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用H.26L降低視頻會議系統對網絡帶寬的需求

文章類別：行業法規加入時間：2005-10-13

由于網絡帶寬的限制以及編碼技術的制約，實時視頻通信應用中存在視頻質量差、圖像延時大和抗分組丟失能力弱等問題，而在包括音頻、視頻和數據的視頻會議呼叫中，視頻部分通常會占用整個呼叫可用帶寬的**大部分。本文介紹的H.26L針對這種問題，能將帶寬需求降低50%，因而可在低帶寬網絡上實現視頻會議系統應用。

從固定和移動視頻電話以及視頻會議到DVD和數字電視，數字視頻正被越來越多的應用采用。這一現象之所以出現歸功于視頻編碼**的發展，有了這些編碼**，系統和系統之間才能實現互通性。此外，這些**也為降低整個網絡結構中所需的帶寬作出了貢獻，并在位率不變時，讓系統可以****的視頻質量，同時減小系統對視頻存儲的要求。幾年以前，基于模塊的壓縮算法才趨于成熟，而如今出現的H.26L**卻已經在編碼效率上實現了突破，它可以**進一步擴展優先**中的基本技術，將位率降低50％。

H.26L中包含幀內預測(intra prediction)功能、更靈活的運動補償功能、新的4×4整型轉換功能，還能實現功能更**的熵編碼，這些對于H.26L而言都很關鍵。H.26L中提供了多種編碼工具，這就使系統開發商能夠針對不同的終端系統應用來優化其算法，達到區分產品的目的。但在開始采用H.26L進行開發之前，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，設計者才能很好的利用這項剛剛出臺的視頻編碼**所具備的優勢進行設計。

H.26L概述

開發視頻編碼**的正式組織有兩個，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議和視頻電話等實時視頻通信應用設計的，而MPEG**主要則是為視頻存儲(DVD)、廣播視頻(廣播TV)以及視頻流(例如，網上視頻、DSL上的視頻以及無線視頻應用)設計的。這兩個**委員會通常都**立工作，**的例外就是二者合作開發了H.262/MPEG-2**。

**近，ITU-T和ISO/IEC已經達成協議，再次合作開發由ITU-T發起的H.26L**。他們之所以能在開發H.26L上達成一致，原因在于，從性能的角度而言，H.26L**了現有的所有視頻編碼**。圖1對ITU-T建議和ISO/IEC MPEG**的發展演化過程進行了總結。

開發H.26L項目的目的，是為了**采用“Back-To-Basics”方法，開發出一種基于通用模塊的，簡單直接的**視頻編碼**。H.26L**的開發工作是由ITU-T視頻編碼**組(VCEG)發起的，開始于1997年。到2001年年底，他們發現，基于H.26L的軟件所能提供的視頻質量，就是現有的**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結合起來組成了一個聯合視頻開發組(JVT)，接管了H.26L項目。JVT希望建立一個**的視頻編碼**，同時使其成為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的開發目前正在進行中，其**版有望在2003年年底前公布。

當前的H.26L**中包含了一些能夠使其區別于現有的一些其它**的**性，如：

1. 對位率的節約高達50%。在大多數位率的情況下，當編碼優化程度接近時，H.26L與H.263v2(H.263+)或MPEG-4簡化版相比，H.26L可以允許位率的降低程度平均達到50%。2. 可提供高質量的視頻信號。H.26L即使在位率很低的情況下也能提供質量穩定的視頻信號。3. 對延時約束的適應性較強。當用于實時通信應用中(例如視頻會議)時，H.26L可以以低延時模式工作，而應用于對延時沒有要求的應用中(例如視頻存儲)時，H.26L又可以以較高的效率處理延時。4. 具有誤差處理能力。在分組網絡中出現分組丟失時或在較易出錯的無線網絡中出現誤碼時，H.26L能夠提供處理這類問題所必需的工具。5. 網絡非常友好。在H.26L中，有一個新的**性，那就是視頻編碼層和網絡適配層從概念上分離開來。視頻編碼層用于對視頻圖像的內容進行高比壓縮，而網絡適配層用于根據用戶所使用的網絡類型的不同，將壓縮后的信息打包。這使得分組過程變得更加靈活和簡單，同時也改善了對信息優先權的控制情況。

綜合以上這些**性，可以看出H.26L在視頻應用方面具有相當的優勢。在本文的結束部分，我們將討論H.26L用于視頻會議時所具備的優勢。

H.26L是如何實現上述功能的呢？

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

1. **先，將每個視頻幀分成像素塊，于是，對視頻幀的處理可以建立在處理像素塊的基礎上。2. 其次，**進行變換、量化和熵編碼(或可變長度編碼)，對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，只對連續幀之間出現的變化進行編碼，從而充分利用連續幀之間存在的時間冗余度。這個過程是**運動估值和補償來實現的。4. **，對余差模塊編碼，也就是說，**變換、量化和熵編碼對原始模塊和相應的預測模塊之間的差異進行編碼，從而充分利用視頻幀內剩余的空間冗余度。

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。從運動估值和補償的角度來看，H.26L采用了各種尺寸和形狀的模塊，子像素運動估值的分辨率更高，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行反變換時，不存在失配問題。

在H.26L中，熵編碼有兩種實現方法，其一是利用一個通用的可變長度編碼表來實現，此外，也可由基于上下文的自適應二進制算術編碼實現。

如何組織位流

前面講到，在H.26L中，我們會將一個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16×16的宏塊。對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該圖像的亮度信息取樣，而對圖像的色差信息Cb和Cr，則從水平方向和垂直方向上進行下取樣。此外還應注意的是，一幅圖像只能被分割成整數片，因為如果該圖像在傳輸過程中丟失了一些信息的話，那么整數片的分割方法會大大有助于信息的再同步。

幀內預測(intraprediction)編碼

幀內編碼是指只利用視頻圖像內的空間冗余度來優化編碼。采用這種編碼方式得到的圖像幀被稱作I-圖。I-圖通常是**直接對一幀中的各宏塊進行變換得到的，其文件很大，因為此時幀內還含有大量的信息，而且編碼過程絲毫沒有利用圖像的時間信息。

要提高H.26L中幀內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聯性利用起來。提出這一想法的依據是人們發現相鄰的宏塊常常具有類似的**性。因此，作為對某一給定宏塊進行編碼的**步，我們可以根據周圍的宏塊來預測我們所感興趣的宏塊，通常我們會選擇目標宏塊左側和上側的宏塊，因為這些宏塊已經經過編碼了。然后再對實際的宏塊與預測宏塊之間的差別進行編碼。這樣，要表達出我們所感興趣的宏塊時所需的位數就比直接對該宏塊進行變換所需的位數少得多。

H.26L提供了6種模式用于實現4×4亮度塊的預測，包括直流預測(模式0)和其它5種有方向的預測模式(模式1到模式5，如圖4所示)。圖中，像素A到像素I均經過編碼，可將這些像素作為相鄰模塊，用于預測目標塊。

例如，如果選擇模式2進行預測，那么像素a、e、i和m在預測中被設置為與像素A相等，像素b、f、j和n在預測中被設置為與像素B相等。對于空間細節含量較少的區域(平坦區域)，H.26L也支持16×16的幀內編碼，此時可在4種預測模式中選用一種來對整個宏塊進行預測。

**，每個塊在選擇其預測模式時，它采用各種模式的可能性由其周圍模塊編碼時所采用的預測模式來決定，分配給某模式的**號越短，采用這種模式的可能性就越大。

幀間預測和編碼

在幀間預測和編碼(interprediction and coding)中，運動估值和補償在實現時必須利用連續幀之間存在的時間冗余度，因而這種方法可有效地實現視頻序列的編碼。如果運動估值所選定的參考幀是一個經過編碼的幀，那么目標幀(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，那么目標幀就叫做B－圖。

H.26L中的運動估值能夠支持早期視頻**中的大多數重要**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中采用的運動估值所具備的主要**性包括：塊大小和形狀多種多樣，高精度的子像素運動向量，多參考幀以及預測環路中的消塊濾波器。

1. 塊大小：我們可以**使用多個不同大小和不同形狀的塊來完成每個16×16宏塊的運動補償，見圖5。即使只有4×4那么小的塊，H.26L也可為其傳送**有的運動向量，因此H.26L**多可以為每一個宏塊傳送16個運動向量。H.26L同時也支持大小為16×8、8×16、 8×8、8×4和4×8的塊，如圖5所示。H.26L這種能夠對小尺寸塊進行運動補償的能力，從整體上改善了目標預測的性能。**別值得一提的是，這同時還改善了整個系統模型處理精細運動細節的能力，并使得主觀視覺質量得到提高，因為這些小尺寸塊**生成大的塊狀馬賽克。

2. 運動估值的**性：如果不由現有**能達到的空間**度來決定運動向量，而由更**的空間**度來決定運動向量，那么H.26L中算法的預測能力又會得到進一步增強。H. 26L中，四分之一像素**度(Quarter-pixel-accurate)是其**低運動補償精度。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)可能對提高編碼效率很有幫助。

3. 可選擇多個參考圖像：H.26L**提供了一個選項，在圖像進行幀間互編碼時可以選擇多個參考幀，**多5個，這樣，主觀視頻質量**，對需要編碼的視頻幀進行編碼的效率也更高。此外，采用多個參考幀也可以使H.26L位流具備更強的差錯處理能力。

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

H.26L中的整數轉換

不論是幀內預測還是幀間預測，預測誤差塊中包含的信息**都以變換系數的形式表達出來。H.26L采用了一種和浮點8×8 DCT相反的**整數空間轉換(類似于離散余弦變換，形狀為4×4)，這種轉換方法由早期的**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狀馬賽克，而采用整數轉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

量化是數據壓縮中很重要的一步。在H.26L中，變換系數**無擴展死區的分級量化量進行量化。在每個宏塊的基礎上可選擇32種不同的量化步長，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)類似。但在H.26L中，量化步長是以前次步長的12.5%的速率遞增，而不象過去的**中那樣每次遞增一個常量。有些時候，亮度系數的量化非常粗糙，而色差信號在量化時則采用了這種更精細的量化步長，因而色差信號的保真度較亮度系數大有改善。

量化后的變換系數對應于各種不同的頻率。圖6左上角的系數代表直流值，而其它部分的系數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排成一列，直流系數排在列**。

H.26L規定了兩種不同的系數掃描方式，見圖6。大多數情況下采用的都是簡單的雙掃描方式，這種方式和早期的視頻編碼**中所采用的傳統掃描方式相同，根據系數所對應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較小的塊內掃描。

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。**種方法的基礎是對通用可變長度碼(UVLC)的應用，**種方法的基礎是基于上下文的自適應二進制算術編碼。人們已經為在熵編碼中統一采用一種方法付出了實質性的努力，這種方法很可能是基于**殊VLC的自適應應用的一種方法。

在對量化后的變換系數、運動向量以及其它編碼信息進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的基礎就是為出現可能性較大的**號分配較短的碼字，而為出現頻率較低的**號分配較長的碼字。各**號和相應的碼字存儲在一個叫做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，根據感興趣信息的類型(例如變換系數或運動向量)不同，需使用許多的VLC表。而在H.26L中，不論**號所代表的是什么數據類型，都可以用一個通用的VLC表來對編碼器中所有的**號進行熵編碼。

基于上下文的自適應二進制算數編碼在編碼器和譯碼器內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、運動向量)。為了提高算術編碼方式的編碼效率，我們可以**對上下文建模，將一個潛在的概率模型應用于視頻幀的不斷變化的統計量。這樣，我們就能對編碼**號進行有條件的概率估計。

如果我們采用了恰當的上下文模型，那么我們就可以根據當前**號周圍的已編碼**號的情況來決定如何在各種概率模型之間切換，從而達到利用**號間已有的冗余度的目的。每個語法元素都支持一個不同的模型，例如，運動向量和變換系數的模型就不相同。如果一個給定的**號具有非二進制的值，那么就將它映射為一個二進制序列，或者叫做“bins”。確切的二進制值轉換是**一個給定的二進制樹實現的，在本文討論的模型中采用的是UVLC二進制樹。

接著，采用新的概率估計來對這個二進制結果進行算術運算，此處采用的概率估計系在前**上下文建模階段更新后的概率估計。在對每個二進制數值編碼過后，這個概率估計的值又要根據剛剛編碼之的二進制**號進行調整。

本文小結

在利用數字信號處理器實現H.26L的過程中，充分利用了各種新技術，使得實時視頻通信應用的視頻質量和圖象延時都有所改善。一個實時視頻會議應用**能說明H.26L的實現機理。視頻會議一般都將穩定的視頻質量、較低的延時和較強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量穩定)。而在**涉及音頻、視頻和數據的視頻會議呼叫中，視頻部分通常會占用整個呼叫可用帶寬的**大部分。如果視頻部分所需的帶寬能夠得到降低，那么將會有**的低帶寬網絡接受視頻會議系統這種應用。H.26L就針對這種需求，將帶寬需求從H.26+所需的320kbps降低到160kbps。

此外，許多視頻會議解決方案為了保證視頻質量令人滿意，仍在采用二次(two-pass)編碼方式，但這種編碼方法會為會議呼叫引入令人討厭的延時。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，這樣做也就降低了二次編碼方法中的處理延時。盡管在目前，大多數視頻會議呼叫都發生在本地專用網上，但在分組傳輸中仍然會出現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抗這種分組丟失

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