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H.264压缩算法详解




H.264是一种视频高压缩技术,全称是MPEG-4 AVC,用中文说是“活动图像专家组-4的高等视频编码”,或称为MPEG-4 Part10。它是由国际电信标准化部门ITU-T和规定MPEG的国际标准化组织ISO/国际电工协会IEC共同制订的一种活动图像编码方式的国际标准格式,这是我们叫惯了的MPEG中的一种,那为什么叫H.264呢?

原来国际电信标准化部门从1998年就H.26L的H.26S两个分组,前者研制节目时间较长的高压缩编码技术,后者则指短节目标准制订部门。H.26S 的标准化技术的名称为H.263,听起来很耳生,但实质上却早在用了,还被骂得很激烈。因为,H.263先入为大,一直以MPEG-4大内涵的名字在用。 H.263的全称为MPEG-4 Visual或MPEG-4 Pall Ⅱ,即MPEG-4视频简单层面的基础编码方式。2001年后,国际电信标准化部门ITU-T和MPEG的上级组织国际标准化组织ISO/国际电气标准会议IEC成立了联合视频组JVT,在H.26L基础进行H.264的标准化。

2002年12月9日~13日,在日本香川县淡路岛举行的MPEG聚会上确定了相关技术的规格。规格书定稿后,2003年3月17日,H.364的技术格式最终稿国际标准规格(FDIS)被确立。目前软件和LSI芯片,服务及设备也都进入了使用阶段。格式书中,列出了比特流规定,解码必要格式,和可供参考的编码记载。

为了不引起误解,ITU-T推荐使用H.264作为这一标准的正式名称。实际上,MPEG-4里还有MPEG-4 Audio和MPEG-4 System的不同规格。

MPEG-4挨骂是因为MPEG-4 Visual许可收费离谱引起的。别以为有了专利就可以随意向人要钱了,专利的最终目的的是使全社会的智力资料更合理地使用,防止重复劳动,并不是犒赏最先发明者。按唯美史观,当社会技术发展到某一阶段时,新技术必然会出现。不是你、就是他总会发明出来,只是细节、时间、成本上的微小差别。历史上,这样不约而同的发明很多,无线电的发明者是马可尼还是波波夫,一直在西方和东方技术史界争论。

而当专利技术成为国际标准的一部份后,问题就更加复杂了。国标标准是强制的,向其中的专利付费是否有垄断之嫌?标准中的技术专利请求,是否合理?如何区分正当的请求和不正当的请求?等等一系列的理论、法律和道德问题都出来了。要尊重专利法,也要遵守反垄断法。这两年国际上围绕MPEG-4收费问题的大争论就是由此而起。
在标准化进程中,专利的争端正在增加,任何黑白两极的判断都无法令人满意。但奇怪的是标准中的专利争端发展到要求判决的案例几乎没有,都是当事者幕后交易解决,这使得不明确的法理更陷入恶性循环之中。同时也助长了用户对盗版的宽容,一边是抢我的剪径强资,另一边是偷你的小贼,怎么讲道德?!

MPEG-4的收费问题主要是从向传输环节收费引起的。MPEG-4对解码器和编码器的收费已经比MPEG-2低了很多,这是各种压缩技术竞争的结果。但MPEG-2不对传输MPEG-2压缩图像的服务环节收费,而MPEG-4则要对内容配送者收取每分钟0.0333美分的许可费。钱数听起来不大,但伦理上却有很大的差别。打个比方,你买了台彩电,必要的专利费用已经通过彩电厂转交到专利技术持有者的手中。而当你打的把这台彩电运回家的时候,出租车主也要向专利持有者交费!能不引起轩然大波吗。

现在的专利收费结构已经相当商业化。一种产品、一个系统或一套技术标准中,包含有许许多多公司的专利技术,使用企业很难与一个个技术的发明者直接交涉签约,这样就出现了一种专利管理公司的企业。它把某一产品的一个个技术从专利持有者手中买下来,约定好收益的分配方案,再由它人使用技术的企业中收取许可费。需要用这一产品技术的企业就只需与专利管理公司打交道,操作方便多了。但专利管理公司和著作权保护企业一样,实际上是一个中间商,两头赚钱,未必把社会效益放在最高地位。

现在的MPEG-4,也即MPEG-4 Visual是由美国MPEG LA公司进行专利许可管理的,他同时也在管理MPEG-2的专利,目前还在争取H.264的专利许可权。MPEG LA公司于2002年9月就开始募集H.264的主要专利,想采取先入为主的手段取得管理权。由于大量企业对MPEG-4收费制度不满,2003年6月, MPEG-4的支持团体M4IF(MPEG-4工业论坛),决定数据流标准格式的美国ISMA(国际数据流媒体协会)和多媒体通信有关业界团体IMTC (国际多媒体通信协会)发起召开H.264的许可制度说明会。总共有专利持有者和使用者团队45个,56人参加,对有关H.264许可问题进行早期意见交换,希望协调各方面的要求和利益。关于方面其它信息,我们稍后再细述,先看看H.264的特色吧。

H.264用大运算量来换取高压缩率、高画质

H.264受人追捧有三大原因:高性能、国际标准和公正的无差别许可制度。

首先是超高压缩率,其压缩率为MPEG-2的2倍以上,MPEG-4的1.5至2倍。这样的高压缩率是以编码的大运算量来换取的,H.264的编码处理计算量有MPEG-2的十多倍。不过其解码的运算量并没有上升很多,故对用户接收播放来说没有什么难度。

从另一角度,编码的大运算量现在也不是什么大问题。MPEG2是1994年推出的,当时微处理器的工作频率才100MHz,主存储器容量也不满10MB。 MPEG-2那样的压缩运算适应了当时的技术水平。而现在CPU的工作频率可上升到3GMz,DRAM用到256MB,提升了30倍上下,运算量也不怕。实验表明在奔腾4处理器的3GHz电脑上,可用软件实现D1(720×80)格式图像的H.264实时编码。

而且H.264才标准化,运算顺序还有改善的空间。当作为国际标准确立后,还能结集起全世界的精英来优化处理。这也反应出技术发展的必然性,唯物史观。

高压缩率使图像的数据量减少,给存储和传输带来了方便。加上基本规格公开的国际标准和公正的许可制度,所以,电视广播、家电和通信三大行业都进入到H.264的实际运用研发中心,见图1。


H.264又一项减少运算量的方法是在很多地方引入层次化运算,把在矩阵数据块变成小块运算,使计算式变得更加简单,见图5。

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