圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展

朱曉蓉

[摘要]首先對圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展作了分析；然后介紹圖像編碼原理；最后簡單地介紹圖像編碼新標(biāo)準(zhǔn)。

[關(guān)鍵詞]圖像編碼標(biāo)準(zhǔn) ISO/IEC ITU MPEG H.264 H.265 AVS

中圖分類號：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220018－03

1948年，信息論提出，奠定了圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)。直至今日，圖像編碼已走過了整60年的歷程。

一、制定圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)的國際組織

（一）ISO/IEC

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardizati

on，簡稱ISO）是目前世界上最大、最具權(quán)威性的國際標(biāo)準(zhǔn)化專門機構(gòu)。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，簡稱IEC）是世界上最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)。負(fù)責(zé)制定MPEG系列編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

（二）ITU

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，簡稱ITU），是國際電信界最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)修訂組織。1972年12月起，電信標(biāo)準(zhǔn)化部、無線電通信部和電信發(fā)展部承擔(dān)著ITU的實質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)制訂工作。其中，電信標(biāo)準(zhǔn)化部門由原來的國際電報電話咨詢委員會(CCITT)和國際無線電咨詢委員會(CCIR)的標(biāo)準(zhǔn)化部門合并而成。負(fù)責(zé)制定H系列編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC與ITU有時又聯(lián)合一起制定編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)。這可從圖1中看出。

二、圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)及所采用的技術(shù)

（一）MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)

ISO/IEC制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2)以及MPEG4(10)標(biāo)準(zhǔn)。主要用于電視廣播和消費類電子產(chǎn)品。

（二）H系列標(biāo)準(zhǔn)

ITU制定了H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263++、H.264標(biāo)準(zhǔn)。主要用于通信類電子產(chǎn)品。

（三）兩個系列標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系

表1示出了視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程，分別由ISO/IEC與ITU制定的編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)，以及由ISO/IEC與ITU聯(lián)合制定的編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

由表1可見，圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)可分為兩大系列：MPEG-X；H.26X。它們在數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和輸出碼率之間有如表2所示的對應(yīng)關(guān)系。

（四）中國的AVS標(biāo)準(zhǔn)

我國是ISO/IEC組織的正式成員國，國家信標(biāo)委下屬的多媒體分委員會與ISO/IEC JTC1/SC29直接對口。從2000年5月開始，我國開始跟蹤并參與JVT標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，目前已有多項技術(shù)提案遞交到JVT標(biāo)準(zhǔn)，有些技術(shù)已經(jīng)被JVT標(biāo)準(zhǔn)所接收。

基于我國專家多年參與MPEG國際標(biāo)準(zhǔn)制定的經(jīng)驗，2002年6月成立的“數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組”聯(lián)合國內(nèi)從事數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)研發(fā)的科研機構(gòu)和企業(yè)，提出了我國自主的數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AVS(Audio Video coding Standard)。于2003年年底完成的AVS 1.0標(biāo)準(zhǔn)具有四個特點：①性能高，與H.264基本相同；②算法的復(fù)雜度比H.264低；③軟件和硬件實現(xiàn)成本都比H.264低；④專利授權(quán)費用低。

（五）目前業(yè)界最看好的二三種主要標(biāo)準(zhǔn)的對比

1．3種編碼標(biāo)準(zhǔn)的基本功能

3種編碼標(biāo)準(zhǔn)的基本功能對比如表3。

這三種主要編碼技術(shù)各有優(yōu)缺點，MPEG-4(2)發(fā)布較早，產(chǎn)業(yè)化程度較高，產(chǎn)品相對成熟，價格也較低，同時算法復(fù)雜度較低，但是編碼效率也相對較低，速率較高，對網(wǎng)絡(luò)要求較高。對于H.264標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)有多家廠商提供H.264芯片和機頂盒，產(chǎn)品成熟，而且因為采用了多項提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施，在不影響視頻效果的情況下能夠比MPEG-4(2)節(jié)約39%的碼率。例如要達(dá)到標(biāo)清質(zhì)量，MPEG-4(2)編碼需要1.5～2Mbit/s的碼率，而H.264只需要1.2～1.5Mbit/s碼率即可；對于高清圖像質(zhì)量，MPEG-4(2)編碼的視頻碼率需要6～8Mbit/s，而H.264只需要4～6Mbit/s。因此在信道總?cè)萘肯嗤那闆r下能夠覆蓋更多的用戶。同時，由于H.264是由ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合制定的，所以對解碼兼容性有著明確的定義，具有較強的抗誤碼能力，容易獲得穩(wěn)定的圖像，適用于丟包率高、干擾嚴(yán)重的信道傳輸。不過H.264的算法復(fù)雜度較高，系統(tǒng)開銷也比較大。

AVS是近幾年才提出的視頻標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程落后于H.264。但是AVS的編碼效率與H.264相當(dāng)，而算法復(fù)雜度比H.264明顯低，其編碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的30%；解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的70%，軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264；由于具有自主知識產(chǎn)權(quán)，專利費用低，可以預(yù)期AVS標(biāo)準(zhǔn)將會是支撐國家數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。

2．專利費用對比

3種標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的專利費用如表4所示。

可以看出在專利費方面AVS占有絕對的優(yōu)勢。MPEG-4和H.264不僅要收軟硬件的專利費，而且還要收取節(jié)目點播費用等，中國龐大用戶群將給運營商帶來每年數(shù)以億計的巨大專利費負(fù)擔(dān)；而AVS只收取1元人民幣的象征性費用，對于運營商來講非常具有吸引力。

3．應(yīng)用情況對比

從目前情況看，MPEG-4和H.264在中國市場應(yīng)用較普遍，兩者已應(yīng)用在中國電信和中國網(wǎng)通開展的手機電視試驗及商用網(wǎng)中。由于AVS推出較晚，還處于上下游產(chǎn)業(yè)鏈的完善階段，在市場的推廣和開拓方面還有待加強，真正商用有待驗證其圖像質(zhì)量、是否滿足商用要求和產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸成熟。目前3種標(biāo)準(zhǔn)常見的應(yīng)用場景列舉如表5。

（六）截至目前為止圖像壓縮編碼所采用的技術(shù)

截至2008年國內(nèi)外所有圖像信源壓縮標(biāo)準(zhǔn)都是采用混合編碼壓縮方法。它包括內(nèi)插法、預(yù)測編碼、變換編碼和熵編碼等技術(shù)，統(tǒng)稱為混合編碼壓縮方法。所有標(biāo)準(zhǔn)都可用圖1所示的“混合型”編碼方案的框圖描述。從圖1可以看出，在編碼器的虛線框內(nèi)實際上就是解碼器，所以說編碼器中包括了解碼器。

之所以有新舊標(biāo)準(zhǔn)的差異，是因為每個框圖中所采用的技術(shù)不同，較早提出的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)較簡單，新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)較精細(xì)，帶來壓縮倍數(shù)的不斷提高。該方案中用運動補償幀間預(yù)測去除圖像在時間域的冗余度，然后用變換變換編碼去除空間域的冗余度，最后再用熵編碼去除經(jīng)量化后的變換系數(shù)中所含的統(tǒng)計冗余度。變換系數(shù)的量化利用了人眼的視覺特性，量化器的精度還受到輸出緩存器狀態(tài)的控制。輸出緩存器是為了適應(yīng)恒定碼率信道的要求，平滑變字長編碼器輸出的不均勻碼流而設(shè)置的。當(dāng)緩存器接近上溢和下溢時，通過反饋控制量化器的精度調(diào)整緩存器的輸入碼流，保持輸出數(shù)碼率的恒定。但現(xiàn)在很多標(biāo)準(zhǔn)編碼器都不加緩存器，采用變速率輸出，有利于統(tǒng)計復(fù)用，提高圖像質(zhì)量。圖1的信源編碼方案，是積60年圖像編碼經(jīng)驗之總結(jié)。

三、圖像數(shù)據(jù)格式

（一）幾種典型數(shù)字電視設(shè)備數(shù)據(jù)格式

表6列出了幾種典型的數(shù)字電視設(shè)備的數(shù)據(jù)格式。

注：QCIF：Quarter Common Intermediate Format（四分之一公用中間隔式）；CIF：Common Intermediate Format（公用中間隔式）；SIF：Source Input Format（源輸入格式）；VCD：Video Compact Disk（視頻光盤）；DVD：Digital Video Disk（數(shù)字視頻光盤）；HDTV：High Definition Television（高清晰度電視）；D：Definition（分辨率）。H.264標(biāo)準(zhǔn)由于采用4×4整數(shù)變換，上表應(yīng)采用(4×4)數(shù)據(jù)格式。

（二）極高清晰度成像(HRI)格式

ITU-R BT.1201建議書提出了極高清晰度成像(HRI)格式和規(guī)范。該建議的提出主要考慮到超高清晰度圖像能夠在諸如計算機圖形、印刷、醫(yī)療、數(shù)碼相機和電視電影等領(lǐng)域的圖像系統(tǒng)中使用。HRI典型空間分辨率的級別的建議如表7所示。

四、圖像編碼的未來

（一）圖像編碼壓縮遵循的規(guī)律

圖像編碼壓縮算法的壓縮比由下式?jīng)Q定。

壓縮技術(shù)層出不窮，圖像數(shù)據(jù)壓縮比不斷提高。著名圖像專家德國Musmann教授2006年在北京主持了“圖象編碼的過去與未來”專題討論會，并首先發(fā)言，對圖像編碼壓縮技術(shù)的過去幾十年工作作了總結(jié)，認(rèn)為：達(dá)到廣播質(zhì)量的視頻編碼的壓縮比大約每5年翻一番，并畫出了圖3曲線。后來被公認(rèn)稱為Musmann定律。

（三）未來的圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)

1．新標(biāo)準(zhǔn)H.265

據(jù)報導(dǎo)，約于2012年推出的H.265新標(biāo)準(zhǔn)也是采用“混合型”編碼方案，也可用圖2框圖來描述。壓縮比是H.264的兩倍。其技術(shù)主要在對H.264的改進(jìn)和增強?？筛攀鋈缦拢?/p>

（1）提高壓縮效率；具有魯棒性，提高錯誤恢復(fù)能力（如用于手機通信）；

（2）減少時延（實時時延、信道獲取時間、隨機接入時延）；

（3）減少復(fù)雜度等。

采用的主要算法有：

（1）自適應(yīng)插值濾波器，編碼增益約提高1dB；

（2）1/8像素精度運動補償預(yù)測，可使比特率減少3～14%；

（3）運動矢量競爭機制，將預(yù)測塊的集合由原來的空間域擴(kuò)展到了時間域及空時混合域?？傻玫狡骄鶠?.1%的壓縮增益（對復(fù)雜運動這一增益可達(dá)20%）；

（4）迭取自適應(yīng)量化矩陣，對于每個宏塊基于率失真函數(shù)選擇最優(yōu)的量化矩陣；

（5）空域和頻域自適應(yīng)預(yù)測殘差編碼，采用這一方法，與H.264相比，在相同比特率時，PSNR可提高到0.02～1dB。

2．暢談未來

從上述可知，即使推出H.265新標(biāo)準(zhǔn)，其壓縮比也不會超過400。筆者認(rèn)為，如果繼續(xù)采用圖2所示“混合型”編碼方案，壓縮比再要得到大幅度提高，很難了。必須改換一種思維、改換一種方案來考慮。幸而，已有不少學(xué)者在探討壓縮比高達(dá)1000～10000的技術(shù)，只不過目前還不能實時實現(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼方法方興未艾。

參考文獻(xiàn)：

[1]ITU-T Rec.H.264.

[2]ITU-T VCEG H.265.

[3]余兆明等，圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264技術(shù)，人民郵電出版社.