【寰视科普】浅谈视频编解码技术

　　近年来，网络技术的不断发展让我们的生活越来越丰富多彩。有了网络这个便利的载体，多媒体技术也得到了日新月异的进步，作为多媒体技术的核心及关键，多媒体视频编解码近年来在技术及应用方面都取得了重大进展。首先，为什么要进行视频编码，视频编码的主要作用是将视频像素数据(RGB，YUV等)压缩成为视频码流，从而降低视频的数据量。如果视频不经过压缩编码的话，信息数据量通常是非常大的，一张DVD只能存储几秒钟没有压缩的数字视频，1兆带宽传输一帧画面需要大约4分钟，由此可见，存储和传输都极为不便。为什么视频可以进行编码压缩呢?

　　一 是因为图像各像素点之间存在着很强的相关性，消除这些数据的冗余并不会导致信息损失;

　　二 是因为人眼的一些特性比如亮度辨别阈值，视觉阈值，对亮度和色度的敏感度不同，使得在编码的时候引入适量的误差，也不会被察觉出来。利用人眼的视觉特性，以一定的客观失真换取数据压缩。

　　数字视频信号的压缩正是基于上述两种条件，使得视频数据量得以极大地压缩，有利于传输和存储。

　　01、 视频编码技术

　　预测编码

　　预测编码是基于图像相关性进行数据压缩的一种方式。在图像传输过程中，帧与帧的图像之间相关性强，差别不大。利用这个特性，可以首先将一幅完整的图像传给对方，后续发送的每帧画面，可以只对有变化的内容进行编码压缩，这样一来传输的码率就得到了下降。

　　变换编码

　　变换编码是一种间接的编码方法，它不是直接对空域图像信号进行编码，而是首先将空域图像信号映射变换到另外一个矢量空间，这个过程会产生一系列的变换系数，然后对这些变换系数进行编码处理。由于图像数据之间相关性强，经过变换之后，可以将这些冗余去除，留下较少的独立数据参数，这样再经过量化，编码就能得到较大的压缩比。典型的变换有DCT(离散余弦变换)、DFT(离散傅里叶变换)、WHT(Walsh Hadama 变换)、HrT(Haar 变换)等。其中，最常用的是离散余弦变换。

　　混合编码

　　所谓的混合编码，其实就是将预测编码与变换编码结合起来的编码方法。这样一来就同时得到了两种编码方式的优点，从而得到对图像的更高的压缩效率。像H261、H.263、MPEG-1、MPEG-2等标准都是采用这样的混合编码模型来实现的。

　　02、 视频编码标准

　　MPEG-1

　　该标准于1992年正式出版，它的成功制定，使得以VCD和MP3为代表的MPEG-1产品迅速在世界范围内普及。该标准的优点是压缩方式相对时域压缩技术而言要复杂得多，同时编码效率、声音质量也大幅提高，编码延时相应增加。缺点是频宽要求较高。

　　MPEG-2

　　该标准于1994年公布，相较于MPEG-1，MPEG-2标准具有更高的图像质量、更多的图像格式和传输码率的图像压缩标准。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间，其在NTSC制式下的分辨率可达720X486。同时，由于MPEG-2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得原打算为HDTV设计的MPEG-3，还没出世就被抛弃了。(MPEG-3要求传输速率在20Mbits/sec-40Mbits/sec间，但这将使画面有轻度扭曲)。除了做为DVD的指定标准外，MPEG-2还可为广播，有线电视网，电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频。

　　MPEG-4

　　1999年，MPEG-4标准的第一版出台，由于它提供了低码率、高质量的音视频压缩、编码方案，推动了网络视频的进一步发展，MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术、数据压缩，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。利用MPEG-4的高压缩率和高的图像还原质量可以把DVD里面的MPEG-2视频文件转换为体积更小的视频文件。经过这样处理，图像的视频质量下降不大但体积却可缩小几倍。另外，MPEG-4在家庭摄影录像、网络实时影像播放中也大有用武之地。

　　H.264

　　H.264是ITU-T国际电联与ISO国际标准化组织联合制定的视频编解码技术标准，它同时也是MPEG-4标准的第十部分。H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。一个原始文件是102G大小的视频，经过H.264编码后变成了1个G，压缩比达到了102:1。在技术方面，高精度、多模式的位移估计，基于4*4块的整数变换、分层的编码语法等内容都使得H.264算法具有很高的编码效率，同时，H.264的码流结构网络适应性强，能够很好地适应IP和无线网络的应用。

　　H.265

　　H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留其原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送;H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280*720)普通高清音视频。

　　随着人类生活需求日新月异地提高，视频编码技术也在向一个新的高度发展，相信在未来的不久，还会有更先进的技术被发掘出来，从而造福人类。