淺談視頻壓縮技術(shù)

摘 要：在現(xiàn)代通信中，視頻圖像傳輸已成為重要內(nèi)容之一。采用合適的視頻圖像壓縮技術(shù)，減少傳輸數(shù)據(jù)量，是提高通信速度的重要手段。本文主要論述了視頻壓縮技術(shù)中常用的編碼方法及H.26x、MPEG-x等視頻壓縮編碼標準。

關(guān)鍵詞：視頻壓縮；編碼技術(shù)；H.26x；MPEG-x

中圖分類號：TN919.81

1 視頻壓縮的目的

視頻監(jiān)控系統(tǒng)隨著人類進入信息時代而得到了迅猛發(fā)展。為了在有限存儲空間內(nèi)存放更多的數(shù)據(jù)，提升通信干線傳輸?shù)男?，縮短傳輸?shù)臅r間，并且便于計算機進行實時處理視頻數(shù)據(jù)信息，提高播放畫面質(zhì)量，視頻壓縮技術(shù)有了快速的發(fā)展。

2 視頻壓縮技術(shù)

最為經(jīng)典的視頻壓縮編碼技術(shù)是：預(yù)測編碼、變換編碼、統(tǒng)計編碼。

（1）預(yù)測編碼的基本原理是先得到預(yù)測值，這個值是根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性獲得，接著傳輸預(yù)測值與圖像像素差值信號，降低傳輸碼率，最終實現(xiàn)壓縮。（2）變換編碼的基本原理是通過某種變換來消除數(shù)字圖像像素間存在的高度相關(guān)性。變換編碼利用離散余弦變換（DCT）和小波變換（Wavelet）在先將空域圖像變換到頻域，獲得一組變換系數(shù)，再通過量化、編碼來達到壓縮目的。（3）統(tǒng)計編碼對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮是由信息碼字出現(xiàn)的概率分布特性決定的，關(guān)鍵要尋求碼字長度與這種概率之間的最優(yōu)化的匹配關(guān)系。此種編碼分為定長碼和變長碼（VLC）兩種，多數(shù)是針對無記憶信源。變長碼字編碼算法主要采用哈弗曼編碼和算術(shù)編碼。隨著編碼技術(shù)的進一步發(fā)展，逐步形成了基于DCT變換和運動補償相結(jié)合的新模式，如H.26x、MPEG-x。這些標準有著相似的編碼原理，將圖像看成是二維波形，運動圖像時間域上的冗余利用DCT變換進行消除，以此達到壓縮數(shù)據(jù)的目的[1]。

3 視頻圖像壓縮編碼標準

目前監(jiān)控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4（SP/ASP）、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術(shù)。采用不同的壓縮技術(shù)，將很大程度影響清晰度、存儲量（帶寬）、穩(wěn)定性還有價格等要素[2]。

3.1 H.26x系列標準

一般狀況下，H.26x標準主要針對在特定的位速率下傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)，追求視頻信息的壓縮效率。它主要適用范圍是可視化電視與會議電視。

H.261標準實現(xiàn)數(shù)字圖像的實時傳輸，它綜合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和綜合數(shù)字壓縮技術(shù)可以在P*64kbit/s（P取1～30）碼率的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）上實時地傳輸圖像和聲音數(shù)據(jù)信息。

H.263標準是一種甚低碼率視頻壓縮編碼標準，其碼率一般低于64kbit/s。H.263標準主要利用公共開關(guān)電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）傳輸，也適用于移動通信等無線業(yè)務(wù)。H.263不像H.261采用全像素預(yù)測和環(huán)路濾波器，取而代之的是半像素精度預(yù)測，并采用先進的PB幀模式進行預(yù)測，利用基于語法的算術(shù)編碼代替霍夫曼編碼，這些改進使得壓縮比提高的情況下進一步改進圖像質(zhì)量。

H.264標準加強了對各種信道的適應(yīng)能力，是DPCM加變換編碼的混合編碼模式，其基本系統(tǒng)是開放的。該標準應(yīng)用范圍較廣，適用于、不同速率、不同解析度不同傳輸存儲場合。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。H.264在同一重建圖像質(zhì)量情況中，碼率比H.263節(jié)約50%左右。如此高的編碼效率主要依賴于其多模式、高精度的位移估計、同一的VLC符號編碼、編碼語法進行分層等特點，但是它的計算復(fù)雜度是H.263的3倍，解碼復(fù)雜度約為H.263的2倍。

H.26L作為面向電視電話、電視會議的新一代編碼方式，與H.263的原有方式相比它可獲得兩倍以上的編碼功能，也就是僅用一半的編碼碼字就能得到同樣清晰的畫面[3]。

3.2 MPEG-x系列標準

普遍認可、最為權(quán)威的還得是MPEG技術(shù)。MPEG標準中的數(shù)字視頻壓縮：首先將模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻后按時序分組，然后每個圖像組（GOP：group ofpictures）選定一個基準圖像利用運動估計減少圖像間的時間冗余，最后將基準圖像和運動估計誤差進行離散余弦變換（DCT：discrete cosin transform）、系數(shù)量化和熵編碼（VLCRLC：variablelength coding and run length coding）以消除空間冗余[4]。

MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21是由MPEG的成員開發(fā)，以適用于不同帶寬和數(shù)字影像質(zhì)量的要求的版本。

MPEG-1標準用于傳輸數(shù)據(jù)傳輸率為1.5Mbps的數(shù)字存儲媒體運動圖像及其伴音的編碼。該標準由五個組成部分，其中一、二、三部分說明如何根據(jù)規(guī)定對視頻及音頻進行復(fù)合編碼，第四部分檢驗部分，檢驗解碼器或編碼器的輸出比特流是否和前面三個部分所規(guī)定的內(nèi)容相符合，第五部為實現(xiàn)部分，利用C語言來實現(xiàn)編碼與解碼過程。

MPEG-2標準又叫信息技術(shù)——電視圖像和伴音信息的通用編碼，其標準號為ISO/IEC13818。隨著標準數(shù)字電視和高清數(shù)字電視的發(fā)展，該標準有針對性的詳細規(guī)定了壓縮方案和系統(tǒng)層，以及專門規(guī)定了多路節(jié)目的復(fù)分接方式，并且兼顧了與ATM信元的適配問題。編碼率的范圍是3Mbit/s～100Mbit/s。MPEG-2標準適用范圍較廣，尤其被認定為SDTV和HDTV的編碼標準，非常適用于廣播級的數(shù)字電視的編碼和傳送。

MPEG-4標準，標準號為ISO/IEC14496。MPEG-4將多種多媒體應(yīng)用（數(shù)字電視、影音合成等交互式繪圖應(yīng)用、WWW、資料擷取與分散等交互式多媒體）集成于一個完整的框架里，目的是為了提供標準的算法及工具，應(yīng)用在這些多媒體通信及其應(yīng)用環(huán)境中。這樣可以建立起統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，方便多媒體存儲、檢索、傳輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域多普遍采用。

MPEG-7標準為各種多媒體信息提供一種標準化的描述，這些描述與內(nèi)容有關(guān)，支持多種音頻和視頻的描述，包含了更多的多媒體數(shù)據(jù)類型，所以MPEG-7又稱為多媒體內(nèi)容描述接口，是用于描述多種類型的多媒體信息的描述符的標準集合。例如視覺信息，可對形狀、顏色、體積、紋理、運動、草圖、空間關(guān)系及變形等。MPEG-7標準范圍由以下幾個方面構(gòu)成，分別為描述子、描述結(jié)構(gòu)、描述定義語言以及編碼描述方法[5]。特征表示法即為描述子，用其定義特征的語法及語義。描述結(jié)構(gòu)即用來描述成員之間的結(jié)構(gòu)和語義。MPEG-7標準具體由MPEG-7系統(tǒng)、MPEG-7描述定義語言、MPEG-7音頻、MPEG-7視頻、MPEG-7屬性實體和多媒體描述結(jié)構(gòu)、MPEG-7參考軟件、MPEG-7一致性這七個部分構(gòu)成。

MPEG-21標準又稱之為多媒體框架，其標準號是ISO/IEC21000。MPEG-21標準通過結(jié)合不同的標準、協(xié)議、技術(shù)，讓用戶可以通過有效地利用現(xiàn)有的各式網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，相當于透明地使用網(wǎng)絡(luò)上的多媒體資源，也就是構(gòu)建一個開放的框架，致力于多媒體傳輸和消費。MPEG-21標準提供的這種透明有效的視頻音頻通信環(huán)境，結(jié)合了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4標準，是建立在這些標準的基礎(chǔ)之上，將現(xiàn)有標準統(tǒng)一到一起。它由數(shù)字項聲明（Digital Item Declaration），數(shù)字項識別和描述，內(nèi)容處理和使用，知識產(chǎn)權(quán)管理和保護，終端和網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容表示，事件報告等七個部分組成。支持以下功能：內(nèi)容創(chuàng)建，內(nèi)容生產(chǎn)，內(nèi)容分配，內(nèi)容的消費和使用，內(nèi)容的分組，知識產(chǎn)權(quán)管理和保護，內(nèi)容識別和描述，用戶權(quán)限，終端和網(wǎng)絡(luò)資源提取，內(nèi)容表示和事件報告等。這樣可以更為方便有效的對用戶視頻、音頻進行處理，讓用戶不再為格式的不兼容、媒體數(shù)據(jù)類型、編解碼器等諸如此類的東西所干擾。

參考文獻：

[1]郭艷平.視頻壓縮技術(shù)及標準[J].廣播電視信息，2005（11）：89.

[2]彭宇行.面向高性能視頻壓縮的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].國防科學技術(shù)大學，2007.

[3]丁貴廣，計文平.Visual C++ 6.0數(shù)字圖象編碼[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004（02）：50.

[4]王志華.視頻壓縮技術(shù)[J].中國知網(wǎng)文庫，2004（09）.

[5]張益貞，劉滔.Visual C++實現(xiàn)MPEG/JPEG編解碼技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2002.

作者單位：江蘇商貿(mào)職業(yè)學院，江蘇南通 226001