基于H.264AVC与AVS标准的帧内预测技术比较

通过分别对H.264/AVC和AVS标准在帧内预测技术方面的分析,比较两种标准中帧内预测技术的算法复杂度和编码性能。根据这些结论,结合实际的需求,分析H.264/AVC和AVS应用于相关领域中具有的优势以及存在的缺点。同时,为提出快速的帧内预测算法提供了理论参考。

http://www.77cn.com.cn基于 H.264/AVC 与 AVS 标准的帧内预测技术比较龚猷龙，刘勇北京邮电大学通信网络综合技术研究所，北京（100876）E-mail：gongyoulong@http://www.77cn.com.cn摘 要：通过分别对 H.264/AVC 和 AVS 标准在帧内预测技术方面的分析，比较两种标准中 帧内预测技术的算法复杂度和编码性能。根据这些结论，结合实际的需求，分析 H.264/AVC 和 AVS 应用于相关领域中具有的优势以及存在的缺点。同时，为提出快速的帧内预测算法 提供了理论参考。 关键词：H.264/AVC；AVS；帧内预测1. 引 言H.264/AVC 由 MPEG(Moving Picture Experts Group)和 VCEG(Video Coding Experts Group)联合开发的视频压缩标准。H.264 克服了以前标准中的压缩比不高、视频流传输易阻 塞等缺点，明显提高了视频流的编码效率和网络适应性。与以往的压缩标准(如 H.261/3， MPEG-1/ 2/ 4 等)相比,能提供高达 1.5～2.0 倍的压缩效率，最大压缩比可以达到 150～200。 但是，和以前的标准一样，H.264 的编解码器仍然采用的是基于块的混合 DPCM/DCT 视频 编解码结构，同时 H.264 引用了许多新特征，包括：分层结构的 VCL 层和 NAL 层、帧内预 测、1/4 像素精度运动估计和运动补偿、自适应块尺寸运动补偿、多参考帧运动补偿预测、 低复杂 16 比特的整数变换和量化、环内去方块滤波器、高效的熵编码和新的图像片类型(SP 片和 SI 片)等，并且包含了用于差错消除的工具，便于压缩视频流在误码和丢包严重的 IP 信道中传输，有效的提高了其传输的健壮性。以往的标准中，主要采用的是帧间预测方式， 在变换域中才会使用帧内预测；H.264 根据相邻像素间的相关性，在空间域对 I 帧和 P 帧采 用了帧内预测技术。H.264 帧内预测模式包括九种 4×4 亮度子块预测模式、四种 16×16 亮度 宏块预测模式、四种 8×8 色度块预测模式和 I_PCM 编码模式。H.264 广泛应用于视频会话、 视频点播和数字电视广播等领域[1]。 AVS(Audio Video coding standard)是由中国数字音视频编解码技术标准工作组自主制定 的音视频编码技术标准。AVS 是以 H.264/AVC 标准框架为起点，自主制定的、具有自主知 识产权的音视频编解码标准。AVS 标准省去了 H.264 的一些算法复杂度高而编码贡献小的 技术，并对相关的算法进行优化，同时提出自主的核心技术。AVS 大约有 150 倍的压缩效 在 采用的核心技术包括： 8×8 整数变换、 率， H.264 的压缩比差不多[2]。 AVS 视频标准中， 和 量化、帧内预测、1/4 精度像素插值、特殊的帧间预测运动补偿、二维熵编码、去块效应环 内滤波等。其中帧内预测包括：五种 8×8 亮度块预测模式和四种 8×8 色度块预测模式。AVS 视频主要面向高清晰度电视、 高密度光存储媒体等应用中的视频压缩。 由于技术的日趋成熟 和市场占有率的逐步提升，AVS 将会在业界占有重要的地位。2. 基于 H.264 标准的帧内预测模式2.1 I_PCM 编码模式对一些反常图像编码时， 特别是图像内容不规则或者量化参数非常低的情况下， 编码器 直接传输图像的像素值，而不经过预测和变换过程。如果采用常规的编码操作(帧内预测→ 变换→量化→熵编码)，可能此时的压缩比要小于 1(原因可能是用来表征图像特性参数所需-1-

通过分别对H.264/AVC和AVS标准在帧内预测技术方面的分析,比较两种标准中帧内预测技术的算法复杂度和编码性能。根据这些结论,结合实际的需求,分析H.264/AVC和AVS应用于相关领域中具有的优势以及存在的缺点。同时,为提出快速的帧内预测算法提供了理论参考。

http://www.77cn.com.cn的比特要比表示图像自身的码流多)，I_PCM 模式比起采用常规的操作效率更高[4]。I_PCM 模式用于以下目的： (1)传送一帧几乎“没有失真”的图像给解码器。 (2)允许编码器精确地表示像素值。 (3)提供表示不规则图像内容的准确值，但不引起明显的数据量增加。 (4)严格限制宏块解码比特数，但不损害编码率。2.2 4×4 亮度子块帧内预测模式宏块由一个 16×16 亮度块像素和附加的一个 8×8Cb 和一个 8×8Cr 彩色像素块组成。每 个宏块亮度块(16×16)一共有 7 种分割方法：16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8、4×4。 同理色度块的分割方法一样， 只是尺寸减半(水平和垂直方向都减半)， 并且宏块有 5 种类型： I 宏块、P 宏块、B 宏块、SP 宏块、SI 宏块。在宏块进行编码时，还要判断是帧内编码还是 帧间编码。帧内编码又有好几种，其中亮度块 4×4 有九种，16×16 有四种，色度块 8×8 有四 种编码模式。Intra_4×4 表示使用帧内 4×4 亮度子块预测，Intra_16×16 表示帧内 16×16 亮度 宏块预测。 如图 1 所示，4×4 亮度块的上边和左边像素 A～M 为已经编码并重构的像素，用作编解 码器中的预测像素。a～p 为 4×4 亮度块的待预测像素，利用 A～M 值并采用九种模式实现。 其中模式 2(DC)由 A～M 平均值得出所有像素值， 而其余模式只有在所需预测像素全部提供 后才能使用。图中的箭头表示预测方向。例如，在模式 4 中，p=round(B/4+C/2+D/4)。表 1 给出了九种模式的描述[4]。图 1 4×4 亮度预测点的标注-2-

通过分别对H.264/AVC和AVS标准在帧内预测技术方面的分析,比较两种标准中帧内预测技术的算法复杂度和编码性能。根据这些结论,结合实际的需求,分析H.264/AVC和AVS应用于相关领域中具有的优势以及存在的缺点。同时,为提出快速的帧内预测算法提供了理论参考。

http://www.77cn.com.cn图 2 4×4 亮度预测模式 表 1 4×4 预测模式描述 描述 由 A、B、C、D 垂直推出相应像素值 由 I、J、K、L 水平推出相应像素值 由 A～D 及 I～J 平均值推出所有像素值 由 45 度方向像素内插得出相应像素值 由 45 度方向像素内插得出相应像素值 由 26.6 度方向像素内插得出相应像素值 由 26.6 度方向像素内插得出相应像素值 由 26.6 度方向像素内插得出相应像素值 由 26.6 度方向像素内插得出相应像素值模式 模式 0(垂直) 模式 1(水平) 模式 2(DC) 模式 3(下左对角线) 模式 4(下右对角线) 模式 5(右垂直) 模式 6(下水平) 模式 7(左垂直) 模式 8(上水平)2.3 16×16 亮度宏块帧内预测模式和 8×8 色度块帧内预测模式16×16 亮度宏块帧内预测模式有四种[1]， 如图 3 所示， 依次顺序为垂直(模式 0)、 水平(模 式 1)、DC(模式 2)、平面(模式 3)。表 2 给出了 16×16 亮度预测模式的描述。图 3 帧内 16×16 预测模式 表 2 16×16 预测模式的描述 模式 模式 0(垂直) 模式 1(水平) 模式 2(直流) 模式 3(平面) 描述 从上面的像素推断(H) 从左边的像素推断(V) 上边和左边像素平均(H+V) 对上面 H 和左边 V 像素使用一个线性平面函数，推出像素值-3-

通过分别对H.264/AVC和AVS标准在帧内预测技术方面的分析,比较两种标准中帧内预测技术的算法复杂度和编码性能。根据这些结论,结合实际的需求,分析H.264/AVC和AVS应用于相关领域中具有的优势以及存在的缺点。同时,为提出快速的帧内预测算法提供了理论参考。

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