新一代视频编码标准H．264／AVC的关键技术研究

3．1 H．264与H．263编码性能比较

本试验对Grenadier　Guards序列进行测试，分别对H．264和H．263编码的保真度、PSNR、宏块编码比特数进行比较，结果如下：
(1)保真度测试

通过残差比较可以很清楚地看出，H．264重构帧和参考帧的残差比较平滑，基本没有斑点；而H．263的残差比较明显，尤其是在人物附近，由于运动量大，H．263使用半像素运动矢量估计，而H．264提高到1／4像素，在1／4像素的基础上再内插，得到1／8像素精度的运动矢量，大大提高了图像编码的质量，如图2所示。



(2)PSNR测试(如图2)

相对于H．263视频编码标准，H．264在其增强预测编码内容的方法上做了改进，如场、帧编码的自适应选择；变尺寸方块的运动补偿；高精度的运动补偿；多参考帧运动补偿；加权预测；整数变换；自适应熵编码；环路去块滤波等，这些大大提高了H．264的PSNR。由图2可以看出，无论是亮度信号，还是色差信号，H．264的PSNR都比H．263的高。
(2)PSNR测试(如图2)

相对于H．263视频编码标准，H．264在其增强预测编码内容的方法上做了改进，如场、帧编码的自适应选择；变尺寸方块的运动补偿；高精度的运动补偿；多参考帧运动补偿；加权预测；整数变换；自适应熵编码；环路去块滤波等，这些大大提高了H．264的PSNR。由图2可以看出，无论是亮度信号，还是色差信号，H．264的PSNR都比H．263的高。

对Grerladie Guards序列中第3帧图像的宏块进行4×8编码，每一个宏块所用的比特数都可以清楚地看出。通过比较发现，H．264对宏块编码所用的比特数比H．263平均少50％。尤其在运动物体附近，效果更加明显，H．264使用了很多偏红的色块，而H．264更多的是偏蓝色块。基本静止的背景图案，两者也有很多的差别。由此可见，H．264中很多是深蓝色的宏块，所用的比特数在10比特左右，而H．263则偏向绿色，比特数在20比特左右。通过比较还发现，H．264的编码效率比H．263高很多。



3．2 H．264编码性能

3．2．1 多参考帧预测模式

对于多种类型的视频序列来说，多参考帧预测模式可以有效地提高编码性能，它通过在运动矢量中增加一个时域部分，而允许在宏块级下从若干参考帧中选择其中的一个。由于需要保持一个参考帧缓冲区域，因此增加了在编解码器中对内存的需求量。另外，额外参考帧的引入也使得搜索区域扩大，从而显著提高了编码器端在运动估计过程中计算的复杂度。本实验中Foreman视频序列使用UVLC熵编码，1／4像素运动矢量精度，搜索范围为16像素。
图6为使用不同参考帧数M对亮度分量峰值信噪比的影响。



试验表明，多参考帧的使用，能平均节省10％的比特率。同样，多参考帧的使用也与具体的序列内容有关，高比特率的序列将大大提高图像的PSNR。

3．2．2 双向预测模式

H．264以前的视频编码标准一般都采用多假设预测模式，而H．264使用的双向预测模式，它是一对前向／后向预测帧的线性组合。前后向预测又都可以包含多个参考帧，同时，它又分为双向预测信号的独立估计和联合估计。其中，联合估计可以大大改进编码的效率。

本实验中Foreman视频序列使用UVLC熵编码，1／4像素运动矢量精度，搜索范围为16像素。图7为使用独立估计和联合估计对亮度分量峰值信噪比的影响。图7是重构B帧时帧比特率与亮度分量峰值信噪比的关系，选择5个前向预测帧和3个后向预测帧，则由图可以看出，联合估计的性能比独立估计的高。线性双向预测模式不仅利用了抑止噪声的组件，还提供了消除波峰的功能。假设当前帧中有一个物体将在后续帧中出现，而未在前面的帧中出现，那么，增加前向参考帧就不能提高编码效率，而增加后向参考帧就能大大提高编码效率。



3．2．3 熵编码

H．264有两种不同的熵编码模式：通用可变长编码(UVLC)和基于上下文的自适应二进制算术编码(CABAC)。UVLC只使用一个可变长的代码去编码所有二进制的语法元素，而CABAC则采用上下文模式和基于条件概率与符号统计的自适应算法。UVLC算法简单，在付出很低的计算成本时就能取得很好的压缩效率。CABAC计算复杂度高，但它能够大大节省比特率。

本实验中Foreman视频序列使用1／4像素运动矢量精度，搜索范围为16像素。图8为使用UVLC和CABAC对亮度分量峰值信噪比的影响。



试验表明，CABAC能大大降低比特率，在取得相同的亮度分量峰值信噪比时，CABAC比UVCL平均节省15％的比特率。在高比特率的序列中，常使用多参考帧和CABAC联合编码，多参考帧能提高运动估计补偿的效率，CABLC能自适应地根据上下文进行熵编码，从而大大提高编码器的性能。