掀起H.264的面紗
有兩條消息把H.264帶到了國內音視愛好者面前：一、東芝和NEC推出的下一代採用藍色鐳射的光碟HD DVD-ROM，因為容量小於索尼等九大公司的藍光碟，故將視頻壓縮編碼改用H.264，從而使最終的節日錄製時長能與監光碟平起平坐；二、在國內推出高清視頻解碼晶片HVD-AML3400的晶晨半導體公司對媒體透露中，提到了藍光技術和H.264暫時不會到來。
藍光技術的新一代碟片系統，本刊己有較為詳盡的技術介紹，這裏將介紹H.264的一些資訊。電子技術，特別是數位時代的電子技術發展人快了，恐怕要不了三五年H.264就會像MPEG-2一樣無孔不入。
為什麼叫H.264
H.264是一種視頻高壓縮技術，全稱是MPEF-4 AVC，用中文說是“活動圖像專家組-4的高等視頻編碼”，或稱為MPEG-4 Part 10。它是由國際電信標準化部門ITU-T和規定MPEG的國際標準化組織ISO/國際電工協會IEC共同制訂的一種活動圖像編碼方式的國際標準格式，這是我們叫慣了的MPEG中的一種，那為什麼叫H.264呢？
原來國際電信標準化部門從1998年就H .26L的H.26S兩個分組，前者研製節目時間較長的高壓縮編碼技術，後者則指短節目標準制訂部門。H.26S的標準化技術的名稱為H.263，聽起來很耳生，但實質上卻早在用了，還被罵得很激烈。因為，H.263先入為大,一直以MPEG-4這個大內涵的名字在用。H.263的全稱為MPEG-4 Visual或MPEG-4 Part II，即MPEG-4視頻簡單層面的基礎編碼方式。2001年後，國際電信標準化部門ITU-T和MPEG的上級組織國際標準化組織ISO/國際電氣標準會議IEC成立了聯合視頻組JVT，在H.26L基礎進行H.264的標準化。
2002年12月9日∼13日，在日本香川縣淡路島舉行的MPEG聚會上確定了相關技術的規格。規格書定稿後，2003年3月17日，H.264的技術格式最終稿國際標準規格(FDIS)被確立。目前軟體和LSI晶片，服務及設備也都進入了使用階段。格式書中，列出了位元流規定，解碼必要格式，和可供參考的編碼記載。
為了不引起誤解，ITU-T推薦使用H.264作為這一標準的正式名稱。實際上，MPEG-4裏還有MPEG-4 Audio和MPEC-4 System的不同規格。
MPEG-4挨?是囚為MPEG-4 Visual許可收費離譜引起的。別以為有了專利就可以隨意向人要錢了，專利的最終目的是要使全社會的智力資料更合理地使用，防止重複勞動，並不是犒賞最先發明者。按唯物史觀．當社會技術發展到某一階段時，新技術必然會出現。不是你、就是他總會發明出來，只是細節、時間、成本上的微小差別。歷史上，這樣不約而同的發明很多，無線電的發明者是馬可尼還是波波夫，一直在西方和東方技術史界爭論。
而當專利技術成為國際標準的一部份後，問題就更加複雜了。國標標準是強制的，向其中的專利付費是否有壟斷之嫌?標準中的技術專利請求，是否合理？如何區分正當的清求和不正當的請求？等等一系列的理論、法律和道德問題都出來了。要尊重專利法，也要遵守反壟斷法。這兩年國際上圍繞MPEG-4收費問題的大爭論就是由此而起。
在標準化進程中，專利的爭端正在增加，任何黑白兩極的判斷都無法令人滿意。但奇怪的是標準中的專利爭端發展到要求判決的案例幾乎沒有，都是當事者幕後交易解決，這使得不明確的法理更陷入惡性循環之中。同時也助長了用戶對盜版的寬容，一邊是搶我的剪徑強盜，另一邊是偷你的小賊，怎麼講道德？！
MPEG-4的收費問題主要是從向傳輸環節收費引起的。MPEG-4對解碼器和編碼器的收費已經比川MPEG-2低了很多，這是各種壓縮技術競爭的結果。但MPEG-2不對傳輸MPEG-2壓縮圖像的服務環節收費，而MPEG-4則要對內容陪送者收取每分鐘0．0333美分的許可費。錢數聽起來不大，但倫理上卻有很大的差別。打個比方，你買了台彩電，必要的專利費用已經通過彩電廠轉交到專利技術持有者的手中。而當你打的把這台彩電運回家的時候，計程車主也要向專利持有者費！能不引起軒然大波嗎？
現在的專利收費結構已經相當商業化。一種產品、一個系統或一套技術標準中，包含有許許多多公司的專利技術，使用企業很難與一個個技術的發明者直接交涉簽約，這樣就出現了一種專利管理公司的企業。它把某一產品的一個個技術從專利持有者手中買下來，約定好收益的分配方案，再由它從使用技術的企業中收取許可費。需要用這一產品技術的企業就
只需與專利管理公司打交道，操作方便多了。但專利管理公司和著作權保護企業一樣，實際上是一個中間商，兩頭賺錢，未必把社會效益放在最高地位。
現在的MPEG-4，也即MPEG-4 Visual是由美國MPEG LA公司進行專利許可管理的，他同時也在管理MPEG-2的專利，目前還在爭取H.264的專利許可權。MPEG LA公司於2002年9月就開始募集H.264的主要專利，想採取先入為主的手段取得管理權。由於大量企業對MPEG-4收費制度不滿，2003年6月，MPEG-4的支持團體M4IF(MPEG-4工業論壇)，決定資料流程標準格式的美國ISMA(國際資料流程媒體協會)和多媒體通信有關業界團體ISMA(國際多媒體通信協會)發起召開H.264的許可制度說明會。總共有專利持有者和使用者團體45個，56人參加，對有關H.264許可問題進行早期意見交換，希望能協調各方面的要求和利益。關於這方面其他資訊，我們稍後再細述，先看看H.264的特色吧。
H.264用大運算量來換取高壓縮率、高畫質
H.264受人追捧有三大原因：高性能、國際標準和公正的無差別許可制度。
首先是超高壓縮率，其壓縮率為MPEG-2的2倍以上，MPEG-4的1.5至2倍。這樣的高壓縮率是以編碼的大運算量來換取的，H.264的編碼處理計算量有MPEG-2的十多倍。不過其解碼的運算量並沒有上升很多，故對用戶接收播放來說沒有什麼難度。
從另一角度看，編碼的大運算量現在也不是什麼大問題。MPEG2是1994年推出的，當時微處理器的工作頻率才100MHz，主記憶體容量也不滿10MB。MPEG-2那樣的壓縮運算適應了當時的技術水準。而現在CPU的工作頻率可上升到3GMz，DRAM用到256MB，提升了30倍上下，運算量大也不怕。實驗表明在奔騰4處理器的3GHz電腦上，可用軟體實現D1(720x480)格式圖像的H.264即時編碼。
而且H.264才標準化，運算順序還有改善的空間。當作為國際標準確立後，還能結集起全世界的精英來優化處理。這也反應出技術發展的必然性，唯物史觀。
高壓縮率使圖像的資料量減少，給存儲和傳輸帶來了方便。加上基本規格公開的國際標準和公正的許可制度，所以，電視廣播、家電和通信三大行業都進入到H.264的實際運用研發中。
H.264可用於手機電視廣播，打開手機就可以收看數位電視節目。美國高等電視系統會議和日本無線電工業和事務協會都準備把H.264作為地面可?式數位電視廣播的編碼方式。歐洲數位電視廣播標準化團體也正在將H.264作為數位電視的一種編碼方式來採用。
家電行業中的視頻存儲設備廠商也看中了H.264。東芝的HD DVD-ROM就靠H．264贏得了時間。硬碟錄影機HDD和DVD錄影機的長時間錄影功能也會採用H.264編碼，H.264能使HDTV節目錄影和SDTV的長時間錄影成為可能。因而，生產LSI晶片的廠商也十分重視H.264。
甚至DVD論壇也在動作。D9型DVD碟片只有8.5GB容量，不夠放入2小時的HDTV節目，如用H.264來壓縮
就有可能。這就是HD-DVD9格式，其畫質評價已經結束，標準正在制訂之中，等待許可條件的出臺。
在通訊領域，互聯網工程任務隊已開始將H.264作為即時傳輸協議流的格式進行標準化。互聯網和手機的視頻傳送也會用H.264作為編碼方式。美國Polycom公司用基線層面H.264格式壓縮圖像的電視會議系統已開始生產。
圖2是H.264編碼原理框圖，圖中，只要去除左上角的幀內預測和右下角的環路濾波器，及對某些方框的補充說明，此圖同樣可以用於表示MPEG-2和MPEG-4的操作流程。?
對H.264來說，整個運算量在各部分的分配如下：幀間預測和幀內預測占60%∼70%，整數變換約占‘10%，糾錯編碼約占20%，環路濾波的10%。
MPEG的每秒25或30幀的畫面被分為構成方式不同的三種畫面：幀內編碼I畫面，前向預測編碼P畫面和雙向預測編碼B畫面。
I畫面用原始資料直接編碼，不與其他畫面比較。所以，I畫面的編碼量信息量大，資料量大，但可以僅用自身的資料獨立還原畫面。如果視頻畫面中出現馬賽克或其他紊亂，只要有一幀I畫面出現就能中止錯誤的畫面繼續下去。
P畫面用最近的I或P畫面作為比較基準進行運動預測，只記錄下這幀畫面與基準畫面的不同之處。所以，編碼效率較高，資料量小，但還原畫面就需要前面的基準幀資料。若基準畫面已經有錯，那麼這個畫面上的錯誤會被傳下去，直到I畫面到來。
B畫面可以同時用前面和後面的畫面作為比較基準進行運動預測。編碼壓縮率最大，資料量最小，而且不會傳遞錯誤。但需要附加記憶體，時間上有遲後，還不能作為以後的預測基準。
H.264的變化之一是在幀內編碼I畫面中，又加入了幀內預測編碼技術，即解碼時可用周圍資料的差分值來重構畫面。幀內預測以特定大小的塊作為基準單位，從周圍圖元中預測編碼化的範本。H.264.的基準塊大小分4x4和16x16兩種，前者有9種預測模式，預測方向見圖3。後者也有4種模式。因為原圖像左右、上下都有一定的相關性，不同部分的差分值總比不進行幀內預測的原始值要少，故量化後的編碼量就減少了，而且高頻成分也比原圖像為少。?
運動預測塊中採用了全面預測技術，效果極好。H.264在運動向量的檢出時，能選定最合適的大小來進行，因而運動向量檢出的精度較高。見圖4。MPEG-2只有一個運動向量檢出模式，MPEG-4有2個，而H.264有7個之多。運動向量探索單元分得細，就能找到更多的靜態部分，真正的運動向量就能單獨求出，抑止了運動細節的編碼量。
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2008-2-20 11:14
在預測中，可以利用的參考幀幀數也增加了。在H.264中，根據畫面清晰度的不同能有4到6個校正幀可用，因而能搜索到突然消失那樣的蒙太奇畫面。H.264中，720x480圖元的D1格式畫面可以從前4幀的不同位置中預測第5幀畫面。
全面預測和幀內預測在MPEG-2時代並非想不到，因當畫面圖元數和畫面品質要求提高時，運算處理量就會爆發性地增加，即時運用時有可能出現中斷。為此，MPEG-2和MPEG-4的運動預測規格都指定了最低限，運動向量檢出編碼時的自由度不能太大。
H.264採用全面運動預測和I畫面幀內預測後，編碼量得到削減，但LSI的運算處理量增大。為此，引入了DCT變換的簡化處理技術，來減輕LSI的負擔，畫質也有所改善。
具體技術是把原來的離散余弦變換DCT改變為近似的整數變換，即把DCT正交變換時用的係數l,0.414變成2，1；cos (π/8)，cos (π/8)2變成1/(5)1/2，l/5。使原來必須用浮點運算進行的余弦函數運算，可用整數運算進行。同時還削減了係數的種類，使運算量減少。由於不必嚴格規定運算精度，還可以用SIMD(單指令多流資料)等操作快捷命令來執行。
H.264又一項減少運算量的方法是在很多地方引入層次化運算，把大矩陣資料塊變成小塊運算，使計算式變得更加簡單.
在DCT中採用時，8x8圖元塊層次化到2x2圖元塊，變換就變得快捷。運動補償中也可利用。檢出運動向量時，最初的模組大，運動向量的檢出範圍大，搜索快捷。當檢出到有動作的部分再調入小模組細分析。H.264進行運動預測的範本多，一旦進行全面檢索，需要的時間就很長，運算量也大。用層次化處理，先進行範本的收縮，接著小範圍檢索，就能減少計算量。在幀內預測中利用層次化後，殘差計算的範圍就能變小，同樣有利於減少計算量。
H.264與MPEG-2和MPEG-4的不同還存在於糾錯編碼塊中，H.264的糾錯編碼為內容自適應可變長度碼(CAVLC)和內容自適應二進位演算法編碼(CABAC)，能提高糾錯能力。而MPEG-2和MPEG-4為霍夫曼編碼。另外還加入了MPEG-2和MPEG-4沒有環路濾波器，有降低雜訊的效果。H.264的整數變換以4x4圖元塊為單位，已比原來的8x8圖元塊的塊雜訊少，再次降低，畫質得到了進一步提高。
從應用角度看，H.264有三個層面，分為主要用於電視會議等通信的基線層面，面向高畫質用途和錄影的主層面以及面向內容配送的擴展層面。各層面的清晰度和編碼速度取值不同。
基線層面的主要技術為圖像只含有I畫面，P畫面，系統內有環路濾波，1/4幀間預測，4:2:0 YUV格式輸入，基於VLC的糾錯編碼，彈性巨集塊指令等。主要層面則在基線層面基礎上加入了CABAC運算編碼技術和基於雙向預測的B畫面，濾波(介面)等技術，但不含彈性巨集塊指令。擴展層則面在基線層面裏加入B畫面和濾波編碼等。
H.264分有4.1種不同樣式的圖像水準。水準1的編碼速度較小，最大只能達64kbps，圖元格式為QCIF(176x144)，30幀，秒和SubQCIF(128x96)，60幀/秒。適合手機、PDA等螢幕播放視頻用。水準2的編碼速度可達2Mbps，圖像的圖元格式為CIF(352x288)，30幀/秒。水準3、水準4分別對應SDTV、HDTV圖像格式，編碼速度為10Mbps，20Mbps。另外，還有能支援更高清晰度的水準5，編碼速度高達135Mbps。故總稱為4.1水準。在各水準更細的分類中，最大編碼速度也還有不同規定。
針對H.264的特點，編碼軟體和編碼LSI開發的廠家都把編碼/解碼運算量的減少作為方向來研究，所以，實用前景大好。大多數半導體廠認為在H.264中使用削減運算量方法後，能獲得相當於MPEG-2編碼LSI的2倍左右的處理能力。
由於技術的日益成熟，半導體廠商已在進行H.264的編碼，解碼LSI的開發。特別是HDD錄影機和DVD錄影機等設備中，採用H.264的實例已很多，更引起了半導體廠商的關心。加之，H.264採用的動畫編碼方式和音頻編碼方式具有多樣化特性，今後幾乎將會是全部廠商的主要規格之一。
以目前晶片將H.264實用化的研究也在進行之中。用德州儀器(TI)公司製造的DSP「TMS320C64xx」 對比H.264預先編碼的圖像已證實能進行即時解碼。TI公司正在開發的C6x系列DSP LSI，將在視頻編碼電路和存儲控制電路中，加入對應H.264和MWV等的編碼，解碼功能。
TI公司推出的可以對MPEG-4編碼/解碼的用於便攜機開發的TMS320DM270，只要用上新的CPU提高處理能力，就可用於H.264的編碼/解碼。
已經有MWA9的編碼/解碼DSP樣品出廠的美國類比設備公司也在向H.264前進。
圖6是美國InStat/MDR公司對H.264功能LSI產量的預測。預測還只基於H.264的許可制度與MPEG-2一樣的前提下進行的。
H.264的許可制度有望較友善
H.264替代MPEG-4的呼聲很高，除了其高性能外，作為國際標準和公正的無差別許可制度也致關重要。
MPEG-4的許可體系引起了幾大行業，特別是資訊配送行業的強烈反對，使得新國際標準的許可收費不得不向更為友善的方向發展。表2是幾種視頻壓縮技術的許可收費價格。?
表中可見，MPEG LA公司提出的MPEG-4配送過程也要付費是空前絕後的。視頻壓縮產品只對終端收費合乎常情，因而招至了很大反抗，直至今日仍在遭人反對。而且對採用MPEG-4的產品和服務還分成6種標準：用戶記錄視頻，互聯網視頻，車載移動視頻，特有用戶視頻，存儲視頻和企業視頻。連簡單的移動電視服務，如從現場到電視中心通訊時，若使用MPEG-4視頻的話，也需支付移動視頻的許可費。
因此，連原定在地面數位電視的編碼方式中採用MPEG-4的日本．ARIB，也因許可費問題而開始研討是否改用H.264。擁有各種內容服務業者的移動內容論壇．MCF也於2005年5月23日，致函MPEGLA公司反對內容收費，要求重新考慮許可條件。MPEG LA也已鬆口表示希望以能相互滿意的形式交涉。
隨著掌握壓縮技術的企業增加和用戶巨增，H.264的許可管理收費受到二個方面的壓力。一、用戶要求低價格、最好免費使用；二、持有壓縮技術的企業增加，供應空間大，不得不低價出售。目前具有高壓縮率特徵的活動圖像編碼技術的企業不少，如，美國資料流程公司的XVD，能在一片CD-R碟片上放人2小時圖像，並能即時編碼。美國On2技術公司的活動圖像編碼技術VP5和新版本VP6，國內推出的EVD就採用這種編碼技術。美國AOL(America 0nline)公司也有新壓縮技術在進行許可操作。微軟的WMV 9也在向家電產品擴展，如美國工藝家庭娛樂公司使用WMV 9壓縮，將HDTV畫質的“終結者2：審判日”放入DVD-ROM內。
為此，H.264的許可制度設計有兩點引人之處：第一，部分格式將無償使用；H.264的基線層面全員免費，無償使用；其二，許可體系要比MPEG-4單純，公正無差別對待用戶和專利持有者。以及其他能促進普及的優惠政策，如早期低價格許可等。
基線層面的免費是以ITL-T主要活動的企業為中心推動的。現得到美國蘋果公司和美國Cisco系統公司、中國聯想公司、芬蘭諾基亞、美國On2技術公司、德國西門子、美國德州儀器公司等的支援，並有美國政府為其撐腰。
基線層面免費的最大目的是加速H.264的普及。當基線層面普及以後，收費的主層面和擴展層面就能帶動起來。儘管主要層面和擴展層面要收費，但從趨勢看，許可費應較為便宜，因為各種編碼技術的許可費都有不斷下降的趨勢，目前很熱門的美國微軟WMV 9的許可費就比MPEG-2和MPEG-4要低，見表2。而且微軟的契約期為10年，比MPEG-2和MPEG-4還長。
從MPEG-2向MPEG-4的發展看，編碼器(電路加軟體)和解碼器(電路加軟體)的費用就降到1/10，WMV 9更低。可以預計H.264.的許可費用會比WMV 9還低。
前文提到的45個團體的聯合會傳出說法，如果H.264採用MPEG-4 Visua/一樣的許可體系，H.264就可能不被採用，態度強硬。標準中的專利收費收益己遠不止收回投入的開發成本，而是在不斷地獲取暴利，故降低收費在所必然。
當然，只要沒有定局，變化依然存在。專利持有者的想法也各有不同，採用無差別對待原則是否行得通。專利實施充滿著大量利益誘惑，追名逐利者大有人在。目前已經有兩家公司申稱對H.264具有許可管理權。在專利應用前就開始搶專利管理權的現象是前所未有的，兩家公司還都有淵源。一家是實際持有MPEG-2和MPEG-4 Visual許可管理的美國MPEG LA公司。另一家是進行MPEG-2 AAC和MPEG-4 Audio許可管理的美國杜比實驗室的子公司美國Vialicensing公司。最終有哪—家公司管理，還是分割管理，現在都不清楚。
但又好、又便宜，始終是技術發展的方向。 | 
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