新一代視頻壓縮編碼標準

前言

　　2003年3月，ITU-T/ISO的聯(lián)合項目組JVT發(fā)布了視頻編碼標準H．264／AVC，由于其優(yōu)越的壓縮比以及較強的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，。H．264／AVC獲得了日益廣泛的應(yīng)用。為了進一步擴大H．264標準的應(yīng)用范圍，使其適合應(yīng)用于高保真視頻壓縮，JVT于2004．年7月增加了重要擴展FRExt部分；為了更好地適應(yīng)各種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶終端的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用，ⅣT最終于2007年6月確定了基于H．264架構(gòu)擴展的可伸縮編碼SVC標準?！　”緯ǖ诙妫┱窃谇鞍娴幕A(chǔ)上修訂而成，根據(jù)視頻編碼技術(shù)和業(yè)務(wù)發(fā)展的要求，在修訂過程中主要考慮如下：完善和優(yōu)化H．264／AVC標準的基本技術(shù)的部分內(nèi)容，增加H．264視頻編碼傳輸及其在移動通信中的應(yīng)用，增加H．264／AVC的新擴展部分FRExt和SVC。　　本書（第二版）的第8章為新增加的內(nèi)容，主要論述H．264視頻編碼傳輸及其在移動通信中的應(yīng)用，討論了H．264在無線傳輸中的應(yīng)用和它的容錯技術(shù)，并以中國移動正在運營的“萬花筒”業(yè)務(wù)為例，增加了H．264應(yīng)用于移動互聯(lián)網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)平臺的設(shè)計以及移動無線信道中的精確碼率控制算法，這一章由馬國強、王健編寫。

內(nèi)容概要

　　H.264視頻編碼標準被稱為新一代視頻編碼標準。《新一代視頻壓縮編碼標準：H.264/AVC(第2版)》在介紹數(shù)字視頻和視頻編碼基本原理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了H.264/AVC標準的特點、編碼器原理、解碼器原理以及碼流的句法和語義。根據(jù)音視頻編碼技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的特點，還分別論述了H.264視頻編碼傳輸在移動通信中的應(yīng)用、H.264的高保真范圍擴展FRExt和H.264的可伸縮編碼SVC?！　　缎乱淮曨l壓縮編碼標準：H.264/AVC(第2版)》取材新穎、內(nèi)容全面，重點論述了H.264視頻編碼標準，還介紹了已有的若干視頻編碼國際標準?！缎乱淮曨l壓縮編碼標準：H.264/AVC(第2版)》可作為高等院校通信、廣播電視專業(yè)本科生教材或教學(xué)參考書，也可供該領(lǐng)域的碩士生、博士生深入研究參考，還可作為視頻技術(shù)、視頻服務(wù)領(lǐng)域廣大技術(shù)人員的必備參考書。

書籍目錄

第1章 緒論 11.1 信息化與視頻通信 11.1.1 什么是信息 11.1.2 什么是信息化 11.1.3 我國的信息化和視頻通信 21.2 視頻信息和信號的特點 21.2.1 直觀性 21.2.2 確定性 21.2.3 高效性 21.2.4 廣泛性 31.2.5 視頻信號的高帶寬性 31.3 視頻壓縮編碼的要求和可能性 31.3.1 視頻壓縮編碼的目標 31.3.2 視頻壓縮的可能性 31.4 視頻壓縮編碼技術(shù)綜述 41.4.1 基本結(jié)構(gòu) 41.4.2 基于波形的編碼 51.4.3 基于內(nèi)容的編碼 51.4.4 立體(三維)視頻編碼 6參考文獻 6第2章 數(shù)字視頻 72.1 數(shù)字電視的基本概念 72.1.1 數(shù)字電視的優(yōu)越性 72.1.2 數(shù)字電視的PCM原理 82.2 數(shù)字電視信號 112.2.1 電視信號的時間和空間取樣 112.2.2 彩色空間 122.2.3 彩色電視取樣格式 122.2.4 數(shù)字電視信號的編碼參數(shù) 132.3 視頻信號的預(yù)處理 142.3.1 色彩插值(Color Interpolation) 142.3.2 色彩校正(Color Correction) 152.3.3 伽馬校正(Gamma Correction) 152.3.4 圖像增強(Image Enhancement) 172.3.5 白平衡(White Balance) 202.4 視頻質(zhì)量 222.4.1 主觀質(zhì)量的評定 222.4.2 客觀質(zhì)量的測量 22參考文獻 23第3章 視頻壓縮編碼的基本原理 243.1 預(yù)測編碼 243.1.1 預(yù)測編碼的基本概念 243.1.2 幀內(nèi)預(yù)測編碼 253.1.3 幀間預(yù)測編碼 293.1.4 運動估計 323.2 變換編碼 433.2.1 變換編碼的基本概念 433.2.2 K-L變換 443.2.3 離散余弦變換(DCT) 443.2.4 鋸齒形掃描和游程編碼 463.3 變換編碼與預(yù)測編碼的比較 473.4 熵編碼 473.4.1 變長編碼 473.4.2 算術(shù)編碼 48參考文獻 49第4章 視頻編碼標準簡介 514.1 視頻編碼發(fā)展簡史 514.2 H.261標準 514.2.1 圖像格式 524.2.2 H.261視頻編解碼器 534.3 H.263標準 564.3.1 H.263標準圖像格式 564.3.2 H.263視頻信源編碼算法 574.4 MPEG-1標準 574.4.1 功能 574.4.2 圖像類型和編碼結(jié)構(gòu) 574.5 MPEG-2標準 584.5.1 MPEG-2編碼復(fù)用系統(tǒng) 584.5.2 MPEG-2檔次和級別 584.5.3 MPEG-2視頻編碼器 594.6 MPEG-4標準 614.6.1 MPEG-4標準構(gòu)成 614.6.2 基于VOP的視頻編碼 634.6.3 MPEG-4檔次和級別 664.7 JPEG標準 674.8 JPEG2000標準 694.8.1 JPEG2000標準的組成和特點 694.8.2 JPEG2000核心編解碼器 704.9 AVS標準 724.9.1 AVS標準進展情況 724.9.2 AVS視頻編碼及關(guān)鍵技術(shù) 72參考文獻 75第5章 H.264/AVC編碼器原理 765.1 概述 765.2 H.264/AVC編解碼器 775.2.1 H.264編解碼器特點 775.2.2 H.264編碼器 785.2.3 H.264解碼器 785.3 H.264/AVC的結(jié)構(gòu) 785.3.1 名詞解釋 785.3.2 檔次和級 795.3.3 編碼數(shù)據(jù)格式 795.3.4 參數(shù)圖像 815.3.5 片和片組 815.4 幀內(nèi)預(yù)測 835.4.1 4×4亮度預(yù)測模式 845.4.2 16×16亮度預(yù)測模式 865.4.3 8×8色度塊預(yù)測模式 865.4.4 幀內(nèi)預(yù)測模式的選擇和編碼 875.5 幀間預(yù)測 895.5.1 可變尺寸塊運動補償 895.5.2 運動矢量 905.5.3 MV預(yù)測 915.5.4 B片預(yù)測 925.5.5 加權(quán)預(yù)測 955.6 H.264的SP/SI幀技術(shù) 955.6.1 SP/SI幀的應(yīng)用 965.6.2 SP/SI幀的基本原理 985.6.3 實驗結(jié)果和性能分析 1015.7 整數(shù)變換與量化 1035.7.1 整數(shù)變換 1035.7.2 量化 1065.7.3 DCT直流系數(shù)的變換量化 1085.8 CAVLC(基于上下文自適應(yīng)的可變長編碼) 1095.8.1 熵編碼的基本原理 1095.8.2 CAVLC的基本原理 1105.8.3 CAVLC的上下文模型 1105.8.4 CAVLC的編碼過程 1105.8.5 CAVLC的解碼過程 1125.8.6 CAVLC編解碼過程實例 1145.8.7 CAVLC與UVLC比較 1155.9 CABAC(基于上下文的自適應(yīng)二進制算術(shù)熵編碼) 1175.9.1 自適應(yīng)算術(shù)編碼 1175.9.2 上下文模型 1205.9.3 對輸入流預(yù)編碼 1225.9.4 初始化 1235.9.5 結(jié)論 1235.10 碼率控制 1245.10.1 基于Lagrangian優(yōu)化算法的H.264編碼控制模型 1245.10.2 實驗結(jié)果和性能分析 1265.11 去方塊濾波 1295.11.1 去方塊濾波基本概念 1295.11.2 邊界分析 1305.11.3 濾波過程 1325.12 其余特征 1355.12.1 參考圖像的管理 1355.12.2 重排序 1355.12.3 隔行視頻 1355.12.4 數(shù)據(jù)分割片 1365.12.5 H.264傳輸 136參考文獻 137第6章 H.264的句法和語義 1406.1 句法 1406.1.1 句法元素的分層結(jié)構(gòu) 1406.1.2 句法的表示方法 1436.2 句法表 1456.3 語義 1586.3.1 NAL層語義 1586.3.2 序列參數(shù)集語義 1606.3.3 圖像參數(shù)集語義 1626.3.4 片頭語義 1646.3.5 參考圖像序列重排序的語義 1686.3.6 加權(quán)預(yù)測的語義 1696.3.7 參考圖像序列標記(Marking)操作的語義 1696.3.8 片數(shù)據(jù)的語義 1706.3.9 宏塊層的語義 1716.3.10 宏塊預(yù)測的語義 1756.3.11 子宏塊預(yù)測的語義 1756.3.12 用CAVLC方式編碼的殘差數(shù)據(jù)的語義 1766.3.13 用CABAC方式編碼的殘差數(shù)據(jù)的語義 1766.4 總結(jié) 177參考文獻 177第7章 H.264/AVC解碼器的原理和實現(xiàn) 1797.1 解碼器原理 1797.2 NAL單元 1807.2.1 NAL單元結(jié)構(gòu) 1807.2.2 NAL單元解碼過程 1807.3 圖像序列號的計算 1817.3.1 圖像序列號(POC) 1817.3.2 POC類型為0的POC計算 1837.3.3 POC類型為1的POC計算 1837.3.4 POC類型為2的POC計算 1857.4 宏塊片組映射圖的產(chǎn)生 1867.5 片數(shù)據(jù)分割的解碼 1887.6 參考圖像列表的初始化 1897.6.1 圖像序號的計算 1897.6.2 參考圖像列表的初始化 1897.6.3 參考幀列表的重排序 1937.7 解碼的參考圖像的標記過程 1957.7.1 frame_num不連續(xù)的解碼過程 1967.7.2 參考圖像滑窗標記過程 1967.7.3 參考圖像的自適應(yīng)內(nèi)存控制標記過程 1977.8 幀內(nèi)預(yù)測 1997.8.1 4×4亮度塊預(yù)測方式的推導(dǎo) 1997.8.2 4×4亮度塊的幀內(nèi)預(yù)測編碼方式 2007.8.3 16×16亮度塊的幀內(nèi)預(yù)測方式 2047.8.4 8×8色度塊的幀內(nèi)預(yù)測方式 2057.9 幀間預(yù)測解碼處理 2077.9.1 MV分量及參考索引獲取 2087.9.2 幀間預(yù)測像素解碼處理 2107.10 變換系數(shù)解碼 2167.10.1 變換系數(shù)逆掃描過程 2177.10.2 DCT變換系數(shù)中直流系數(shù)的逆變換量化 2177.10.3 殘差變換系數(shù)的反量化 2197.10.4 殘差變換系數(shù)的逆DCT變換 2197.10.5 去方塊濾波前的圖像恢復(fù)與重建 2197.11 SP片中的P宏塊和SI片中的SI宏塊的解碼過程 2207.11.1 主SP片中P宏塊的解碼過程 2207.11.2 輔SP/SI片的解碼過程 221參考文獻 223第8章 H.264視頻編碼傳輸及其在移動通信中的應(yīng)用 2248.1 概述 2248.2 H.264/AVC在無線通信中的傳輸 2248.2.1 H.264/AVC在無線通信中的應(yīng)用 2248.2.2 H.264分層傳輸結(jié)構(gòu) 2258.2.3 H.264分組交換業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議棧 2268.3 H.264視頻編碼的容錯技術(shù) 2278.3.1 H.264的視頻編碼層的錯誤恢復(fù) 2288.3.2 H.264的網(wǎng)絡(luò)提取層的錯誤恢復(fù) 2298.4 移動無線信道中的精確碼率控制算法 2328.4.1 宏塊能量的提取 2328.4.2 與宏塊能量相結(jié)合，在宏塊級別分配碼率 2348.4.3 計算編碼量化參數(shù)Qp 2348.5 移動互聯(lián)網(wǎng)中多媒體業(yè)務(wù)平臺的設(shè)計 2358.5.1 移動互聯(lián)網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)核心平臺 2358.5.2 編轉(zhuǎn)碼系統(tǒng) 2368.5.3 設(shè)計流分發(fā)服務(wù)器 2368.5.4 客戶端 2388.5.5 系統(tǒng)小結(jié) 238參考文獻 238第9章 高質(zhì)量視頻編碼 2419.1 H.264+與H.265 2419.1.1 視頻編碼的需求 2419.1.2 視頻編碼標準及其應(yīng)用簡史 2419.1.3 H.264+和H.265最近研究方向 2419.1.4 H.265主要特征與KTA 2429.1.5 H.265的幾個方向性課題 2449.2 H.264的高保真范圍擴展FRExt 2449.2.1 引言 2449.2.2 自適應(yīng)分塊 2459.2.3 空間域的殘差變換 2469.2.4 幀內(nèi)預(yù)測方法 2469.2.5 基于視覺的量化縮放矩陣 2479.2.6 色度空間的殘差色度變換 2479.2.7 無失真宏塊模式 2479.2.8 FRExt的測試結(jié)果 2479.3 本章結(jié)論 248參考文獻 248第10章 H.264的可伸縮編碼SVC 24910.1 概述 24910.2 SVC的基本原理 25010.2.1 傳統(tǒng)可伸縮編碼 25110.2.2 精細粒度可伸縮編碼 25310.2.3 漸進精細粒度可伸縮編碼 25310.3 H.264的SVC 25410.3.1 空域可伸縮性 25510.3.2 時域可伸縮性 25710.3.3 質(zhì)量可伸縮性 25910.3.4 H.264的擴展 26010.4 性能與分析 262參考文獻 263縮略語 266附錄一 CAVLC相關(guān)碼表 270附錄二 CABAC相關(guān)碼表 275附錄三 H.264檔次和級 283

章節(jié)摘錄

　　1．1信息化與視頻通信　　本書在討論視頻編碼之前，先簡要介紹一些與信息化有關(guān)的問題，研討當(dāng)前信息社會背景，然后討論信息化與視頻通信的關(guān)系。　　1．1．1什么是信息眾所周知，人類社會的三大支柱是物質(zhì)、能量和信息。具體而言，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的支柱是物質(zhì)，工業(yè)現(xiàn)代化的支柱是能量，而信息化的支柱是信息?！　V義地講，信息就是客觀世界的描述和分析，它無所不在、無時不在，具有廣泛性和通用性，這是信息的一個特性。信息沒有重量，沒有長度，具有抽象性，但它確實存在，這是信息的另一個特性。　　信息的第三個特性是無限性。例如，關(guān)于物質(zhì)的信息，物質(zhì)具有無限的不可分性，物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，下面還有中子、質(zhì)子、電子、中微子等；關(guān)于通信網(wǎng)絡(luò)的信息，為了增加通信容量，最初一對電話線只能通一路電話，后來利用N-ISDN技術(shù)，可在一對電話線上同時通兩路電話，以后又發(fā)展B-ISDN、ATM、IP、MPLS，直到今天，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍在不斷地發(fā)展，應(yīng)該說，它具有無限性。

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