视频扫盲3

在视频编解码器中，单个帧可以采用三个模式中的一个进行编码 —— 即 I、P 或 B 帧模式（见图 3）。几个称为 Intra (I) 的帧单独编码，无需参考任何其他帧（无运动补偿）。某些帧可以利用 MC 编码，以前一个帧为参考（前向预测）。这些帧称为预测帧 (P)。

B 帧或双向预测帧通过之前的帧以及当前帧的后续帧进行预测。B 帧的优势是能够匹配堵塞在采用前向预测的上一帧中的背景区域。双向预测通过平衡前向及后向预测可以降低噪声。在编码器中采用这种功能会要求更多处理量，因为必须同时针对前向及后向预测执行 ME，而这会明显使运动估计计算需求加倍。为了保存两个参考帧，编码器与解码器都需要更多内存。B 帧工具需要更复杂的数据流，因为相对采集及显示顺序而言，帧不按顺序解码。这个特点会增加时延，因此不适合实时性较高的应用。B 帧不用于预测，因此可以针对某些应用进行取舍。例如，在低帧速应用中可以跳过它们而不会影响随后 I 与 P 帧的解码。

图3：I、P 与 B 帧间预测图示

尽管 H.264 采用与旧标准相同的主要编码功能，不过它还具有许多与旧标准不同的新功能，它们一起实现了编码效率的提高。图 5 的编码器框图总结了其主要差别，概述如下：

帧内预测与编码：H.264 采用空域帧内预测技术来预测相邻块邻近像素的 Intra-MB 中的像素。它对预测残差信号和预测模式进行编码，而不是编码块中的实际像素。这样可以显著提高帧内编码效率。

帧间预测与编码：H.264 中的帧间编码采用了旧标准的主要功能，同时也增加了灵活性及可操作性，包括适用于多种功能的几种块大小选项，如：运动补偿、四分之一像素运动补偿、多参考帧、通用 (generalized) 双向预测和自适应环路去块。

可变矢量块大小：允许采用不同块大小执行运动补偿。可以为小至 4(4 的块传输单个运动矢量，因此在双向预测情况下可以为单个 MB 传输多达 32 个运动矢量。另外还支持 16(8、8(16、8(8、8(4 和 4(8 的块大小。降低块大小可以提高运动细节的处理能力，因而提高主观质量感受，包括消除较大的块化失真。

四分之一像素运动估计：通过允许半像素和四分之一像素运动矢量分辨率可以改善运动补偿。

多参考帧预测：16 个不同的参考帧可以用于帧间编码，从而可以改善视频质量的主观感受并提高编码效率。提供多个参考帧还有助于提高 H.264 位流的容错能力。值得注意的是，这种特性会增加编码器与解码器的内存需求，因为必须在内存中保存多个参考帧。

自适应环路去块滤波器：H.264 采用一种自适应解块滤波器，它会在预测回路内

对水平和垂直区块边缘进行处理，用于消除块预测误差造成的失真。这种滤波通常是基于 4(4 块边界为运算基础，其中边界各边的 3 个像素可通过 4 级滤波器进行更新。

整数变换：采用 DCT 的早期标准必须为逆变换的固点实施来定义舍入误差的容差范围。编码器与解码器之间的 IDCT 精度失配造成的漂移是质量损失的根源。H.264 利用整数 4(4 空域变换解决了这一问题——这种变换是 DCT 的近似值。4(4 的小区块还有助于减少阻塞与振铃失真。

量化与变换系数扫描：变换系数通过标量量化方式得到量化，不产生加大的死区。与之前的标准类似，每个 MB 都可选择不同的量化步长，不过步长以大约 12.5％ 的复合速率增加，而不是固定递增。同时，更精细的量化步长还可以用于色度成分，尤其是在粗劣量化光度系数的情况下。

熵编码：与根据所涉及的数据类型提供多个静态 VLC 表的先前标准不同，H.264 针对变换系数采用上下文自适应 VLC，同时针对所有其他符号采用统一的 VLC (Universal VLC) 方法。主类还支持新的上下文自适应二进制算术编码器 (CABAC)。CAVLC 优于以前的 VLC 实施，不过成本却比VLC高。

CABAC利用编码器和译码器的机率模型来处理所有语法元素 (syntax elements)，包括：变换系数和运动矢量。为了提高算术编码的编码效率，基本概率模型通过一种称为上下文建模的方法对视频帧内不断变换的统计进行适应。上下文建模分析提供编码符号的条件概率估计值。只要利用适当的上下文模型，就能根据待编码符号周围的已编码符号，在不同的概率模型间进行切换，进而充份利用符号间的冗余性。每个语法元素都可以保持不同的模型（例如，运动矢量和变换系数具有不同的模型）。相较于 VLC 熵编码方法 (UVLC/CAVLC)，CABAC 能多节省 10 ％ bit速率。

加权预测：它利用前向和后向预测的加权总和建立对双向内插宏模块的预测，这样可以提高场景变化时的编码效率，尤其是在衰落情况下。