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几种主流视频编码方式的性能比较和分析

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电子科技2007年第7期(总第214期) 几种主流视频编码方式的性能比较和分析 耿元鸣 (西安电子科技大学信息科学研究所,陕西摘要西安710071) 随着多媒体通信技术的不断发展,不同的组织提出了许多不同特点的编码方法。文中回顾并分析 了当前一些主流的编码机制,通过峰值信噪比(PSNR)和最小察觉差(JND)对主流视频编码技术的质量性能进行 了比较。通过比较发现,使用客观的PSNR标准时,H.264/AVC的各方面性能要好于现在使用的视频压缩标准, 但选择主观的JND标准可能会略微影响不同编码的性能。 关键词H.264/AVC;峰值信噪;最小察觉差;视频压缩 TN919.8 中图分类号Comparison and Analysis of the Current Video Codecs Geng Yuanming (Information Science Institute,Xidian University,Xi an 710071,China) Abstract With the development of technologies in muhimedia communication domain,various video CO- decs schemes are proposed by different organizations.In this paper,the current video codecs are reviewed and the quality performances of these different video coding technologies are evaluated by means of peak signal——to —noise ratio(PSNR)and just noticeable difference(JND).It is shown that H.264/AVC outperforms current compression standards in almost all cases when the objective quality metric PSNR is chosen.However,the choice of subjective quality metric JND could influence the performance of different video codecs. Keywords H.264/AVC;peak sinagl—to—noise ratio(PSNR);just noticeable difference(JND);vid- eo compression 视频压缩编码是多媒体计算机、多媒体数据 是对图像中的内容进行编码,其具体的编码对象 就是图像中的音频和视频信号。MPEG一4就是围 绕着AV对象的编码、存储、传输和组合而制定 的。H.264是ITU—T最新的视频编码标准,被称 作ISO/IEC14496—10或MPEG一4 AVC,是由运动 库和多媒体通信等领域的关键技术。随着移动通 信的迅速发展,对视频压缩编码提出了更高的要 求,不仅要求有高的压缩效率,而且要求在编码 结构层次上有白适应能力的协商机制。 经过多年的发展,视频压缩编码技术已取得 很多的成果,各个不同的组织或公司提出了不同 的编码方式,主要是MPEG—X及H.26X系列。 图像专家组(MPEG)和ITu的视频编码专家组共同 开发的新产品,它提供了比H.263和MPEG一4更 高的压缩性能,具有更低的时延和更强的差错恢 MPEG—X是国际标准化组织为多媒体通信制定的 一复能力,但是,H.264的优越性是以计算复杂度的 大大增加为代价的。 系列解决方案,作为主流编码方式的MPEG一4 本文对主流的MPEG一4编码机制及H.264的 收稿日期:2006-11-17 作者简介:耿元呜(1983一),男,硕士研究生。研究方 向:多媒体通信。 最新编码机制H.264/AVC进行了比较,并通过峰 值信噪比(PSNR)和最小察觉差(JND)这两种评估 方式进行了评估。 维普资讯 http://www.cqvip.com

几种主流视频编码方式的性能比较和分析 MC—EZBC[。]r Motion Compensated—Embedded 1 当前主流编码分析 Zero Block Coding)即运动补偿添零块编码是一种使 本文首先对主流的编码方式进行介绍,Xvid 用2维空间加时间的小波变换编码,可以充分利用 和DivX是MPEG一4系列实际应用的编码方式。 时间和空间的相互关系,在品质、空间分辨率和 H.264/AVC是最新的H.264编码机制。 帧率上完全分层。MC—EZBC结合了运动补偿时 Xvid 是一个公开源代码的MPEG一4编码方 间域滤波MCTF(Motion Compensated Temporal Filte. 法,被认为是目前世界上速度较快的MPEG4编 ring)和添零块编码EZBC(Embedded Zero Block 码。它是一个简单视频类的实际应用,以两种模 Coding)的优势,形成了一个完整的三维小波视频 式支持矩形编码:(1)帧内编码模式,产生帧内编 编码方案。MC—EZBC编码方案的图像组GOP 码视频对象平面1一VOPs(intra coded video object (Group of Pictures)长度选取为2“(其中n表示时间 planes)。(2)帧间编码模式产生预测视频对象平面 滤波的级数,为二级时间滤波)。这是由于为了使 P—VOPs(predicted video object planes)d MPEG压 每两个低频子带之间完成一次时间滤波,所以时 缩的时候,P帧会参考前一个画面进行压缩,B帧 间滤波总是两帧两帧进行且呈金字塔型分布,使 会参考前面或后面画面进行压缩,或同时参考前 得图像组(GOP)长度固定为2的n次幂 ]。 后的画面进行压缩。此时只需要纪录当前画面和 H.264/AVC 4 是新一代运动图像压缩标准, 参考画面之间的差异,即预测的误差,以及物体 是由ITU—T视频编码专家组和ISO/IEC运动图像 移动的方向(动作向量MV),不用重新压缩整个画 专家组成立的联合视频专家组制定的最新视频编 面,所以可以达到很高的压缩率。其中又以对B 码标准。H.264/AVC采用了多种先进技术,具有 帧进行的压缩效率最高。 很好的压缩性能,能够适应绝大部分视频编码的 DivX 视频编码技术是一种新生视频压缩格 需要。 式,对应的档案扩展名为AVI或者DivX,它由Mi. H.264/AVC能提供比H.263和MPEG一4更 croso ̄mpeg一4v3修改而来,使用MPEG一4压缩 高的压缩性能,使图像的数据量减少50%,对网 算法。DivX最大的特点就是高压缩比和较好的画 络传输具有更好的支持,引入面向数据包编码, 质。它和Microsoft MPEG一4 Video Code的最大区 有利于将数据打包在网络中传输,支持流媒体服 别就是支持AVI(Audio Video Interleave)格式。因 务应用;具有较强的抗误码特性,以适应在噪声 此可以用音频(MP3)+视频(MPEG一4)=DivX这 干扰大、丢包率高的无线信道中传输;对不同应 个式子来描述DivX。 用的时延要求具有灵活的适应性;编码和解码复 DivX的视频压缩采用了基于内容的编码方法, 杂度具有可扩展性,支持编码和解码复杂度的不 利用计算机图形学和计算机视觉技术,对视频序 等分配和扩展。 列的图像信息如边缘、轮廓、纹理等结构特征以 H.264/AVC JM7.6是一种修正的H.264/ 及物体的运动规律等进行参数化描述,从而提高 AVC,是联合模式速率控制的JM7.6(Joint Model 视频质量和编码效率。DivX的视频编码部分引人 7.6)和自适应搜寻范围的机制_4]。 了视频对象VO(Video Object)以及视频对象层 (Video Object Plane)的概念,将景物进行分割并对 2性能评判方式 图像分层处理,从而实现基于内容的分级压缩编 本文用峰值信噪比(PSNR)和最小察觉差 码,为提高压缩比打下基础.视频对象VO由时间 (JND)对不同编码的质量进行分析。 上连续的帧画面组成,它可以是最简单的矩形帧, 2.1峰值信噪比 也可以是任意形状的对象。对于某一帧画面的视 峰值信噪比_5 (PSNR)定义为信号功率与噪声 频对象即VOP,DivX可以对其编码,而解码 功率之比,通常用分贝表示,属于一种客观评判 器端也可以有选择地对一个或几个VOP解码。 标准。PSNR值越大,就代表失真越小。在图像处 52 Electronic Sci.&Tech./Ju1.15.2007 维普资讯 http://www.cqvip.com

几种主流视频编码方式的性能比较和分析 理的过程中,可将信号功率当作是峰值图像样值 数的平方,而噪声功率可认为是该图像中误码数 RMS的平方。 PSNR定义式 p AVC版本JM 7.6和DivX 6.0。对DivX使用线性 内插的如下方式:给定一个分辨率为常数的序列, 用Q dlv 'x衣不用DivX对这个给定的序列以比特率b 进行编码的比特流,Q:=c表示用H.264/AVC对这 NR 0 g豇 最小均方误差定义式 巧 ( ) 个序列以比特率b 进行编码的比特流,{Qavc} 是 一组Qavc的集合,然后在一组品质集合{Qavc} 中 搜寻Q 。因为在品质集合中进行搜寻并不能保证 获得精确的匹配搜寻结果,所以有以下假设。 (2) ——一 ∑[r(i, )一o(i, )] MSE= ——— IJ 厶1 假设两个品质值Q 和Q aev且 av ≤、( div ~如果一幅图像尺寸大小为N×M,则上式中r (i,.『)和0(i, )分别是重建后图像和原始图像在 n ave (5) 并且不存在这样的Q aev和Q 使得Q <Qavc≤ Qdi , ≤Q <Q 像素点(i, )的亮度值,其中i和 分别为一幅图 像尺寸的横坐标和纵坐标。i和 的取值范围分别 为0≤i≤Ⅳ一1,0≤ ≤ 一1。P是图像中最大像 Q 和Q ae~j的Q 的相对位置 可以通过下 v式计算 ave一 素值,常表示为P=2 一1,其中n是一幅图像的 亮度所需要的比特位数,一般取n=8bit。 因为在图像处理和视频技术中,PSNR—Y(亮 杀Ddivx ㈤ (7) 和b 相对应的H.264/AVC JM7.6的比特率由 下式给出 b ,=b + ・(6 —b ) 度Luma信噪比)是最常用的评估准则,它可以记 录所有编码引起的亮度改变,甚至可以记录一些 人眼不能察觉得变化,色度信息一般不予以考虑。 因此本文使用亮度的PSNR—Y,公式如下 PsNR—Y=101g 1 M N 那么H.264/AVC JM7.6和DivX相比,实际节 省的比特率s就是 (3) (4) S=——————■————一 : (8)O J MSE M 'N/ i r(z, )一。( , )] 3・2仿真条件和结果 将3种不同的改进型序列Foreman,Mother and 2.2最小察觉差 Daughters,Mobile and Calendar通过不同的编码器, 然后再解码。序列的原始图像格式(RawYCbCr)比 最小察觉差 (JND)是IEEE建议的一种新型 的主观质量评估方法,它基于已知的人视觉分辨 能力的生理和心理,属于一种主观评判标准。1 JND单位定义为:对于2幅输人图像,大约有 例为4:2:0,分辨率352×288,见表1。 表1序列参数 75%的受测者可以分辨出其差别,依此类推,2个 JND单元对应于93.75%(0.75+0.75×(1—0.75) =93.75%)的受测者可以分辨出其差别,3个对应 98.44%。JND方法更符合人的视觉特征。 使用的分辨率是通用中间格式(CIF,352× 288)。选择了7组典型的高低比特率传输速率 100 kb/s,400 kb/s,……,1 900 kb/s。编码速率30 帧/秒。H.264/AVC采用主流设置。GOP结构 IBBBP,长度16。其他的编码方式配置不变。由于 篇幅关系,只列出其中的一部分结果。 电子科技/2007年07月15日53 3仿真及结果分析 3.1节省比特率 因为并不能从理论上比较两种不同编码方式 的优劣,因此本文使用已经实体化的编码器作比 较,这里选用两种实际应用的编码方式,H.264/ 维普资讯 http://www.cqvip.com

几种主流视频编码方式的性能比较和分析 首先对使用不同的编码方法编码的序列进行 60% 比较。正值表示H.264/AVC性能平均值大于其他 40% 序列值的大小,负值则相反,如表2所示。 2O% 表2 H 264/AVC和其他编码方式相比的平均性能增益差值 0% M&C M&D DivX 6.0 MC—EZBC XviD 1.0 CIF 40% 48% 38% 42% 46% 43% SPNR JND SPNR JND SPNR JND Foreman 2.35 0.29 1.56—0.122.80—0.34 图3 H.264/AVC和其他编码方法相比节省的比特率 Mobile and Calendar 3.96—0.90 0.74 0.02 5.73—1.24 3.3仿真结果分析 Mother and Daughters 1.46—0.12-0.24 0.10 1.74—0.15 因为PSNR值越高,JND值越小,表示编码图像 H.264/AVC JM7.6和其他编码方法编码的 的失真越小,编码的性能就越好。所以从图中可以看 Foreman序列质量性能比较。因为试验环境的限 出,在高码率下H.264/AVC的PSNR性能比其他编 制,本文的JND试验陛能参照了其他的文章 引。 码方式要好,而在低码率下H.264/AVC的JND性能 Foreman序列CIF格式不同编码的的PSNR增 不是最好。在低码率下,XviD性能甚至优于H.264/ 益JND增益,如图1,图2所示。 AVC,这也许是H_264/AVC需要改进的地方。 44 H.264/AVC的编码范围相当大,其码率为 42 2kb/s到lO0kb/s,但是其他一些序列例如DiX6.0 40 和MC—EZBC在低码率下不能编码。在高码率下, 兽 葙 很难用肉眼分辨DivX6.0和H.264/AVC编码效果 的差异,但是用PSNR评估却可能有过大的差距。 鼻 因此,在高速率下,使用JND方法更为合适,而 1 PSNR则不太合适。但在低速率下,PSNR标准是有 3O 效的评估方法,因为使用JND方法评估结果较差。 28 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 本文只列出了一组序列的分析结果,但是实际上, 、 目标比特 ̄5/g/Mb・s一 对于不同的序列,会有不同的结果。带宽、序列内 图1平均PSNR增益 容和编码速率都会影响评判的结果。 和其他的编码方式相比,H.264/AVC节约的比 特率为32%~50%,对于CIF序列的平均节省的比 特率为38%,QClF为42%。和H.263编码相比,甚 至可以节省50%以上的比特率。 4结束语 视频编码技术经过多年的发展,提出了许多不 同的编码方式。从最初由不同组织提出的MPEG— x和H.26X系列,到现在最新联合提出的H.264/ AVC,视频编码技术经历了巨大的变化。如何去评 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 估这些不同的编码方式,也成为一个新的问题。本 目标比特率/Mb・S 文回顾及介绍了4种实际的编码机制,通过峰值信 图2平均JND增益 噪比和最小察觉差对四种编码机制进行了比较分 H.264/AVC编码节省比特率的比较,如图3 析,结果显示H.264/AVC的编码质量要优于当前 所示。 (下转第61页) 54 Electronic Sci.&Tech./Ju1.15.2007 ∞ 6 维普资讯 http://www.cqvip.com

SPIHT嵌入式编码算法在图像压缩中的应用 图像压缩算法,实验表明效果较好。本文的量化编 码为了提高压缩质量主要应用了子带之间数据的 参考文献 相关性,对子带内的数据相关性没有充分利用,这 1 Sweldens W.Building Your Own Wavelets at Home[C].Mor- 也是今后有待进一步研究的方向之一。 gan Kaufmann:Wavelets in Computer Graphics,ACM SIG- 表2对Lena图像进行压缩的比较结果 GRAPH Course Notes,1996:15—87. 2耿艳峰.基于提升格式的双正交小波构造[J].石油大学 学报(自然科学版),2005,29(3):144—147. 3 Said A,Pearlman W.A New Fast and Efficient Image Coding Based on Set Partitioning in Hierarchical Trees[J].IEEE Trans.Circuits&Systems for Video Technology,1996,6(3): 243—250. 4贾志科,崔慧娟,唐昆.改进的SPIHT静止图像压缩编码 算法[J].清华大学学报(自然科学版),2001,41(7):25—28. (上接第54页) 的主流编码方式。另外H.264/AVC和DivX相比, 4 Thomas Wiegand,Sullivan G J,Xjay Luthra.Overview of the 编码效率确实有大幅的提升,节约的比特率为 H.264/AVC Video Coding Stnadard[J].IEEE Transactions 32%~50%,这也是它显著的特点之一。 on Circuits nad Systems for Video Technology,2003,13(7): 560—576. 参考文献 5 De Neve W,Lambert P,Lerouge S,et a1.Assessment of the 1 ISO/IEC14496—2.Information Technology—Generic Coding Compression Efficiency of the MPEG一4 AVC Specification of Audio—Visual Objects.Part 2:Visual[S].DEC,1999. [C].In:Proceedings of SPIE/Electronic Imaging 2004,2004 2 ISO/IECJTC1/SC29/WG11/N2724[S].MPEG一4 Applica- 5308 1082—1093. tions,Seoul,Korea:Marck,1999. 6 Peter Lambert,De Neve W,De Neve Philippe,et a1.Rate— 3 Chen P.Wouds J.Bidirectional MC—EZBC with Lifting Im- Distortion Performance of H.264/AVC Compared to State—of plementation[J].IEEE Trnasactions on Circuits and Systems —the—Art Video Codecs『J].IEEE Trnasactions on Circuits ofr Video Technology,2004,14(10):1183—1194. and Systems ofr Video Technology,2006,16(1):134—140. 我校5个国家重点学科全部通过教育部国家重点学科考核评估 根据教育部最新公布的《国家重点学科考核评估结果》,我校通信与信息系统等5个国家重点学科全部通过国家重点学 科考核评估。 2006年12月,我校国家重点学科考核评估工作正式启动。根据教育部总体部署和考核评估工作程序要求,本着客观、公 平、公正的原则,在学校国家重点学科领导小组的高度重视下,发展规划处牵头组织校内专家组和学科工作组进行了考核评 估材料的审阅、答辩等校内评估和国家重点学科全国高校互评等一系列工作。 根据教育部国家重点学科考核评估的统计结果,我校通信与信息系统、信号与信息处理、电路与系统、电磁场与微波技术 和微电子学与固体电子学等5个国家重点学科全部顺利通过考核,充分肯定了学校国家重点学科的建设水平和建设成效。 这一评估结果,对于该5个国家重点学科所属的信息与通信工程、电子科学与技术等2个一级学科参加一级学科国家重点学 科的认定必将会产生积极的影响。 日前,国家重点学科增 ̄l-.z-作业已开始。学校正全力组织相关单位和人员开展准备工作,力争使我校在国家重点学科数 量和学科覆盖面方面取得新的突破。 源自——西电新闻 电子科技/2007年O7月15日6/ 

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