视频编码标准的发展：从H.261到H.264

关键词：视频　ITU-T　H.261　H.263　H.264

　　数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域，带来了会议电视、可视电话及数字电视、媒体存储等一系列应用，促使了许多视频编码标准的产生。ITU-T与ISO/IEC是制定视频编码标准的两大组织，ITU-T的标准包括H.261、H.263、H.264，主要应用于实时视频通信领域，如会议电视；MPEG系列标准是由ISO/IEC制定的，主要应用于视频存储(DVD)、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。两个组织也共同制定了一些标准，H.262标准等同于MPEG-2的视频编码标准，而最新的H.264标准则被纳入MPEG-4的第10部分。

　　本文按照ITU-T视频编码标准的发展过程，介绍H.261、H.263及H.264。

H.261视频编码标准

　　H.261是ITU-T为在综合业务数字网(ISDN)上开展双向声像业务(可视电话、视频会议)而制定的，速率为64kb/s的整数倍。H.261只对CIF和QCIF两种图像格式进行处理，每帧图像分成图像层、宏块组(GOB)层、宏块(MB)层、块(Block)层来处理。

　　H.261是最早的运动图像压缩标准，它详细制定了视频编码的各个部分，包括运动补偿的帧间预测、DCT变换、量化、熵编码，以及与固定速率的信道相适配的速率控制等部分。

H.263视频编码标准

　　H.263是最早用于低码率视频编码的ITU-T标准，随后出现的第二版(H.263+)及H.263++增加了许多选项，使其具有更广泛的适用性。

H.263视频压缩标准

　　H.263是ITU-T为低于64kb/s的窄带通信信道制定的视频编码标准。它是在H.261基础上发展起来的，其标准输入图像格式可以是S-QCIF、QCIF、CIF、4CIF或者16CIF的彩色4∶2∶0亚取样图像。H.263与H.261相比采用了半象素的运动补偿，并增加了4种有效的压缩编码模式。

　　无限制的运动矢量模式允许运动矢量指向图像以外的区域。当某一运动矢量所指的参考宏块位于编码图像之外时，就用其边缘的图像象素值来代替。当存在跨边界的运动时，这种模式能取得很大的编码增益，特别是对小图像而言。另外，这种模式包括了运动矢量范围的扩展，允许使用更大的运动矢量，这对摄像机运动特别有利。

　　基于句法的算术编码模式使用算术编码代替霍夫曼编码，可在信噪比和重建图像质量相同的情况下降低码率。

　　先进的预测模式允许一个宏块中4个8×8亮度块各对应一个运动矢量，从而提高了预测精度；两个色度块的运动矢量则取这4个亮度块运动矢量的平均值。补偿时，使用重叠的块运动补偿，8×8亮度块的每个象素的补偿值由3个预测值加权平均得到。使用该模式可以产生显著的编码增益，特别是采用重叠的块运动补偿，会减少块效应，提高主观质量。

　　PB-帧模式规定一个PB-帧包含作为一个单元进行编码的两帧图像。PB-帧模式可在码率增加不多的情况下，使帧率加倍。

H.263视频压缩标准版本2

　　ITU-T在H.263发布后又修订发布了H.263标准的版本2，非正式地命名为H.263+标准。它在保证原H.263标准核心句法和语义不变的基础上，增加了若干选项以提高压缩效率或改善某方面的功能。原H.263标准限制了其应用的图像输入格式，仅允许5种视频源格式。H.263+标准允许更大范围的图像输入格式，自定义图像的尺寸，从而拓宽了标准使用的范围，使之可以处理基于视窗的计算机图像、更高帧频的图像序列及宽屏图像。

　　为提高压缩效率，H.263+采用先进的帧内编码模式；增强的PB-帧模式改进了H.263的不足，增强了帧间预测的效果；去块效应滤波器不仅提高了压缩效率，而且提供重建图像的主观质量。

　　为适应网络传输，H.263+增加了时间分级、信噪比和空间分级，对在噪声信道和存在大量包丢失的网络中传送视频信号很有意义；另外，片结构模式、参考帧选择模式增强了视频传输的抗误码能力。

　　H.263++视频压缩标准

　　H263++在H263+基础上增加了3个选项，主要是为了增强码流在恶劣信道上的抗误码性能，同时为了提高增强编码效率。这3个选项为：