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H.264熵编码技术研究及H.264应用展望 　　摘 要:随着视频通信的发展,多媒体通信平台功能越来越强大,同时也对视频编码的性能提出了更高要求。H.264视频编码标准正因为使用了熵编码技术,使得其压缩效率大大提高,同时图像质量和差错鲁棒性方面也表现优异,成为图像处理和通信领域研究的热点问题之一。论文搭建了H.264的系统框图,对H.264的三种熵编码分别进行了技术研究,得到H.264编码的整体优势,通过其在视频通信上的应用调查,阐述H.264的前景。 　　关键词:H.264 熵编码 指数哥伦布编码 CAVLC CABAC 　　中图分类号:TN47文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-080-02 　　 　　1引言 　　近几年视频通信得到迅速的发展,卫星电视、交互式电视、视频点播以及个人无线视频通信系统等业务需求越来越强烈,为人们提供了功能更为强大的多媒体通信平台,同时也对视频编码各方面的性能提出更高的要求。国际标准化组织(ISO)及国际电子学委员会(IEC)于1988年成立了运动图像专家组,简称MPEG(Moving Picture Experts Group)相继制定了一系列视音频编码国际标准 。传统的视频编码没有充分利用视频信号的非静态特性,且忽略了语法元素的高阶统计相关性。新一代的数字视频编码标准H. 264在相同的压缩质量情况下,码率相对于MGPEG-4、H.263和MPEG-2,分别减少 39%,49%和64%,压缩效率和对IP网络的支持都比以前的标准有很大的改善。目前,H.264视频编码标准以更好的率失真效果及其更强的差错鲁棒性,已得到业界专家们的肯定,同时也是当今图像处理和通信领域研究的热点问题之一。 　　2H.264熵编码的技术研究 　　2.1H.264标准及其系统结构 　　H.264吸收了以前视频编码标准中的一些行之有效的算法,充分考虑了多媒体通信对视频编解码的各种要求,同时又采纳了视频编码、图像处理领域的必威体育精装版研究成果,在提高压缩编码效率和增强网络适应能力等方面有了质的飞跃。根据应用场合的不同,H.264制定了不同的算法集和技术限定 ,共分为三个类:基本档次、主要档次和扩展档次,各类型包含不同的技术,每个类下面又可以划分成不同的等级。 　　H.264视频编码标准主要包括预测编码(帧内预测、帧间预测、运动估计与补偿)、变换编码和熵编码,在保留运动补偿??变换编码技术的基础上,加入了如离散余弦整数变换(DCT)、基于内容的自适应技术等新技术。根据H.264所包含各个编码部分的工作原理所设计的H.264视频编码整体框架如图1所示。 　　H.264视频编码在完成DCT变换、量化后,残差数据被送往熵编码器进行编码。熵编码作为整个编码器的最后一部分,直接和信号的传输连接。因此,其压缩效率对整个视频编码器起着至关重要的作用。H.264中的熵编码技术主要包括变长编码(VLC)和内容自适应二进制算术编码(CABAC),其中VLC又分为指数哥伦布编码、内容自适应变长编码(CAVLC)。 　　2.2指数哥伦布编码 　　指数哥伦布编码方法简单,只要使用一张码表就可以对所有的符号进行编码,是一种有规则的可变长编码。对所有的句法元素,除了量化系数外,使用单一无限可扩展的码字表,这样就不必为每个句法元素设计一个专用的 VLC表。 　　指数哥伦布编码是对参数编码,具体映射方式为:对于经常出现的值赋予较短的码字,而对于出现较少的值赋予较长的码字。 　　采用指数哥伦布码的优势在于:一方面,它的硬件复杂度比较低,可以根据闭合公式解析码字,无需查表;另一方面,它可以根据编码元素的概率分布,灵活地确定以k阶指数哥伦布码编码,如果k选得恰当,则编码效率可以逼近信息熵。 　　2.3内容自适应熵编码技术 　　内容自适应技术的主要思想是在熵编码过程中根据内容信息自主切换码表(变长编码器)或更新符号的条件概率(算术编码器),这较好的解决了以往熵编码技术中全局统计概率分布与编码符号局部概率分布不一致的问题,从而提高了编码效率。 　　CAVLC和CABAC是H.264中采用的两种熵编码方法,两种编码都是通过基于内容的自适应来提高编码的效率。 　　2.3.1 内容自适应变长编码(CAVLC) 　　CAVLC用残差数据经过整数变换及量化后的系数特性,根据以往编码的数据在若干码表中自适应的选择,找出与当前编码数据统计特性最相符的一个码表来进行编码,最大可能地与当前数据的概率模型相匹配,达到更好的自适应性。 　　CAVLC主要是对帧模式下Z顺序扫描之后的残差数据块进行编码,它充分利用了量化之后块的以下特性:(1)块经过预测,变换和量化之后变为典型的稀疏矩阵;(2)经过帧模式下Z顺序扫描之后,高频部分