H.261: Первый стандарт сжатия видео ITU T

Введение

Стандарт сжатия видео H.261 — это стандарт сжатия видео ITU-T, впервые утвержденный в ноябре 1988 года. Он является первым стандартом семейства видеокодирования H.26x в рамках исследовательской группы 16 группы экспертов по видеокодированию ITU-T (VCEG, ранее группа специалистов по кодированию для визуальной телефонии). Это был первый практически применимый стандарт видеокодирования. H.261 изначально разрабатывался для передачи по линиям ISDN, где скорость передачи данных кратна 64 кбит/с. Алгоритм кодирования был разработан для работы с видеопотоками со скоростью от 40 кбит/с до 2 Мбит/с. Стандарт поддерживает два формата видеокадра: CIF (352×288 яркостных компонентов и 176×144 цветовых) и QCIF (176×144 яркостных и 88×72 цветовых компонентов) с использованием схемы субдискретизации 4:2:0. Также предусмотрена обратная совместимость для передачи неподвижных изображений с разрешением 704×576 яркостных компонентов и 352×288 цветовых компонентов (добавлено в последующей редакции в 1993 году).

История

Первым стандартом цифрового видеокодирования был H.120, созданный CCITT (ныне ITU T) в 1984 году. H.120 не был пригоден для практического использования из-за слишком низкой производительности. H.261 был разработан Специальной группой XV по кодированию для визуальной телефонии CCITT (позже вошедшей в состав ITU T SG16) под председательством Сакаэ Окубо из NTT. Хотя H.261 был впервые утвержден в качестве стандарта в 1988 году, первая версия не содержала некоторых важных элементов, необходимых для обеспечения полной совместимости. Различные его части были помечены как "В разработке" и впоследствии пересмотрены в 1993 году. В пересмотре 1993 года было добавлено Приложение D под названием "Передача неподвижных изображений", которое обеспечивало обратную совместимость при передаче неподвижных изображений с разрешением 704×576 для яркостной составляющей и 352×288 для цветностной, используя пошаговую субдискретизацию 2:1 по горизонтали и вертикали для разделения изображения на четыре подкадра, которые передавались последовательно. Затем применяется скалярное квантование для округления коэффициентов преобразования до соответствующей точности, определяемой параметром управления шагом квантования, а квантованные коэффициенты преобразования зигзагообразно сканируются и энтропийно кодируются (с использованием кодирования переменной длины типа "длина серии – уровень") для устранения статистической избыточности. Стандарт H.261 фактически определяет только способ декодирования видео. Разработчикам кодировщиков предоставлялась свобода в разработке собственных алгоритмов кодирования (например, алгоритмов оценки движения), при условии, что их выходные данные были должным образом ограничены для обеспечения возможности декодирования любым декодером, изготовленным в соответствии со стандартом. Кодировщики также могут выполнять любую предварительную обработку входного видео, а декодеры – любую постобработку декодированного видео перед отображением. Эффективным методом постобработки, ставшим ключевым элементом лучших систем на основе H.261, является фильтрация устранения блочности. Она снижает видимость блочных артефактов, вызванных компенсацией движения на основе блоков и пространственными преобразованиями в конструкции. Действительно, блочные артефакты, вероятно, знакомы почти всем, кто смотрел цифровое видео. С тех пор фильтрация устранения блочности стала неотъемлемой частью более поздних стандартов H.264 и HEVC (хотя даже при использовании этих новых стандартов допускается дополнительная постобработка, которая при правильном выполнении может повысить качество изображения). Усовершенствования конструкции, внесенные в ходе последующих работ по стандартизации, привели к значительному улучшению возможностей сжатия по сравнению с конструкцией H.261. В результате H.261 практически устарел, хотя он все еще используется в качестве режима обратной совместимости в некоторых системах видеоконференцсвязи (например, H.323) и для некоторых типов интернет-видео. Тем не менее, H.261 остается важной исторической вехой в области разработки видеокодирования.

The first digital video coding standard was H.120, created by the CCITT (now ITU T) in 1984. H.120 was not usable in practice, as its performance was too poor. H.261 was developed by the CCITT Study Group XV Specialists Group on Coding for Visual Telephony (which later became part of ITU T SG16), chaired by Sakae Okubo of NTT. Although H.261 was first approved as a standard in 1988, the first version was missing some significant elements necessary to make it a complete interoperability specification. Various parts of it were marked as "Under Study". and was then revised again in 1993. The 1993 revision added an Annex D entitled "Still image transmission", which provided a backward compatible way to send still images with 704×576 luma resolution and 352×288 chroma resolution by using a staggered 2:1 subsampling horizontally and vertically to separate the picture into four sub pictures that were sent sequentially. Scalar quantization is then applied to round the transform coefficients to the appropriate precision determined by a step size control parameter, and the quantized transform coefficients are zig zag scanned and entropy coded (using a "run level" variable length code) to remove statistical redundancy. The H.261 standard actually only specifies how to decode the video. Encoder designers were left free to design their own encoding algorithms (such as their own motion estimation algorithms), as long as their output was constrained properly to allow it to be decoded by any decoder made according to the standard. Encoders are also left free to perform any pre processing they want to their input video, and decoders are allowed to perform any post processing they want to their decoded video prior to display. One effective post processing technique that became a key element of the best H.261 based systems is called deblocking filtering. This reduces the appearance of block shaped artifacts caused by the block based motion compensation and spatial transform parts of the design. Indeed, blocking artifacts are probably a familiar phenomenon to almost everyone who has watched digital video. Deblocking filtering has since become an integral part of the more recent standards H.264 and HEVC (although even when using these newer standards, additional post processing is still allowed and can enhance visual quality if performed well). Design refinements introduced in later standardization efforts have resulted in significant improvements in compression capability relative to the H.261 design. This has resulted in H.261 becoming essentially obsolete, although it is still used as a backward compatibility mode in some video conferencing systems (such as H.323) and for some types of internet video. However, H.261 remains a major historical milestone in the field of video coding development.

Реализация программного обеспечения

Лицензируемый по LGPL libavcodec включает кодировщик и декодировщик H.261. Он поддерживается бесплатным медиаплеером VLC и мультимедийными проигрывателями MPlayer, а также проектами декодеров ffdshow и FFmpeg.