H.264 FRExt技术及其应用

作者：华为技术有限公司网络产品线 熊联欢

一、简介

当今编码性能最好的视频编码国际标准H.264为ISO/IEC之下的MPEG标准组与ITU-TSG16之下的VCEG标准组联合组建的工作组JVT所制定，ITU称之为H.264，MPEG称之为MPEG-4Part10，此外还可以称为AVC、H.26L、JVT标准。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。

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。



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：



其计算精度为（8+n）位，其中输入视频样本为n位精度。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。