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多媒体技术基础(第3版)
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
张奇
复旦大学 计算机科学技术学院
[email protected]
2011年5月
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像目录
13.1 MPEG-4 AVC/H.264的由来
13.2 提高编码效率的主要技术
13.3 视像数据的编码结构
13.3.1 分层处理的结构
13.2.2 视像数据的组织
13.3.3 三种类型的视像
13.4 编译码器的结构
13.5 帧内预测
13.5.1 4×4亮度预测方式
13.5.2 16×16亮度预测方式
13.5.3 8×8色度预测方式
13.6 帧间预测
13.6.1 移动补偿块的大小
13.6.2 子像素移动矢量
13.6.3 移动矢量的预测
2015年4月13日
13.7 变换和量化
13.7.1 变换类型
13.7.2 DCT和IDTC变换简化
13.7.3 正变换与量化
13.7.4 逆变换与逆量化
13.7.5 4×4亮度DC残差系数的变
换和量化
13.7.6 2×2色度DC系数的变换和
量化
13.7.7 变换与量化过程举例
13.8 熵编码
13.8.1 指数葛洛姆编码介绍
13.8.2 CAVLC编码
13.8.3 CABAC编码
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
3/73
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像

前言


MPEG-4 AVC / H.264[1][2] [3][4]是ITU-T和
ISO/IEC联合推荐的视像编码工业标准，在
相同质量下，比先前的MPEG-Video的压缩
效率提高2～3倍
为降低H.264的计算复杂度和提高压缩效率，
ITU的专家组正在酝酿开发H.265
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.1 MPEG-4 AVC/H.264的由来

MPEG-4视像标准

从2003年开始，通常认为由两部分组成

MPEG-4 Visual—可视对象编码标准
ISO/IEC 14496-2 Part 2。版本1(1999年)，版本2
(2001年)


主要处理自然对象、合成对象和混合对象的编码
MPEG-4 AVC/ H.264—高级视像编码
ISO/IEC 14496-10 Part 10：Advanced Video
Coding (AVC)， 2003年发布

2015年4月13日
主要处理自然视像的编码
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.1 MPEG-4 AVC/H.264的由来(续1)

MPEG-4 Visual的问题

与传统视像编码的最大差别是引入了“对象编码”



设计思想：将某一确定场景中的不同部分作为视像对象，
采用不同的编码技术分别予以编码和传送，在接收端解码
之后重新组合还原出原来的场景
在理论上说，MPEG-4 Visual的这种设计思想是先进的，
功能是强大的，应用是广泛的。许多观察家也曾预言，
MPEG-4 Visual将成为因特网上视听对象的主要编码方法，
并取代目前正在使用的、享有专利的各种编解码器，但时
至今日这种情况还未出现
主要问题：技术上的困难。目前人工智能技术还不能轻而
易举地识别场景中的各种对象。尽管自1999年发布以来已
经开发了多个版本，但技术上还没有取得较大的突破，使
用的视像压缩技术主要还是20世纪90年代开发的技术
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.1 MPEG-4 AVC/H.264的由来(续2)

H.26L的出现

VCEG专家组


Video Coding Experts Group的缩写， ITU专家组
1995年完成H.263可视电话标准版本1的开发后开
始两个新计划



开发H.263版本2的短期(short-term)计划
开发低位速率可视通信新标准的长期(long-term)计划
H.26L的出现


执行长期计划的结果是在1999年10月产生了
H.26L标准草案，
提供的视像压缩性能明显优于以往的ITU-T标准
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
7/73
13.1 MPEG-4 AVC/H.264的由来(续3)

H.264的出现

JVT联合视像组


MPEG专家组认识到H.26L的潜力，在2001年12
月与VCEG成立了JVT(Joint Video Team) ，其主
要任务就是将H.26L发展为国际标准
H.264的出现

JVT专家们努力的结果是在2003年3月产生了两
个名称不同而内容一致的标准
ISO MPEG-4 Part 10
 ITU-T H.264
常写成：MPEG-4 AVC/H.264 或 H.264/ MPEG-4 AVC

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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.2 提高编码效率的主要技术

MPEG-4 AVC/H.264是视像数据压缩技术取得
重大进展的标志

编码效率明显提高



MPEG-4 AVC/H.264继承了先前开发的视像标准的许多优
点，在结构上没有明显改变，只在各个主要功能模块内部
做了“小打小闹”和“精雕细刻”
在视像质量相同的前提下，采用MPEG-4 AVC/H.264标准
获得的视像数据压缩比是采用MPEG-2视像标准的2～3倍
应用范围得到扩大

可有效降低在有线网络、卫星网络和电信网络上传送高质
量影视节目的成本，使应用范围得到进一步扩大。例如，
原先使用MPEG-2视像技术的DVD影视和数字电视已经开
始转向采用MPEG-4 AVC / H.264技术
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.2 提高编码效率的主要技术(续1)

提高编码效率的主要改进技术[5][6]

采用可变图块大小的帧间预测和移动补偿


采用空间的帧内预测


从DCT演变来的变换编码，提高了编码的运算速度
采用效率更高的熵编码



定义了多种预测方式，目的是找到相关性最大的预测
采用 “整数变换编码”


预测图块大小不再局限于16×16像素，可小到4×4像素，于
是提高了预测精度，如将移动矢量精度提高到1/4个像素
前后文自适应可变长度编码(context-based adaptive variable
length coding, CAVLC)
前后文自适应二元算术编码(Context-based Adaptive Binary
Arithmetic Coding，CABAC)。
采用多参考帧和消除“块状失真”的滤波等技术
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13.2 提高编码效率的主要技术(续2)
2015年4月13日
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13.3 视像数据的编码结构

13.3.1 分层处理结构

AVC/ H.264标准分成两层，见图13-1


视像编码层(Video Coding Layer, VCL)，用于有
效地表达视像内容
网络抽象层(Network Abstraction Layer，NAL)，
用于组织VLC数据并提供标题(header)等信息，
便于在各种不同的网络上传输
2015年4月13日
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13.3 视像数据的编码结构(续1)
控制数据
视像编码层(VLC)
编码宏块
数据分割
编码像片/数据段
网络抽象层(NAL)
H.320
MP4FF*
H.323/IP
*MP4FF：MPEG-4 File Format
MPEG-2
其他
IP: Internet Protocol
图13-1 MPEG-4 AVC/ H.264的分层结构
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.3 视像数据的编码结构(续2)

13.2.2 视像数据的组织

1. 画面划分



一帧画面当作一片像片或分割成若干像片，见图13-2(a)
一片像片包含若干宏块(MB)，见图13-2(b)
每个宏块包含




1个16×16像素的亮度(luma)样本
2个8×8像素的色度(chroma)样本
一片或多片像片构成像片组(slice group)，见图13-2(c)
在隔行扫描视像中，每一场可单独编码，2场构成的帧也
可单独编码，偶数场和奇数场相应的宏块构成宏块对，见
图13-2(d)
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.3 视像数据的编码结构(续3)
0
1
…
2
像片 #0
40
像片 #1
宏块 #40
像片 #2
(b) 宏块
(a) 像片
像片组 #0
0
2
4
…
1
3
5
…
36
37
像片组 #1
宏块对
像片组 #2
(c) 像片组
(d) 隔行扫描的宏块对
图13-2 MPEG-4 AVC_H.264的画面分割
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.3 视像数据的编码结构(续4)

2. 宏块与子宏块


宏块可划分成宏块区(macroblock partition)和子宏块(submacroblock)，见图13-3(a)
子宏块(也称子块)可划分成子宏块区(sub-macroblock
partition)，见图13-3(b)
0
宏块分割
0
0
1个宏块分成2个16×8
亮度样本和相关色度
样本的宏块区
1
2
3
1
1
由16×16亮度样本
和相关色度样本
组成1个宏块
0
1个宏块分成2个8×16
亮度样本和相关色度
样本的宏块区
1个宏块分成4个8×8
亮度样本和相关色
度样本的子宏块
(a) 宏块分割
0
子宏块分割
0
0
1个子宏块分成2个8×4
亮度样本和相关色度
样本的子宏块区
1
2
3
1
1
由8×8亮度样本和
相关色度样本组
成1个子宏块
0
1个子宏块分成2个4×8
亮度样本和相关色度
样本的子宏块区
1个子宏块分成4×4亮
度样本块和相关色度
样本块的子宏块区
(b) 子宏块分割
图13-3 宏块与子宏块的划分
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.3 视像数据的编码结构(续5)

宏块的结构


图13-4表示16×16
宏块的树状结构
分割法
在编码时有可能
使用8×8、4×8、
8×4或4×4像素块
的组合
4×4
4×4
4×4
4×4
8×8
8×4
4×8
4×8
8×4
图13-4 树状结构分割法
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.3 视像数据的编码结构(续6)

3. 像片的类型

5种类型的像片。前3种与MPEG-1，-2的
图像I、P和B类似
I像片：由I宏块构成的像片。所有I宏块编码
都是使用帧内方式(intra mode)的预测编码
 P像片：由P宏块构成的像片。 宏块编码包含




2015年4月13日
使用帧内方式(intra mode)的预测编码
使用帧间方式(inter mode)的预测编码
B像片：由B宏块构成的像片。所有宏块的编
码都是使用帧间方式的预测编码
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.3 视像数据的编码结构(续7)
SP像片(switching-P slice)：由SP宏块构成的
像片。SP宏块的编码是用帧间方式(inter
mode)的预测编码
 SI像片(switching-I slice)：由SI宏块构成的像
片。SI宏块的编码是用帧内方式的预测编码


SP和SI的作用
用于在同一视像源而位速率不同的视像流之
间进行切换、随机访问和快进或快退
 为简单起见，假设视像的一帧就是一片像片，
使用SP和SI进行视像流切换的应用见图13-5


图中的视像流A是高数据率的播放视像流，视像流
B是低数据率的播放视像流，它们之间可通过 “切
换流切换图像SP ”进行切换，或用SI图像进行切换
SP
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13.3 视像数据的编码结构(续8)
高数据率
播放视像流
B
SP
切换到低数据
率播放视像流
SP
切换到高数据
率播放视像流
SP
低数据率
播放视像流
B
SP
B
P
B
P: 预测图像
B: 双向预测图像
SP：播放流切换图像
SP : 切换流切换图像
SI: 切换帧内图像
B
P
B
SI
SP
B
视像流A
B
视像流B
SP
SP
SP
SI
图13-5 使用SP和SI切换视像流的概念
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
20/73
13.3 视像数据的编码结构(续9)

13.3.3 三种类型的视像

基本型(Baseline Profile)





支持使用I像片和P像片的帧内编码和帧间编码
使用基于前后文自适应可变长度编码(CAVLC)
具有基本的性能和抗错能力
用于要求低延时的电视会议和可视电话等应用
主流型(Main Profile)





支持逐行扫描和隔行扫描视像
支持帧内编码和帧间编码
支持使用B像片的帧间编码和使用加权预测的帧间编码
使用基于前后文自适应二元算术编码(CABAC)
用于质量要求比较高的电视广播和DVD等
2015年4月13日
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21/73
13.3 视像数据的编码结构(续10)

(3) 扩展型(Extended Profile)




不支持隔行扫描视像和CABAC
附加SP像片和SI像片的切换功能
使用数据分割改进抗错能力
用于各种网络上的流播(streaming)
扩展类型
SP和SI像片
像片组
(FMO, ASO)
数据分割
I像片
B像片
P像片
加权预测
冗余像片
CAVLC
隔行扫描
CABAC
主流型
基本类型
图13-6 MPEG-4 AVC/H.264的三种类型
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13.4 编解码器的结构

MPEG-4 AVC/H.264编解码器概要

与先前的视像压缩编码标准类似


MPEG-4 AVC/H.264标准没有明确定义编译码器
的结构，只定义编码视像位流的语句、语义和解
码的方法
编码器和解码器包含的功能块见图13-7

除了用于消除重构图像的块状失真的“消块滤波
器(Deblocking Filter)”、减少帧内空间冗余的“帧
内移动估算(Intra-frame Estimation)”与“帧内预测
(Intra-frame Prediction)”外，大多数功能块在以前
的标准中都存在，只是其中的细节有较大变化
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
23/73
13.5 帧内预测

帧内预测


在以前的视像标准中，I图像只利用宏块内部的空间
相关性，而没有利用宏块之间的空间相关性。AVC/
H.264引入了帧内预测(intra prediction)技术
帧内预测：在同一像片中从过去编码后重构的相邻
图块对当前图块进行预测




编码时用实际的样本值与预测值相减得到预测误差
对预测误差进行变换和编码。
预测块大小：亮度(luma)样本可在4×4(用于带细节
的图像区域)、8×8或16×16 (用于过渡较平缓的图像
区域)之间选择
预测方式


亮度块：8×8和4×4有9种，16×16有4种
两个色度(chroma)块：8×8和4×4，有4种
2015年4月13日
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13.5 帧内预测(续1)

4×4亮度预测方式

4×4亮度样本的标记


见图13-8。位于a，b，…，p上面和左边的样本
是已编码和重构的样本，标记为A～M(共13个)
亮度块的预测块可根据A～M样本计算。注意


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在当前像片中不一定都有A～M样本可用，为保持像
片解码的独立性，只使用当前像片中的样本进行预测
如果E，F，G和H样本不存在，则可用D取代。使用帧
内预测编码时有两个问题需要解决
(1) 如何计算预测块
(2) 如何选择预测块
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
29/73
13.5 帧内预测(续2)
M A B C D E F G H
I a b c d
J e f g h
K i j k l
L m n o p

图13-8 4×4亮度块
预测样本的标记
预测块的计算


每个样本的预测值可按指定预测方式下的预测
方法计算
9种预测方式见图13-9，箭头表示预测方向
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.5 帧内预测(续3)

方式0～2：例如



在预测方式0下，a，e，i和m的样本预测值用A样本
值，…，d，h，l和p的样本预测值用D样本值
在预测方式2下，a～p的样本预测值都用的平均值:
(A+B+C+D+I+J+K+L)/8
方式3～8：预测值为A～M的加权平均。例如
在预测方式4下，a的样本预测值可用round(I/4 + M/2 +
A/4)计算，d的样本预测值可用round (B/4 + C/2 + D/4)
计算
 在预测方式8下，a的样本预测值可用round(I/2 + J/2)计
算，d的样本预测值可用round(J/4 + K/2 + L/4)计算
其中的round表示四舍五入

2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.5 帧内预测(续4)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 0 (垂直)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 3 (对角左下45度)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 6 (水平向下26.6度)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 1 (水平)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 4 (对角右下45度)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 7 (垂直向左26.6度)
MA B C D E F G H
I
平均值
J
K (A～D
I～L)
L
Mode 2 (DC预测)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 5 (垂直向右26.6度)
MA B C D E F G H
I
J
K
L
Mode 8 (水平向上26.6度)
8
1
6
3
7 0 5
4
预测方向
图13-9 4×4亮度块帧内预测方式
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.5 帧内预测(续5)

预测块的选择法

全搜索法(full searching)是其中之一，过程如下




步骤1：分别计算9种方式下的4×4样本预测块
步骤2：分别计算9种方式下的4×4原始样本块与样本
预测块之间的差值，然后计算绝对误差的和 通常用
SAD (sum of absolute difference)或SAE (sum of absolute
errors)表示，或计算均方误差MSE (mean square error)
步骤3：比较9种方式下的SAD或MSE。通常认为误差
最小的就是预测精度最高的样本预测块
选择最佳样本预测块需要大量的计算，许多学者
在减少计算量方面做了许多卓有成效的研究
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.5 帧内预测(续6)

16×16亮度预测方式

4种预测方式见图13-10





Mode 0: 垂直外插预测，每列的所有样本预测值与顶部(H)
的样本值相同
Mode 1: 水平外插预测，每行的所有样本预测值与左边(V)
的样本值相同
Mode 2: 平均插值预测，每个样本预测值均为相应的顶部
和左边样本值之和的平均值
Mode 3: “平面(plane)”预测，用顶部和左边的样本采用空间
插值法得到样本预测值
8×8色度预测方式

8×8和4×4色度块都指定了相同的4种预测方式



mode 0 (DC), mode 1 (水平), mode 2 (垂直)和mode 3 (平面)
预测方式与16×16亮度的含义相同，只是编号不同
2个8×8或2个4×4的色度块要使用相同的预测方式
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.5 帧内预测(续7)
……
V
H
Mode 0 (垂直)
Mode 1 (水平)
H
平均
(H+V)
Mode 2 (DC)
V
H
V
……
V
H
Mode 3 (平面)
图13-10 16×16亮度块帧内预测方式
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.6 帧间预测

帧间预测(inter prediction)

帧间预测(inter prediction)概念


编码以块为基础



从过去编码后重构的相邻帧的样本预测当前待编码帧的样
本的过程
编码时用实际的样本值与预测值相减得到预测误差
对预测误差进行变换和编码，以消除时间方向上的冗余性。
比较MPEG-1和-2



H.264可支持大小可变的移动补偿块
移动矢量可精确到1/4像素
支持多参考帧的预测
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
36/73
13.6 帧间预测(续1)

13.6.1移动补偿块的大小

见如图13-3




16×16的帧间编码宏块可以分割成16×8，8×16 或
8×8个样本的宏块区
8×8的子宏块可分分割成8×4，4×8或4×4个样本
的子宏块区
两个色度块(Cb和Cr)的大小都是亮度块的1/2，移
动矢量也是亮度块的移动矢量的1/2
编码宏块的分区移动补偿方法称为树型结构移动
补偿(tree-structured motion compensation)法
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.6 帧间预测(续2)

13.6.2子像素移动矢量

子像素的概念


在计算移动矢量和移动补偿量时需参考帧的样本，
因采样的样本数有限，在无样本的位置可用该位
置附近的样本值通过插值得到插值样本，这个像
素称为子像素(sub-pixel)
图13-11(a)中的符号




实际样本位置：用○表示
半像素位置：两个样本中间的插值位置，用□表示
1/4像素位置：两个样本之间1/4的插值位置，用△表示
子像素移动补偿是什么

通过搜索插值样本为当前图块寻找比较准确的移
动矢量和移动补偿量的方法
2015年4月13日
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.6 帧间预测(续3)
整像素搜索位置
最佳整像素匹配
半像素搜索位置
最佳半像素匹配
1/4像素搜索位置
最佳1/4像素匹配
(a) 像素位置
(b) 移动估算示意图
图13-11 子像素移动估算概念
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13.6 帧间预测(续4)

子像素移动估算

在图13-11(b)中的符号




实心圆(●)表示整像素搜索得到的最佳匹配
实心方块(■)表示半像素搜索得到的最佳匹配
实心三角形(▲)表示1/4搜索得到的最佳匹配像素
移动估算举例



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开始用整像素搜索得到最佳匹配(●)
然后用半像素搜索得到的最佳结果(■)与整像素搜索得
到的最佳匹配相比，看看匹配是否有改善，如果需要
还可用1/4像素搜索
最后将当前图块的样本值减去最终匹配图块的样本值，
就得到当前图块的移动补偿量，通常用绝对误差之和
(SAE)表示。SAE值越低，表示移动补偿效果越好
第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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13.6 帧间预测(续5)

子像素移动矢量



图13-12(a)表示在当前帧中要预测的4×4亮度块
图13-12(b)表示整像素移动矢量，当前块在过去
编码后重构的参考帧中找到的最佳匹配块
图13-12(c)表示1/2像素移动矢量，当前块在过去
编码后重构的参考帧中找到的最佳匹配块
(a） 当前帧的4×4块
(b) 参考块：整像素移动矢量
(c) 参考块：1/2像素移动矢量
图13-12 整像素和子像素移动矢量举例
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13.6 帧间预测(续6)

13.6.3移动矢量预测

必要性


预测方法


每个分量的移动矢量都要编码和传送，这将降低视像数据
的压缩比，选择小的移动补偿块时将更严重
通过已编码的相邻分区的移动矢量进行预测，然后对实际
的移动矢量和预测的移动矢量之差进行编码和传送
预测方法



见13-13，该方法与移动补偿块的大小和相邻块的移动矢量
是否可用有关
在图13-13(a)中，当前块E的预测矢量用块大小相同(如
16×16)的相邻块A、B和C进行预测
在图13-13(b)中，当前块E的预测矢量用块大小不同的A、
B和C进行预测
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13.6 帧间预测(续7)

当前块E的预测矢量基本上取左(A)、上(B)和右上(C)宏块
的移动矢量的中值(median value)，通常写成

MV p  Median MV A , MV B , MV C
MVB
B
C
MVC
是3个相邻的移动矢量
B(4×8)
其中，MVA

C(16×8)
A(8×4)
A
E
(16×16)
E
(a) 块大小相同的当前块和相邻块
(b) 块大小不同的当前块和相邻块
图13-13 预测矢量的预测方法
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像(参考文献)

参考文献
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2. MPEG Industry Forum, http://www.m4if.org/tutorials.php
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4. ITU-T Recommendation H.264, Advanced Video Coding for
Generic Audiovisual Services, 03/ 2005
5. T. Wiegand, G.J. Sullivan, G. Bjntegaard, and A. Luthra, Overview
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Syst.Video Technol., vol.13, no.7,pp.560–576, July 2003
6. Gary J. Sullivan AND Thomas Wiegand, Video Compression—
From Concepts to the H.264/AVC Standard, Proceedings of the
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video coding for next generation multimedia, ISBN 0-470-84837-5，
John Wiley & Sons, 2003
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像(参考文献续1)
8.
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J. Liang，ENSC 424 – Multimedia Communications
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A. Hallapuro and M. Karczewicz, Low complexity transform
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Henrique S. Malvar, Antti Hallapuro, Marta Karczewicz, and
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第13章 MPEG-4 AVC/H.264视像(参考文献续2)
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15. ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 N 8241, DRAFT ISO/IEC 1449610, July 2006, Klagenfurt, Austria
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