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用H.26L降低視頻會(huì)議系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求

文章類別：行業(yè)法規(guī) 加入時(shí)間：2005-10-13

由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及編碼技術(shù)的制約，實(shí)時(shí)視頻通信應(yīng)用中存在視頻質(zhì)量差、圖像延時(shí)大和抗分組丟失能力弱等問題，而在包括音頻、視頻和數(shù)據(jù)的視頻會(huì)議呼叫中，視頻部分通常會(huì)占用整個(gè)呼叫可用帶寬的**大部分。本文介紹的H.26L針對(duì)這種問題，能將帶寬需求降低50%，因而可在低帶寬網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議系統(tǒng)應(yīng)用。

從固定和移動(dòng)視頻電話以及視頻會(huì)議到DVD和數(shù)字電視，數(shù)字視頻正被越來越多的應(yīng)用采用。這一現(xiàn)象之所以出現(xiàn)歸功于視頻編碼**的發(fā)展，有了這些編碼**，系統(tǒng)和系統(tǒng)之間才能實(shí)現(xiàn)互通性。此外，這些**也為降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所需的帶寬作出了貢獻(xiàn)，并在位率不變時(shí)，讓系統(tǒng)可以****的視頻質(zhì)量，同時(shí)減小系統(tǒng)對(duì)視頻存儲(chǔ)的要求。幾年以前，基于模塊的壓縮算法才趨于成熟，而如今出現(xiàn)的H.26L**卻已經(jīng)在編碼效率上實(shí)現(xiàn)了突破，它可以**進(jìn)一步擴(kuò)展優(yōu)先**中的基本技術(shù)，將位率降低50％。

H.26L中包含幀內(nèi)預(yù)測(cè)(intra prediction)功能、更靈活的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能、新的4×4整型轉(zhuǎn)換功能，還能實(shí)現(xiàn)功能更**的熵編碼，這些對(duì)于H.26L而言都很關(guān)鍵。H.26L中提供了多種編碼工具，這就使系統(tǒng)開發(fā)商能夠針對(duì)不同的終端系統(tǒng)應(yīng)用來優(yōu)化其算法，達(dá)到區(qū)分產(chǎn)品的目的。但在開始采用H.26L進(jìn)行開發(fā)之前，我們必需了解它能夠作些什么，以及如何完成其功能。只有這樣，設(shè)計(jì)者才能很好的利用這項(xiàng)剛剛出臺(tái)的視頻編碼**所具備的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

H.26L概述

開發(fā)視頻編碼**的正式組織有兩個(gè)，其一是ITU-T，其二是ISO/IEC JTC1。ITU-T視頻編碼**被稱作建議，以H.26X的形式表示(例如，H.261、H.262、H.263和H.26L)。ISO/IEC**則以MPEG-x的形式表示(例如，MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4)。

ITU-T建議本來是為視頻會(huì)議和視頻電話等實(shí)時(shí)視頻通信應(yīng)用設(shè)計(jì)的，而MPEG**主要?jiǎng)t是為視頻存儲(chǔ)(DVD)、廣播視頻(廣播TV)以及視頻流(例如，網(wǎng)上視頻、DSL上的視頻以及無線視頻應(yīng)用)設(shè)計(jì)的。這兩個(gè)**委員會(huì)通常都**立工作，**的例外就是二者合作開發(fā)了H.262/MPEG-2**。

**近，ITU-T和ISO/IEC已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，再次合作開發(fā)由ITU-T發(fā)起的H.26L**。他們之所以能在開發(fā)H.26L上達(dá)成一致，原因在于，從性能的角度而言，H.26L**了現(xiàn)有的所有視頻編碼**。圖1對(duì)ITU-T建議和ISO/IEC MPEG**的發(fā)展演化過程進(jìn)行了總結(jié)。

開發(fā)H.26L項(xiàng)目的目的，是為了**采用“Back-To-Basics”方法，開發(fā)出一種基于通用模塊的，簡(jiǎn)單直接的**視頻編碼**。H.26L**的開發(fā)工作是由ITU-T視頻編碼**組(VCEG)發(fā)起的，開始于1997年。到2001年年底，他們發(fā)現(xiàn)，基于H.26L的軟件所能提供的視頻質(zhì)量，就是現(xiàn)有的**好的基于MPEG-4的軟件也無法與之媲美。于是，ISO/IEC MPEG與ITU-T VCEG結(jié)合起來組成了一個(gè)聯(lián)合視頻開發(fā)組(JVT)，接管了H.26L項(xiàng)目。JVT希望建立一個(gè)**的視頻編碼**，同時(shí)使其成為MPEG-4**家族和ITU-T建議家族的新成員(比如，成為MPEG-4中的第10部分或ITU-T中的H.264)。

H.26L的開發(fā)目前正在進(jìn)行中，其**版有望在2003年年底前公布。

當(dāng)前的H.26L**中包含了一些能夠使其區(qū)別于現(xiàn)有的一些其它**的**性，如：

1. 對(duì)位率的節(jié)約高達(dá)50%。在大多數(shù)位率的情況下，當(dāng)編碼優(yōu)化程度接近時(shí)，H.26L與H.263v2(H.263+)或MPEG-4簡(jiǎn)化版相比，H.26L可以允許位率的降低程度平均達(dá)到50%。2. 可提供高質(zhì)量的視頻信號(hào)。H.26L即使在位率很低的情況下也能提供質(zhì)量穩(wěn)定的視頻信號(hào)。3. 對(duì)延時(shí)約束的適應(yīng)性較強(qiáng)。當(dāng)用于實(shí)時(shí)通信應(yīng)用中(例如視頻會(huì)議)時(shí)，H.26L可以以低延時(shí)模式工作，而應(yīng)用于對(duì)延時(shí)沒有要求的應(yīng)用中(例如視頻存儲(chǔ))時(shí)，H.26L又可以以較高的效率處理延時(shí)。4. 具有誤差處理能力。在分組網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)分組丟失時(shí)或在較易出錯(cuò)的無線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)誤碼時(shí)，H.26L能夠提供處理這類問題所必需的工具。5. 網(wǎng)絡(luò)非常友好。在H.26L中，有一個(gè)新的**性，那就是視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)適配層從概念上分離開來。視頻編碼層用于對(duì)視頻圖像的內(nèi)容進(jìn)行高比壓縮，而網(wǎng)絡(luò)適配層用于根據(jù)用戶所使用的網(wǎng)絡(luò)類型的不同，將壓縮后的信息打包。這使得分組過程變得更加靈活和簡(jiǎn)單，同時(shí)也改善了對(duì)信息優(yōu)先權(quán)的控制情況。

綜合以上這些**性，可以看出H.26L在視頻應(yīng)用方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。在本文的結(jié)束部分，我們將討論H.26L用于視頻會(huì)議時(shí)所具備的優(yōu)勢(shì)。

H.26L是如何實(shí)現(xiàn)上述功能的呢？

開發(fā)H.26L的主要目的是希望找到一種方法來充分地實(shí)現(xiàn)**的視頻質(zhì)量，這種視頻質(zhì)量是任何現(xiàn)有視頻編碼**都無法達(dá)到的。但H.26L的實(shí)現(xiàn)方法和以前的那些**(例如H.263和MPEG-4)中所用到的方法差別并不顯著，它包含以下四個(gè)主要步驟：

1. **先，將每個(gè)視頻幀分成像素塊，于是，對(duì)視頻幀的處理可以建立在處理像素塊的基礎(chǔ)上。2. 其次，**進(jìn)行變換、量化和熵編碼(或可變長(zhǎng)度編碼)，對(duì)一些原始像素塊編碼，從而將視頻幀中的空間冗余度利用起來。3. 然后，只對(duì)連續(xù)幀之間出現(xiàn)的變化進(jìn)行編碼，從而充分利用連續(xù)幀之間存在的時(shí)間冗余度。這個(gè)過程是**運(yùn)動(dòng)估值和補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)的。4. **，對(duì)余差模塊編碼，也就是說，**變換、量化和熵編碼對(duì)原始模塊和相應(yīng)的預(yù)測(cè)模塊之間的差異進(jìn)行編碼，從而充分利用視頻幀內(nèi)剩余的空間冗余度。

從編碼的角度來看，H.26L和其它編碼**的主要差別如圖2中的編碼模塊框圖所示。從運(yùn)動(dòng)估值和補(bǔ)償?shù)慕嵌葋砜�，H.26L采用了各種尺寸和形狀的模塊，子像素運(yùn)動(dòng)估值的分辨率更高，并且可以有多種參考幀選擇方案。從所采用的變換方式來看，H.26L采用的基于整數(shù)的變換方式類似于早期那些**中所采用的DCT變換，不同的是，采用這種變換方式進(jìn)行反變換時(shí)，不存在失配問題。

在H.26L中，熵編碼有兩種實(shí)現(xiàn)方法，其一是利用一個(gè)通用的可變長(zhǎng)度編碼表來實(shí)現(xiàn)，此外，也可由基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼實(shí)現(xiàn)。

如何組織位流

前面講到，在H.26L中，我們會(huì)將一個(gè)給定的視頻圖像化分為許多小像素塊，這些小像素塊就叫做宏塊(macroblock)。如圖3所示，我們將一幅分辨率為QCIF(176×144像素)的圖像劃分為99個(gè)16×16的宏塊。對(duì)其它幀所作的宏塊分段處理與此類似。

我們以原圖像的分辨率對(duì)該圖像的亮度信息取樣，而對(duì)圖像的色差信息Cb和Cr，則從水平方向和垂直方向上進(jìn)行下取樣。此外還應(yīng)注意的是，一幅圖像只能被分割成整數(shù)片，因?yàn)槿绻搱D像在傳輸過程中丟失了一些信息的話，那么整數(shù)片的分割方法會(huì)大大有助于信息的再同步。

幀內(nèi)預(yù)測(cè)(intraprediction)編碼

幀內(nèi)編碼是指只利用視頻圖像內(nèi)的空間冗余度來優(yōu)化編碼。采用這種編碼方式得到的圖像幀被稱作I-圖。I-圖通常是**直接對(duì)一幀中的各宏塊進(jìn)行變換得到的，其文件很大，因?yàn)榇藭r(shí)幀內(nèi)還含有大量的信息，而且編碼過程絲毫沒有利用圖像的時(shí)間信息。

要提高H.26L中幀內(nèi)編碼過程的編碼效率，就必須將同一幀中相鄰宏塊之間的空間關(guān)聯(lián)性利用起來。提出這一想法的依據(jù)是人們發(fā)現(xiàn)相鄰的宏塊常常具有類似的**性。因此，作為對(duì)某一給定宏塊進(jìn)行編碼的**步，我們可以根據(jù)周圍的宏塊來預(yù)測(cè)我們所感興趣的宏塊，通常我們會(huì)選擇目標(biāo)宏塊左側(cè)和上側(cè)的宏塊，因?yàn)檫@些宏塊已經(jīng)經(jīng)過編碼了。然后再對(duì)實(shí)際的宏塊與預(yù)測(cè)宏塊之間的差別進(jìn)行編碼。這樣，要表達(dá)出我們所感興趣的宏塊時(shí)所需的位數(shù)就比直接對(duì)該宏塊進(jìn)行變換所需的位數(shù)少得多。

H.26L提供了6種模式用于實(shí)現(xiàn)4×4亮度塊的預(yù)測(cè)，包括直流預(yù)測(cè)(模式0)和其它5種有方向的預(yù)測(cè)模式(模式1到模式5，如圖4所示)。圖中，像素A到像素I均經(jīng)過編碼，可將這些像素作為相鄰模塊，用于預(yù)測(cè)目標(biāo)塊。

例如，如果選擇模式2進(jìn)行預(yù)測(cè)，那么像素a、e、i和m在預(yù)測(cè)中被設(shè)置為與像素A相等，像素b、f、j和n在預(yù)測(cè)中被設(shè)置為與像素B相等。對(duì)于空間細(xì)節(jié)含量較少的區(qū)域(平坦區(qū)域)，H.26L也支持16×16的幀內(nèi)編碼，此時(shí)可在4種預(yù)測(cè)模式中選用一種來對(duì)整個(gè)宏塊進(jìn)行預(yù)測(cè)。

**，每個(gè)塊在選擇其預(yù)測(cè)模式時(shí)，它采用各種模式的可能性由其周圍模塊編碼時(shí)所采用的預(yù)測(cè)模式來決定，分配給某模式的**號(hào)越短，采用這種模式的可能性就越大。

幀間預(yù)測(cè)和編碼

在幀間預(yù)測(cè)和編碼(interprediction and coding)中，運(yùn)動(dòng)估值和補(bǔ)償在實(shí)現(xiàn)時(shí)必須利用連續(xù)幀之間存在的時(shí)間冗余度，因而這種方法可有效地實(shí)現(xiàn)視頻序列的編碼。如果運(yùn)動(dòng)估值所選定的參考幀是一個(gè)經(jīng)過編碼的幀，那么目標(biāo)幀(被編碼幀)就叫做P-圖。如果已編碼幀和未編碼幀均被選作參考幀，那么目標(biāo)幀就叫做B－圖。

H.26L中的運(yùn)動(dòng)估值能夠支持早期視頻**中的大多數(shù)重要**性，不同的是H.26L中的功能**也更靈活，因而其效率得到了改善。除了支持P-圖(既支持單參考幀也支持多參考幀)和B-圖以外，H.26L還支持一種新的叫做SP－圖的流間過渡圖像。H.26L中采用的運(yùn)動(dòng)估值所具備的主要**性包括：塊大小和形狀多種多樣，高精度的子像素運(yùn)動(dòng)向量，多參考幀以及預(yù)測(cè)環(huán)路中的消塊濾波器。

1. 塊大�。何覀兛梢�**使用多個(gè)不同大小和不同形狀的塊來完成每個(gè)16×16宏塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，見圖5。即使只有4×4那么小的塊，H.26L也可為其傳送**有的運(yùn)動(dòng)向量，因此H.26L**多可以為每一個(gè)宏塊傳送16個(gè)運(yùn)動(dòng)向量。H.26L同時(shí)也支持大小為16×8、8×16、 8×8、8×4和4×8的塊，如圖5所示。H.26L這種能夠?qū)π〕叽鐗K進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰Γ瑥恼w上改善了目標(biāo)預(yù)測(cè)的性能。**別值得一提的是，這同時(shí)還改善了整個(gè)系統(tǒng)模型處理精細(xì)運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的能力，并使得主觀視覺質(zhì)量得到提高，因?yàn)檫@些小尺寸塊**生成大的塊狀馬賽克。

2. 運(yùn)動(dòng)估值的**性：如果不由現(xiàn)有**能達(dá)到的空間**度來決定運(yùn)動(dòng)向量，而由更**的空間**度來決定運(yùn)動(dòng)向量，那么H.26L中算法的預(yù)測(cè)能力又會(huì)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。H. 26L中，四分之一像素**度(Quarter-pixel-accurate)是其**低運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償精度。而在高位率和高視頻分辨率下，采用八分之一像素**度(eighth-pixel accuracy)可能對(duì)提高編碼效率很有幫助。

3. 可選擇多個(gè)參考圖像：H.26L**提供了一個(gè)選項(xiàng)，在圖像進(jìn)行幀間互編碼時(shí)可以選擇多個(gè)參考幀，**多5個(gè)，這樣，主觀視頻質(zhì)量**，對(duì)需要編碼的視頻幀進(jìn)行編碼的效率也更高。此外，采用多個(gè)參考幀也可以使H.26L位流具備更強(qiáng)的差錯(cuò)處理能力。

具備消塊濾波器：H.26L定義了一種自適應(yīng)消塊濾波器，該濾波器位于預(yù)測(cè)環(huán)路內(nèi)，可工作于水平塊邊緣和垂直塊邊緣，以去除由于塊預(yù)測(cè)誤差引起的干擾效應(yīng)。這種濾波通常是基于大小為4×4的塊邊界進(jìn)行的，邊界的兩端上均有兩個(gè)像素**三點(diǎn)式濾波得到更新。

H.26L中的整數(shù)轉(zhuǎn)換

不論是幀內(nèi)預(yù)測(cè)還是幀間預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差塊中包含的信息**都以變換系數(shù)的形式表達(dá)出來。H.26L采用了一種和浮點(diǎn)8×8 DCT相反的**整數(shù)空間轉(zhuǎn)換(類似于離散余弦變換，形狀為4×4)，這種轉(zhuǎn)換方法由早期的**中用過的舍入誤差容限定義。4×4的小尺寸有助于降低塊狀和環(huán)狀馬賽克，而采用整數(shù)轉(zhuǎn)換又消除了反變換過程中編碼器和譯碼器之間的失配問題。

H.26L中的量化

量化是數(shù)據(jù)壓縮中很重要的一步。在H.26L中，變換系數(shù)**無擴(kuò)展死區(qū)的分級(jí)量化量進(jìn)行量化。在每個(gè)宏塊的基礎(chǔ)上可選擇32種不同的量化步長(zhǎng)，這與早前一些**的量化能力(例如，H.263支持31種不同量化步長(zhǎng))類似。但在H.26L中，量化步長(zhǎng)是以前次步長(zhǎng)的12.5%的速率遞增，而不象過去的**中那樣每次遞增一個(gè)常量。有些時(shí)候，亮度系數(shù)的量化非常粗糙，而色差信號(hào)在量化時(shí)則采用了這種更精細(xì)的量化步長(zhǎng)，因而色差信號(hào)的保真度較亮度系數(shù)大有改善。

量化后的變換系數(shù)對(duì)應(yīng)于各種不同的頻率。圖6左上角的系數(shù)代表直流值，而其它部分的系數(shù)則代表各種非零的頻率值。編碼過程的下一步就是將量化后的系數(shù)排成一列，直流系數(shù)排在列**。

H.26L規(guī)定了兩種不同的系數(shù)掃描方式，見圖6。大多數(shù)情況下采用的都是簡(jiǎn)單的雙掃描方式，這種方式和早期的視頻編碼**中所采用的傳統(tǒng)掃描方式相同，根據(jù)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率將他們以升序方式排列。要提高編碼效率就得采用雙掃描方式，這種掃描方式只適用于量化步長(zhǎng)較小的塊內(nèi)掃描。

熵編碼

熵編碼是視頻編碼過程中的**一步。至今為止，H.26L中只采用了兩種熵編碼方法。**種方法的基礎(chǔ)是對(duì)通用可變長(zhǎng)度碼(UVLC)的應(yīng)用，**種方法的基礎(chǔ)是基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼。人們已經(jīng)為在熵編碼中統(tǒng)一采用一種方法付出了實(shí)質(zhì)性的努力，這種方法很可能是基于**殊VLC的自適應(yīng)應(yīng)用的一種方法。

在對(duì)量化后的變換系數(shù)、運(yùn)動(dòng)向量以及其它編碼信息進(jìn)行壓縮的各種方法中，基于VLC的熵編碼方法是使用**廣泛的一種。VLC的基礎(chǔ)就是為出現(xiàn)可能性較大的**號(hào)分配較短的碼字，而為出現(xiàn)頻率較低的**號(hào)分配較長(zhǎng)的碼字。各**號(hào)和相應(yīng)的碼字存儲(chǔ)在一個(gè)叫做VLC表的查找表中，編碼器和譯碼器中都存有該表。

在H.263之類視頻編碼**中，根據(jù)感興趣信息的類型(例如變換系數(shù)或運(yùn)動(dòng)向量)不同，需使用許多的VLC表。而在H.26L中，不論**號(hào)所代表的是什么數(shù)據(jù)類型，都可以用一個(gè)通用的VLC表來對(duì)編碼器中所有的**號(hào)進(jìn)行熵編碼。

基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算數(shù)編碼在編碼器和譯碼器內(nèi)都采用了一種概率模型，該模型適用于所有的語法元素(如變換系數(shù)、運(yùn)動(dòng)向量)。為了提高算術(shù)編碼方式的編碼效率，我們可以**對(duì)上下文建模，將一個(gè)潛在的概率模型應(yīng)用于視頻幀的不斷變化的統(tǒng)計(jì)量。這樣，我們就能對(duì)編碼**號(hào)進(jìn)行有條件的概率估計(jì)。

如果我們采用了恰當(dāng)?shù)纳舷挛哪Ｐ�，那么我們就可以根�?jù)當(dāng)前**號(hào)周圍的已編碼**號(hào)的情況來決定如何在各種概率模型之間切換，從而達(dá)到利用**號(hào)間已有的冗余度的目的。每個(gè)語法元素都支持一個(gè)不同的模型，例如，運(yùn)動(dòng)向量和變換系數(shù)的模型就不相同。如果一個(gè)給定的**號(hào)具有非二進(jìn)制的值，那么就將它映射為一個(gè)二進(jìn)制序列，或者叫做“bins”。確切的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換是**一個(gè)給定的二進(jìn)制樹實(shí)現(xiàn)的，在本文討論的模型中采用的是UVLC二進(jìn)制樹。

接著，采用新的概率估計(jì)來對(duì)這個(gè)二進(jìn)制結(jié)果進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，此處采用的概率估計(jì)系在前**上下文建模階段更新后的概率估計(jì)。在對(duì)每個(gè)二進(jìn)制數(shù)值編碼過后，這個(gè)概率估計(jì)的值又要根據(jù)剛剛編碼之的二進(jìn)制**號(hào)進(jìn)行調(diào)整。

本文小結(jié)

在利用數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)H.26L的過程中，充分利用了各種新技術(shù)，使得實(shí)時(shí)視頻通信應(yīng)用的視頻質(zhì)量和圖象延時(shí)都有所改善。一個(gè)實(shí)時(shí)視頻會(huì)議應(yīng)用**能說明H.26L的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。視頻會(huì)議一般都將穩(wěn)定的視頻質(zhì)量、較低的延時(shí)和較強(qiáng)的抗分組丟失能力作為**主要的要求(即便在帶寬有限的情況下也要求視頻質(zhì)量穩(wěn)定)。而在**涉及音頻、視頻和數(shù)據(jù)的視頻會(huì)議呼叫中，視頻部分通常會(huì)占用整個(gè)呼叫可用帶寬的**大部分。如果視頻部分所需的帶寬能夠得到降低，那么將會(huì)有**的低帶寬網(wǎng)絡(luò)接受視頻會(huì)議系統(tǒng)這種應(yīng)用。H.26L就針對(duì)這種需求，將帶寬需求從H.26+所需的320kbps降低到160kbps。

此外，許多視頻會(huì)議解決方案為了保證視頻質(zhì)量令人滿意，仍在采用二次(two-pass)編碼方式，但這種編碼方法會(huì)為會(huì)議呼叫引入令人討厭的延時(shí)。H.26L方案則保證了即使只采用**性(one pass)編碼仍能得到**的視頻信號(hào)，這樣做也就降低了二次編碼方法中的處理延時(shí)。盡管在目前，大多數(shù)視頻會(huì)議呼叫都發(fā)生在本地專用網(wǎng)上，但在分組傳輸中仍然會(huì)出現(xiàn)一定程度的分組丟失。H.26L具備的編碼端的誤差處理能力和在解碼端的隱藏錯(cuò)誤的能力使其即使在分組丟失率很高的情況下也能有效對(duì)抗這種分組丟失