一、H.264图像编码压缩标准

H.264在1997年ITU的视频编码专家组（Video Coding Experts Group，VCEG）提出时被称为H.26L。2001年12月，ITU与ISO在泰国Pattaya成立联合视频专家组（Joint Video Team，JVT）。JVT的工作目标是制定一个新的视频编码标准，以实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等目标。目前JVT的工作已被ITU-T接纳，新的视频压缩编码标准称为H.264（JVT）标准，该标准也被ISO接纳，称为MPEG-4AVC（Advanced Video Coding）标准，即MPEG-4的第10部分。H.264使图像压缩技术上升到了一个更高的阶段，能够在较低带宽上提供高质量的图像传输，非常适合国内接入网/骨干网带宽相对有限的状况，是视/音频编/解码方面的最新成果。

H.264不仅比H.263和MPEG-4节约了50%的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输。H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264能适应于不同网络中的视频传输，网络亲和性好。

H.264标准可分为三档：基本档次（简单版本、应用面广），主要档次（采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等），扩展档次（可用于各种网络的视频流传输）。

（1）H.264视频压缩系统。H.264标准视频压缩系统由视频编码层（Video Coding Layer，VCL）和网络提取层（Network Abstraction Layer，NAL）两部分组成。VCL中包括VCL编码器与VCL解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码，它包括运动补偿、变换编码、炳编码等压缩单元，可以传输按当前的网络情况调整的编码参数。NAL则用于为VCL提供一个与网络无关的统一接口，它负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送，它采用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头中包含存储标志和类型标志，存储标志用于指示当前数据不属于被参考的帧，类型标志用于指示图像数据的类型。

（2）H.264的技术特色。

①帧内预测编码。在以前的H.26X系列和MPEG-x系列标准中，都是采用的帧间预测编码的方式。在H.264中，还用帧内预测编码。对于每个4x4块（除了边缘块特别处置以外），每个像素都可用17个最接近的先前已编码的像素的不同加权和（有的权值可为0）来预测，即此像素所在块的左上角的17个像素。然后对预测值与实际值的差值进行编码，这相对于直接对该帧编码而言，可大大减小码率。显然，这种帧内预测不是在时间上，而是在空间域上进行的预测编码算法，可以除去相邻块之间的空间冗余度，取得更为有效的压缩。

H.264提供6种模式进行4x4像素宏块预测，包括1种直流预测和5种方向预测。对于图像中含有很少空间信息的平坦区，H.264也支持16x16的帧内编码。

②帧间预测编码。是利用连续帧中的时间冗余来进行运动估计和补偿的。H.264的运动补偿支持以往的视频编码标准中的大部分关键特性，而且灵活地添加了更多的功能，除了支持P帧、B帧外，还引入一种新的SP帧，即流间传送帧。码流中包含SP帧后，能在有类似内容但有不同码率的码流之间快速切换，同时支持快速回放和随机接入。在帧间编码时，可选5个不同的参考帧，提供了更好的纠错性能，这样可以改善视频图像质量。

③分层设计。H.264的算法在概念上可以分为两层：视频编码层（VCL）负责高效的视频内容表示，网络提取层（NAL）负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送。VCL层包括基于块的运动补偿混合编码和一些新特性。NAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据，包括组帧、逻辑信道的信令、定时信息的利用或序列结束信号等。在VCL和NAL之间定义了一个基于分组方式的接口，打包和相应的信令属于NAL的一部分。这样，高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成。

④高精度、多模式运动估计。H.264支持1/4或1/8像素精度的运动矢量。在1/4像素精度时可使用6抽头滤波器来减少高频噪声，对于1/8像素精度的运动矢量，可使用更为复杂的8抽头的滤波器。在进行运动估计时，编码器还可选择“增强”内插滤波器来提高预测的效果。在H.264中，允许编码器使用多于一帧的先前帧用于运动估计，这就是所谓的多帧参考技术。例如，2帧或3帧的刚刚编码好的参考帧，编码器将选择对每个目标宏块能给出更好的预测帧，并为每一宏块指示是哪一帧被用于预测。对每一个16x16像素宏块的运动补偿可以采用不同的大小和形状，H.264支持7种模式。小块模式的运动补偿为运动详细信息的处理提高了性能，减少了方块效应，提高了图像的质量。H.264还定义了自适应去除块效应的滤波器，这可以处理预测环路中的水平和垂直块边缘，大大减少了方块效应。