o●@o●固o●國o●⑨C●9o●@o●@o●固o●@o●@C●oo●囝o●圓o●oo●④4：4：4取樣四、H.264片的構(gòu)造一種視頻圖像可編碼成一種或更多種片，每片包括整數(shù)個宏塊，即每片至少一種宏塊，最多時每片包括整個圖像的宏塊?？傊环鶊D像中每片宏塊數(shù)量不一定固定。設(shè)片的目的是為了限制誤碼的擴散和傳播，應(yīng)使編碼片互相間保持獨立。某片的預(yù)測不能以其他片中的宏塊(MB)為參照圖像，這樣某一片中的預(yù)測誤差才不會傳播到其他片中。H264編碼片共有5中不一樣，即I片、P片、B片和sP片及sI片。片的句法構(gòu)造如圖—4所示。其中，片頭規(guī)定了片的類型、該片屬于哪個圖像、有關(guān)的參照圖像等；片的數(shù)據(jù)寶號一系列的編碼宏塊，和／或跳編碼(不編碼)數(shù)據(jù)。H.264視頻壓縮思緒原一、H264在整個編、解碼流程中所提出的新的思緒，它們包括：1、多模式的幀內(nèi)預(yù)測：幀內(nèi)預(yù)測是應(yīng)用在I幀圖像的一種預(yù)測編碼措施。以往的視頻傳播協(xié)議中，I幀圖像都采用直接編碼的方式來進(jìn)行，導(dǎo)致了I幀圖像編碼尺寸很大。H264根據(jù)一幀視頻圖像各個宏塊間的空間有關(guān)性，首先對每一種宏塊進(jìn)行預(yù)測，然后將目前宏塊與預(yù)測宏塊的差值進(jìn)行編碼，以到達(dá)減少編碼尺寸的目的。2、高精度、多參照幀、多模式的幀內(nèi)預(yù)測：毫無疑問，幀間的運動搜索的精確性是減小整個視頻序列編碼壓縮率的最重要部分。H264的幀間預(yù)測是運用已編碼視頻幀／場和基于塊的運動賠償?shù)念A(yù)測模式，與以往原則幀間預(yù)測區(qū)別在于塊的尺寸范圍更廣(從16×16N4x4)，亞像素運動矢量的使用(亮度采用1／4像素、色度采用1／8像素精度運動矢量預(yù)測)以及多參照幀的運用。SP／SI幀的應(yīng)用，更使H264滿足因特網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的基本應(yīng)用，從而處理了視頻流應(yīng)用中終端顧客可用帶寬不停變化、不一樣內(nèi)容節(jié)目拼接時數(shù)據(jù)量激增、快進(jìn)快退以及錯誤恢復(fù)等問題。通過這些新算法的提出，H264相較于既有的視頻編碼協(xié)議在編碼效率上將有很大提高。3、整型DCT變換圖像在編碼過程中都會將時域信息轉(zhuǎn)換到變換域以分離出高、低頻分量。整型DTC／IDCT是作者認(rèn)為H264在視頻壓縮編碼上重要奉獻(xiàn)之一，也為從事圖像處理研究的人員提供了良好的模型和平臺。既有的視頻編碼協(xié)議都是采用8×8塊大小的浮點型DCT變換。H264率先提出了4X4塊大小的整型DCT變換。在簡化計算，提高數(shù)值精度方面體現(xiàn)了其優(yōu)越性。4、可變步長量化及系數(shù)掃描：量化過程在不減少視覺效果的前提下減少圖像編碼長度，減少視覺恢復(fù)中不必要的信息。一般量化器的原理為：FQ=round(y／QP)，其中，y為樣本點編碼，QP為量化步長，F(xiàn)Q為y的量化值，round()為取整函數(shù)。反量化為：Y’=FQ*QP。在量化和反量化過程中，量化步長QP決定了量化器的編碼壓縮率和圖像精度，起著重要的作用。在H264中，DCT變換后的系數(shù)被分級量化以消除量化死區(qū)(dead—zero)，量化步長可以選擇52個不一樣的量化步長，與其他原則相比，大大增長了量化的范圍。對于色度編碼，一般使用與亮度編碼同樣的量化步長，但為了防止在較高量化步長時出現(xiàn)顏色量化人工效應(yīng)，H264規(guī)定色度編碼的QP最大值約限制在亮度。P的80％范圍內(nèi)，即亮度QP最大值為5l，色度QP最大值為39。H264的掃描方式有兩種，Z(Zigzag)一掃描和雙倍Z(DoubleZigzag)一掃描。z一掃描用得比較多，雙倍z一掃描重要用在小量化步長的幀內(nèi)編碼中，以將編碼塊提成兩個部分來提高編碼效率。5、兩種編碼模式：在視頻編碼流程中最終一步就是對圖像進(jìn)行熵編碼。H264協(xié)議中向大家提議了兩種熵編碼算法：一種是基于上下文自適應(yīng)的可變長編碼(CAVLC，Context—BasedAdaptiveVariablelengthCodes)，另一種是基于上下文的自適應(yīng)二元算術(shù)編碼(CABAC，Context—BasedAdaptiveBinaryArithmeticCoding)。H264的編碼比較重視基于上下文的自適應(yīng)能力，兩種編碼前者通過計算目前4×4塊的值NC來選擇對應(yīng)的碼表進(jìn)行編碼，而后者通過概率估計來選擇對應(yīng)碼表。此外，編碼過程體現(xiàn)了較強的程序化和格式化，有效的提高了編碼效率。以上是H264編碼協(xié)議在算法上提出的新的內(nèi)容。二、H.264編/解碼：一）可以看出H.264的編碼過程重要分為如下部分：1、將圖像提成子圖像塊宏塊以宏塊作為編碼單元；2、當(dāng)采用幀內(nèi)模式編碼時，對宏塊進(jìn)行變換量化和熵編碼(或變長編碼)，消除圖像的空間冗余，幀內(nèi)模式中還增長了幀內(nèi)預(yù)測模式；3、當(dāng)采用幀間模式編碼時，對幀間圖像采用運動估計和賠償措施，只對圖像序列中的變化部分編碼，從而清除時間冗余，解碼過程為編碼過程的逆過程，下面就編碼器和解碼器的工作流程進(jìn)行詳細(xì)闡明（1）編碼器在圖編碼器框圖中，F(xiàn)n代表待編碼的幀，這一幀圖像被提成多種16*16像素的宏塊進(jìn)行處理，每個宏塊按幀內(nèi)或幀間的模式進(jìn)行編碼，不管在哪種模式下均有一種基于參照幀重構(gòu)出來的預(yù)測宏塊P，在幀內(nèi)編碼模式下，P由目前幀中前面已經(jīng)通過編碼解碼，重構(gòu)模塊，不過沒有進(jìn)行濾波的宏塊uF’n，預(yù)測得到在幀間編碼模式下，P由一種或多種參照幀進(jìn)行運動賠償，預(yù)測得到在圖中參照幀用F’n-1表達(dá)，實際上參照幀可以是過去的第一幀或第二幀等，或未來的第一幀或第二幀等。在時間次序上已經(jīng)編碼重構(gòu)的圖像從目前編碼的宏塊中減去P，得到一種殘差塊Dn，這個殘差塊將進(jìn)行變換、量化得到X，量化后的變換系數(shù)，這些系數(shù)將被重新排序并進(jìn)行熵編碼。熵編碼的系數(shù)和其他的解碼需要的邊信息例如：運動預(yù)測的模式量化器的步長和描述宏塊怎樣進(jìn)行運動賠償?shù)倪\動向量信息等，一起形成比特流，比特流通過NALNetworkAbstractionLayer層進(jìn)行傳播或存儲在編碼器中，量化后的系數(shù)X將被解碼重構(gòu)，以便為對未來的宏塊進(jìn)行編碼時，使用系數(shù)X將通過逆量化和逆變換產(chǎn)生一種差分宏塊D’n，差分宏塊D’n和原始的宏塊之間并不是完全同樣的。由于通過量化運算后會產(chǎn)生量化誤差。預(yù)測宏塊P和D’n進(jìn)行加法運算得到一種重構(gòu)宏塊uF’n通過一種濾波器以減少塊失真，得到一種重構(gòu)圖像F’n。編碼器：2解碼器解碼器從NAL層中接受到壓縮后的比特流數(shù)據(jù)元素，進(jìn)行熵解碼，然后重新排序恢復(fù)出來，量化后的系數(shù)XX再通過逆量化和逆變換得到D’n，通過從比特流中的解碼出來的頭信息，解碼器產(chǎn)生一種預(yù)測塊P，P的產(chǎn)生過程和編碼過程同樣，P和D’n相加得到一種uF’n，最終再通過濾波器得到恢復(fù)圖像F’n，在編碼其中的重構(gòu)途徑是為了和在解碼器中的重構(gòu)途徑同樣，以便產(chǎn)生相似的預(yù)測塊P，假如不是這樣的話將會導(dǎo)致在編碼器和解碼器中的P不一樣，從而導(dǎo)致附加的錯誤和漂移?？偨Y(jié)與體會：由于此前沒有接觸過H.264，因此一開始處在迷茫狀態(tài)，都不懂得這是什么，通過上網(wǎng)查資料才對H.26有一種基本理解，不過仍然不動究竟要怎么使用，怎么編碼來實現(xiàn)自己畢業(yè)設(shè)計的最終目的。因此，在后來學(xué)習(xí)中還要不停地對這個技術(shù)做細(xì)致、透徹的理解，學(xué)會最基本的使用措施，只有這樣才能做好自己的畢業(yè)設(shè)計。目前我對H.264有了一定的理解，還學(xué)要繼續(xù)深入的理解，我會繼續(xù)努力的！參照文獻(xiàn)：（1）兩種主流視頻壓縮技術(shù)研究于勇濤YuYongtao，云南師范大學(xué)商學(xué)院，昆明650106；張樹梅ZhangShumei，云南冶金工業(yè)學(xué)校，昆明650106；容會RongHui；（2）作者：王綱,H.264視頻壓縮原則的研究和實現(xiàn)，電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文