【寰視科普】淺談視頻編解碼技術(shù)

　　近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展讓我們的生活越來(lái)越豐富多彩。有了網(wǎng)絡(luò )這個(gè)便利的載體，多媒體技術(shù)也得到了日新月異的進(jìn)步，作為多媒體技術(shù)的核心及關(guān)鍵，多媒體視頻編解碼近年來(lái)在技術(shù)及應用方面都取得了重大進(jìn)展。首先，為什么要進(jìn)行視頻編碼，視頻編碼的主要作用是將視頻像素數據(RGB，YUV等)壓縮成為視頻碼流，從而降低視頻的數據量。如果視頻不經(jīng)過(guò)壓縮編碼的話(huà)，信息數據量通常是非常大的，一張DVD只能存儲幾秒鐘沒(méi)有壓縮的數字視頻，1兆帶寬傳輸一幀畫(huà)面需要大約4分鐘，由此可見(jiàn)，存儲和傳輸都極為不便。為什么視頻可以進(jìn)行編碼壓縮呢?

　　一 是因為圖像各像素點(diǎn)之間存在著(zhù)很強的相關(guān)性，消除這些數據的冗余并不會(huì )導致信息損失;

　　二 是因為人眼的一些特性比如亮度辨別閾值，視覺(jué)閾值，對亮度和色度的敏感度不同，使得在編碼的時(shí)候引入適量的誤差，也不會(huì )被察覺(jué)出來(lái)。利用人眼的視覺(jué)特性，以一定的客觀(guān)失真換取數據壓縮。

　　數字視頻信號的壓縮正是基于上述兩種條件，使得視頻數據量得以極大地壓縮，有利于傳輸和存儲。

　　01、 視頻編碼技術(shù)

　　預測編碼

　　預測編碼是基于圖像相關(guān)性進(jìn)行數據壓縮的一種方式。在圖像傳輸過(guò)程中，幀與幀的圖像之間相關(guān)性強，差別不大。利用這個(gè)特性，可以首先將一幅完整的圖像傳給對方，后續發(fā)送的每幀畫(huà)面，可以只對有變化的內容進(jìn)行編碼壓縮，這樣一來(lái)傳輸的碼率就得到了下降。

　　變換編碼

　　變換編碼是一種間接的編碼方法，它不是直接對空域圖像信號進(jìn)行編碼，而是首先將空域圖像信號映射變換到另外一個(gè)矢量空間，這個(gè)過(guò)程會(huì )產(chǎn)生一系列的變換系數，然后對這些變換系數進(jìn)行編碼處理。由于圖像數據之間相關(guān)性強，經(jīng)過(guò)變換之后，可以將這些冗余去除，留下較少的獨立數據參數，這樣再經(jīng)過(guò)量化，編碼就能得到較大的壓縮比。典型的變換有DCT(離散余弦變換)、DFT(離散傅里葉變換)、WHT(Walsh Hadama 變換)、HrT(Haar 變換)等。其中，最常用的是離散余弦變換。

　　混合編碼

　　所謂的混合編碼，其實(shí)就是將預測編碼與變換編碼結合起來(lái)的編碼方法。這樣一來(lái)就同時(shí)得到了兩種編碼方式的優(yōu)點(diǎn)，從而得到對圖像的更高的壓縮效率。像H261、H.263、MPEG-1、MPEG-2等標準都是采用這樣的混合編碼模型來(lái)實(shí)現的。

　　02、 視頻編碼標準

　　MPEG-1

　　該標準于1992年正式出版，它的成功制定，使得以VCD和MP3為代表的MPEG-1產(chǎn)品迅速在世界范圍內普及。該標準的優(yōu)點(diǎn)是壓縮方式相對時(shí)域壓縮技術(shù)而言要復雜得多，同時(shí)編碼效率、聲音質(zhì)量也大幅提高，編碼延時(shí)相應增加。缺點(diǎn)是頻寬要求較高。

　　MPEG-2

　　該標準于1994年公布，相較于MPEG-1，MPEG-2標準具有更高的圖像質(zhì)量、更多的圖像格式和傳輸碼率的圖像壓縮標準。MPEG-2所能提供的傳輸率在3-10Mbits/sec間，其在NTSC制式下的分辨率可達720X486。同時(shí)，由于MPEG-2的出色性能表現，已能適用于HDTV，使得原打算為HDTV設計的MPEG-3，還沒(méi)出世就被拋棄了。(MPEG-3要求傳輸速率在20Mbits/sec-40Mbits/sec間，但這將使畫(huà)面有輕度扭曲)。除了做為DVD的指定標準外，MPEG-2還可為廣播，有線(xiàn)電視網(wǎng)，電纜網(wǎng)絡(luò )以及衛星直播提供廣播級的數字視頻。

　　MPEG-4

　　1999年，MPEG-4標準的第一版出臺，由于它提供了低碼率、高質(zhì)量的音視頻壓縮、編碼方案，推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò )視頻的進(jìn)一步發(fā)展，MPEG-4利用很窄的帶寬，通過(guò)幀重建技術(shù)、數據壓縮，以求用最少的數據獲得最佳的圖像質(zhì)量。利用MPEG-4的高壓縮率和高的圖像還原質(zhì)量可以把DVD里面的MPEG-2視頻文件轉換為體積更小的視頻文件。經(jīng)過(guò)這樣處理，圖像的視頻質(zhì)量下降不大但體積卻可縮小幾倍。另外，MPEG-4在家庭攝影錄像、網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)影像播放中也大有用武之地。

　　H.264

　　H.264是ITU-T國際電聯(lián)與ISO國際標準化組織聯(lián)合制定的視頻編解碼技術(shù)標準，它同時(shí)也是MPEG-4標準的第十部分。H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。一個(gè)原始文件是102G大小的視頻，經(jīng)過(guò)H.264編碼后變成了1個(gè)G，壓縮比達到了102:1。在技術(shù)方面，高精度、多模式的位移估計，基于4*4塊的整數變換、分層的編碼語(yǔ)法等內容都使得H.264算法具有很高的編碼效率，同時(shí)，H.264的碼流結構網(wǎng)絡(luò )適應性強，能夠很好地適應IP和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用。

　　H.265

　　H.265標準圍繞著(zhù)現有的視頻編碼標準H.264，保留其原來(lái)的某些技術(shù)，同時(shí)對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進(jìn)。新技術(shù)使用先進(jìn)的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復雜度之間的關(guān)系，達到最優(yōu)化設置。H264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實(shí)現標清數字圖像傳送;H265則可以實(shí)現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻。

　　隨著(zhù)人類(lèi)生活需求日新月異地提高，視頻編碼技術(shù)也在向一個(gè)新的高度發(fā)展，相信在未來(lái)的不久，還會(huì )有更先進(jìn)的技術(shù)被發(fā)掘出來(lái)，從而造福人類(lèi)。