什么是H264和H265编码？

H264和H265编码

引言

视频编码是现代数字媒体处理的核心技术之一，而H264（MPEG-4 AVC）和H265/HEVC（
Advanced Video Coding）作为两种主流的视频编码标准，广泛应用于流媒体服务、智
能手机视频通话、高清电视等多种场景。本文将从编码的基本原理、核心技术和码流协
议等方面，介绍H264和H265在视频编码中的应用。

H264编码的核心原理

基本步骤

1. 预测与估计：

   • 运动估计（ME）：估计当前帧中物体的运动向量（MV），以减少数据冗余。

   • 运动补偿（MPC）：利用上一帧的数据，通过运动向量进行预测，生成预测帧
     。

2. 残差计算：计算实际帧与预测帧之间的差异，即残差（residual）。

3. 变换与量化：

   • 离散余弦变换（DCT）或Karhunen-Loève变换（KLT）：将残差信号转换到频
     域，减少相关性。
   • 量化（Quantization）：对变换后的系数进行量化，降低数据量。

4. 编码与熵映射：

   • Run-Length编码：压缩连续零值的数量和非零值的位置信息。
   • 算术编码或哈夫曼编码：对压缩后的系数进行高效编码。

5. 码流控制（TSC）：根据目标码率或其他参数，调整编码速率以满足质量要求。

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H265/HEVC的概述

核心改进

• 更高的压缩效率：通过更灵活的块分割和更好的运动估计技术，H265在相同
  bitrate下比H264能获得更高画质。
• 多参考帧（MREF）支持：允许使用多个先前帧进行预测，减少运动估计误差。

核心步骤

1. 信源模型构建：

   • 基于当前帧和历史帧信息，构建信源模型。

2. 编码树单元（CTU）划分：

   • 将图像划分为较大的块进行处理，灵活调整分割方式以适应内容特征。

3. 运动估计与补偿：

   • 类似H264的ME和MPC，但支持多参考帧预测。

4. 变换与量化：

   • 使用KLT或DCT。
   • 采用信道量化的改进方法（如余弦量化）。

5. 熵编码：

   • 扩展了符号流的编码方式，引入更多上下文信息以提高效率。

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H264/HEVC的码流协议

码流控制

• 目标是实现稳定的质量或一致的bitrate。
• 通过调整变换量、量化因子等参数来实现。

块分割与预测模式

• 块划分：根据图像内容动态选择最优分割方式（如8x8、16x16、32x32）。
• 预测模式选择：
  • I帧：无预测，直接输出残差。
  • P帧：基于单个参考帧的预测。
  • B帧：同时使用两个参考帧进行运动估计和预测。

信道量化的改进

• H265引入了余弦量化（Cosine Quantization），通过调整系数的权重来优化压缩效
  率。

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应用与未来展望

H264/HEVC的码流协议在视频编码领域已经取得了显著成效，但仍有许多研究空间：

1. AI辅助编码：利用深度学习模型对运动估计和块划分进行优化。
2. 多设备适配：根据不同设备需求动态调整编码参数。

未来，随着5G技术的发展和智能终端的普及，H264/HEVC将朝着更高效率、更低复杂度
的方向发展。

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希望这篇文章能帮助您更好地理解H264和H265在视频编码中的工作原理和码流协议的特
点！