在1995年，ITU-T總結(jié)了當(dāng)時(shí)國際上視頻圖像編碼的新進(jìn)展，針對(duì)低比特率視頻應(yīng)用制定了H.263標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)被公認(rèn)為是以像素為基礎(chǔ)的第一代混合編碼技術(shù)方案所能達(dá)到的最佳結(jié)果。
首先，H.263標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，只規(guī)定了編碼后的碼流格式，對(duì)編碼過程中所采用的算法（如運(yùn)動(dòng)矢量的估計(jì)、碼流控制、差錯(cuò)控制、圖像的后處理等）沒有進(jìn)行限制，因此可以讓標(biāo)準(zhǔn)使用者有更多的余地進(jìn)一步從理論上對(duì)算法、編碼效果等進(jìn)行分析，從而出現(xiàn)了許多運(yùn)動(dòng)估計(jì)新算法、碼率控制策略、傳輸差錯(cuò)控制策略、編碼新技術(shù)（如小波壓縮技術(shù)和模型基編碼等），這些新的研究成果對(duì)視頻質(zhì)量的提高有著重要的意義。
其次，H.263標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，使得在DDN、ISDN、PSTN等通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻通信實(shí)際應(yīng)用成為可能，其圖像質(zhì)量比H.261有許多改善。因此，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263被廣泛應(yīng)用在會(huì)議電視、可視電話、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。設(shè)備制造廠商、運(yùn)營商紛紛投入人力、財(cái)力進(jìn)行與視頻編碼有關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。
第三，帶動(dòng)了很多芯片制造廠商設(shè)計(jì)基于多媒體通信、存儲(chǔ)的通用或?qū)Ｓ眯酒?，以便?yīng)用者更加方便對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理。
第四，視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)H.263仍然采用類似于H.261的混合編碼器，尤其是在信源編碼器中，DCT、量化以及對(duì)量化系數(shù)的“Zig-Zag”字形掃描和二維VLC等處理與H.261建議一致的，但為了適應(yīng)極低碼率的傳輸要求，去掉了信道編碼部分，并在許多方面作了改進(jìn)，增加了非限制的運(yùn)動(dòng)矢量模式、基于語法的算術(shù)編碼、高級(jí)預(yù)測(cè)模式、PB-幀模式這四個(gè)高級(jí)選項(xiàng)。這些改進(jìn)的措施和高級(jí)選項(xiàng)的使用進(jìn)一步提高了編碼效率，在低碼率下獲得了較好的圖像質(zhì)量。
當(dāng)H.263標(biāo)準(zhǔn)不采用任何高級(jí)選項(xiàng)時(shí)，稱為H.263的基本編碼模式（Baseline），或稱為H.263的缺省編碼模式。其信源編碼器仍然采用可減少時(shí)間冗余的幀間預(yù)測(cè)和可減少空間冗余的DCT變換編碼相結(jié)合的混合編碼方法。H.263解碼器具有半像素精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力，并允許編碼器采用這種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法構(gòu)造重建幀，而不是H.261標(biāo)準(zhǔn)中采用的全像素精度和環(huán)路濾波器。H.263信源編碼器結(jié)構(gòu)除了去掉環(huán)路濾波器模塊之外，其他與H.261基本相同。但在以下幾個(gè)方面作了改進(jìn)，以便適應(yīng)極低碼率的傳輸要求。
1、更加豐富的圖像格式
H.263編碼器除了支持H.261中的圖像格式CIF和QCIF之外，還增加了另外三種圖像格式sub-QCIF、4CIF、16CIF，從而使H.263具有更廣的應(yīng)用范圍，如表1所示。對(duì)每種圖像，采用YUV 4﹕2﹕0的圖像格式。色差采樣點(diǎn)的位置與H.261相同，除了sub-QCIF格式之外，取樣像素的縱橫比和圖像格式的縱橫比一致，均為4﹕3。
表1：H.263圖像格式
H.263解碼器要求能對(duì)sub-QCIF、QCIF格式的圖像碼流進(jìn)行解碼，但是不強(qiáng)求能對(duì)CIF、4CIF或16CIF格式的圖像碼流進(jìn)行解碼。同樣H. 263編碼器應(yīng)該能夠?qū)?/SPAN>sub-QCIF和QCIF中任一種格式的圖像進(jìn)行編碼，也不要求同時(shí)支持這兩種格式，一些編碼器也能對(duì)CIF、4CIF、16CIF格式的圖像進(jìn)行編碼。在視頻通信中，編解碼器以何種格式圖像進(jìn)行通信，是通過外部手段如H.245標(biāo)準(zhǔn)中的編碼器、解碼器的能力協(xié)商來決定的。如果希望能對(duì)所有格式的圖像進(jìn)行編解碼，需要通過H.245標(biāo)準(zhǔn)的終端描述通知H.263編解碼器要具有這種能力。
2、半像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)
在H.261中，宏塊運(yùn)動(dòng)的估值精度為整數(shù)像素，范圍為[-16，+15]，而在H.263中采用半像素精度，運(yùn)動(dòng)矢量的水平分量和垂直分量都有整型和半整型值。在H.263基本編碼模式中，這些運(yùn)動(dòng)矢量的水平和垂直分量被限制在[-16.0，+15.5]之間。在采用無限制運(yùn)動(dòng)矢量這一高級(jí)預(yù)測(cè)模式下，則被限制在[-31.5，+31.5]之間。
更高精度的運(yùn)動(dòng)矢量，使得在P幀和PB幀圖像中對(duì)宏塊或塊的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確，因而編碼宏塊和預(yù)測(cè)宏塊的預(yù)測(cè)誤差更小，編碼所需的碼字也更少，在視頻碼流中節(jié)省更多的比特?cái)?shù)，或者說在相同的傳輸帶寬下，采用半像素精度預(yù)測(cè)可以得到更好的圖像質(zhì)量。
3、雙線性內(nèi)插得到半像素預(yù)測(cè)
H.263中采用雙線性內(nèi)插來得到運(yùn)動(dòng)估計(jì)用的半精度像素的預(yù)測(cè)值，如圖1所示。圖1中是為了求得半像素精度的運(yùn)動(dòng)矢量而采用雙線性內(nèi)插得到的圖像，黑方塊點(diǎn)所在位置A、B、C、D為整像素的位置，也表示所在點(diǎn)的亮度值。小圓圈的位置是內(nèi)插出來的半像素位置，半像素位置a、b、c、d四點(diǎn)的亮度值分別為
a＝A
b＝（A+B+1）/2
c＝（A+C+1）/2
d＝（A+B+C+D+2）/4
按照這種方法，可以推理到其他半像素點(diǎn)位置的亮度值。
圖1：雙線性內(nèi)插得到半像素點(diǎn)預(yù)測(cè)
用計(jì)算機(jī)處理時(shí)，用來表示圖像陣列所用的坐標(biāo)最小單位是1，因而表示坐標(biāo)的指針變量或數(shù)組變量的下標(biāo)其最小間隔為1。所以內(nèi)插半像素精度的圖像實(shí)際上是把原來圖像擴(kuò)大成2倍，坐標(biāo)值是2的整數(shù)倍的位置點(diǎn)其亮度值與原來圖像相同，而不在2整數(shù)倍位置處的點(diǎn)其亮度值采用上述雙線性內(nèi)插求得，但最后一行和最后一列的像素點(diǎn)不能直接用上式求得。在要求不嚴(yán)格的情況下，可以采用前一行或前一列的值來代替，如圖2所示。如要求更加精確的半像素位置亮度值的圖像，可以在原圖像擴(kuò)邊的基礎(chǔ)上，放大內(nèi)插位于邊緣的半像素位置處的亮度值。
4、基于塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì)
在H.261建議中只對(duì)16×16像素的宏塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，一個(gè)宏塊對(duì)應(yīng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。而H.263標(biāo)準(zhǔn)中不僅可以用16×16像素的宏塊為單位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，還可以根據(jù)需要對(duì)8×8像素的子塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，即每個(gè)宏塊可使用4個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)估計(jì)需要兩幀圖像，一幀是當(dāng)前正在編碼的圖像，另一幀是在此時(shí)刻前的輸入圖像（如求后向運(yùn)動(dòng)矢量，則是此時(shí)刻后的原始輸入圖像），被用來搜索最匹配宏塊位置的。為了方便說明，分別用第k幀和第k-1幀來表示。在第k-1幀圖像中，如果與第k幀編碼宏塊A最匹配的宏塊位置B位于其右方或下方，則運(yùn)動(dòng)矢量的水平分量和垂直分量為正值，否則為負(fù)值。如圖3所示是運(yùn)動(dòng)矢量的水平和垂直分量都為正值的情況所示。
從解碼端運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的角度來看，當(dāng)接收到的運(yùn)動(dòng)矢量水平分量和垂直分量為正時(shí)，就表明應(yīng)該從重建參考幀圖像中在空間上更右或更下方的點(diǎn)來補(bǔ)償。
圖3：運(yùn)動(dòng)矢量為正值時(shí)最匹配宏塊的位置
5、更加有效的運(yùn)動(dòng)矢且編碼
在H.261中，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量采用一維前值預(yù)測(cè)與VLC相結(jié)合的方法編碼，在H.263中則采用更為復(fù)雜的二維預(yù)測(cè)與VLC相結(jié)合的編碼。
對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行編碼時(shí)，不是直接對(duì)矢量的水平分量和垂直分量值進(jìn)行編碼，而是對(duì)當(dāng)前宏塊的差分運(yùn)動(dòng)矢量即當(dāng)前宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量與預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量的差值編碼。當(dāng)宏塊只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量時(shí)（H.263基本模式），預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量采用編碼宏塊周圍的三個(gè)宏塊運(yùn)動(dòng)矢量的中值，如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)前編碼宏塊位于圖4(a)情況下，其預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量就是左邊宏塊運(yùn)動(dòng)矢量MV1、正上方宏塊運(yùn)動(dòng)矢量MV2和右上方宏塊運(yùn)動(dòng)矢量MV3的中值。其余圖4(b)、（c）、（d）三種情況，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量也同樣是MV1、MV2、MV3的中值。
PMV＝Median（MV1，MV2，MV3）
這里MV1、MV2、MV3代表運(yùn)動(dòng)矢量的水平或豎直分量。如果當(dāng)前編碼宏塊在GOB或圖像的邊界時(shí)，其周圍三個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量分別按以下方法處理。
上面宏塊在GOB或圖像的外部，則設(shè)MV2＝MV3＝MV1，如圖4(b)所示；
左邊宏塊在圖像的外部，則設(shè)MV1=0，如圖4（c）所示；
右上宏塊在圖像的外部，則設(shè)MV3=0，如圖4(d)所示。
圖4：宏塊的預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量
求得預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量之后，就需要對(duì)當(dāng)前編碼宏塊運(yùn)動(dòng)矢量與預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量求差值，即對(duì)差分運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行編碼。對(duì)于每個(gè)宏塊有多個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量的情況下，也同樣需要對(duì)差分運(yùn)動(dòng)矢量編碼。
6、三維VLC編碼
為了提高編碼效率，H.263標(biāo)準(zhǔn)對(duì)宏塊數(shù)據(jù)、宏塊類型、運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測(cè)差值、子塊編碼模式以及DCT變換系數(shù)都使用VLC編碼，并且規(guī)定了編碼碼字。編碼事件用三個(gè)符號(hào)（LAST、RUN、LEVEL）的組合構(gòu)成。LAST= 0，表示該塊中還有更多的非零系數(shù)要編碼，LAST＝1表示這是塊中的最后一個(gè)要編碼的非零系數(shù)。RUN表示要編碼的系數(shù)之前連續(xù)0的個(gè)數(shù)，LEVEL表示編碼系數(shù)的非零值。對(duì)應(yīng)于這樣一個(gè)三維組合的事件就用一個(gè)給定的碼字來表示，如表2所示。
表2：3D VLC編碼碼字
