對(duì)數(shù)字視頻編碼技術(shù)的研究

計(jì)偉

摘 要：隨著流媒體技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)以及多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)很多智能終端。數(shù)字視頻編解碼算法在智能終端系統(tǒng)中起著核心的作用。該文對(duì)數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，然后對(duì)視頻編碼的基本原理進(jìn)行必要的闡述，最后對(duì)可伸縮編碼技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：視頻編碼；視頻壓縮；可伸縮編碼

1. 視頻編碼的發(fā)展及現(xiàn)狀

數(shù)字視頻分辨率的提高使得原始數(shù)據(jù)量不斷增多，為了提高視頻編碼的壓縮效率，新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)不斷推出。1984年CCITT第15研究組發(fā)布了數(shù)字基準(zhǔn)電視會(huì)議編碼標(biāo)準(zhǔn)H.120建議。在1988年的時(shí)候，CCITT通過了視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.261建議。H.261是視頻壓縮編碼的一個(gè)里程碑。從這以后，ISO及ITU-T等發(fā)布的基于波形的編碼標(biāo)準(zhǔn)中的編碼方法很多都是基于H.261的混合編碼。在1986年，聯(lián)合圖像專家組成立，對(duì)連續(xù)色調(diào)靜止圖像壓縮算法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，在1992年通過了JPEG標(biāo)準(zhǔn)。

在1988年，活動(dòng)圖像專家組成立。并在1991年MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)，主要在VCD的視頻壓縮中進(jìn)行應(yīng)用。在1994年公布的MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)，不同的碼率分別在不同檔次、不同級(jí)別的視頻壓縮中應(yīng)用。MPEG-2已經(jīng)支持高清晰度視頻，但是要實(shí)現(xiàn)全面高清化還需要更高效的編碼技術(shù)。

在1995年，ITU-T又推出了H.263編碼標(biāo)準(zhǔn)。主要用于可視會(huì)議和多媒體通信等低碼率視頻的傳輸。

在1999年，ISO/IEC通過了MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了多媒體通信的靈活性和交互性。

在2003年，ISO/IEC和ITU-T公布H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)明顯提高了視頻壓縮效率，而且網(wǎng)絡(luò)親和性也很不錯(cuò)，對(duì)誤碼及丟包的處理進(jìn)行了加強(qiáng)。H.264增加了1/4精度預(yù)測(cè)、整數(shù)DCT變換等技術(shù)。

在2007年，作為H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)可伸縮性擴(kuò)展檔次的可伸縮性編碼SVC推出，根據(jù)要求將視頻分割成一個(gè)基本層和多個(gè)增強(qiáng)層。

在2013年，HEVC成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可以提供更好的視覺效果。HEVC對(duì)預(yù)測(cè)模型、變換技術(shù)等進(jìn)行了擴(kuò)展。

2. 視頻編解碼技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 預(yù)測(cè)編碼

預(yù)測(cè)編碼是比較基本的編碼工具，常用的預(yù)測(cè)編碼方法有幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)編碼。幀間預(yù)測(cè)是用于消除時(shí)間冗余，幀內(nèi)預(yù)測(cè)用于消除空間冗余。因?yàn)闀r(shí)間冗余遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時(shí)間冗余，下面主要對(duì)幀間預(yù)測(cè)進(jìn)行闡述。

幀間預(yù)測(cè)的目的是去除時(shí)域的冗余信息，就是使用已經(jīng)編碼的圖像對(duì)現(xiàn)在要編碼的圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)方法的合理性關(guān)系到殘差的大小。

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是由運(yùn)動(dòng)矢量及幀間預(yù)測(cè)方法得到當(dāng)前幀的估計(jì)值的過程。它是對(duì)當(dāng)前圖像的描述，說明當(dāng)前圖像的每一塊怎么由其他參考圖像的像素塊得到。

運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償都是消除時(shí)間冗余的重要方法。這兩者直接影響到重建圖像質(zhì)量及壓縮比。運(yùn)動(dòng)估計(jì)是動(dòng)態(tài)過程，而運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償只是一個(gè)靜態(tài)的描述。

2.2 變換編碼

變換編碼的編碼效率要比預(yù)測(cè)編碼高。K-L變換、傅里葉變換等算法出現(xiàn)比較早，壓縮效率高，但因高復(fù)雜度沒有得到廣泛應(yīng)用。離散余弦變換是首個(gè)廣泛應(yīng)用的變換編碼算法。因?yàn)殡x散余弦變換不需要求解特征向量，大大降低了復(fù)雜度。

2.2.1變換編碼基本原理

變換編碼對(duì)信號(hào)的樣本值進(jìn)行某種形式的函數(shù)變換，從一種空間變換到另一種空間，后根據(jù)信號(hào)在一個(gè)空間域的特征對(duì)信號(hào)進(jìn)編碼壓縮。變換系統(tǒng)有三個(gè)步驟：預(yù)處理，變換及量化編碼。變換本身并不壓縮數(shù)據(jù)，只是把信號(hào)變換到另一個(gè)域，變換之后的信號(hào)更獨(dú)立，更有序，比較容易壓縮。變換編碼中，輸入函數(shù)和輸出函數(shù)不同是因?yàn)榱炕`差形成的。量化編碼在變換編碼系統(tǒng)中是不可缺少的，量化使數(shù)據(jù)得以壓縮。為了使量化失真最小化可以針對(duì)不同的分量使用不一樣的量化方式。

3.可伸縮編碼技術(shù)

3.1 可伸縮編碼的發(fā)展及含義

可伸縮編碼技術(shù)已經(jīng)有20年的歷史，早起出現(xiàn)的H.262/MPEG-2，H.263，MPEG-4有若干工具能夠滿足一些比較重要的可伸縮性需求，但是因?yàn)榻獯a器的復(fù)雜度過高，在實(shí)現(xiàn)空間，質(zhì)量可伸縮時(shí)的編碼效率低下，編碼質(zhì)量存在階躍性突變等問題，故以上可伸縮編碼技術(shù)沒有獲得廣泛的應(yīng)用。

3.2 可伸縮編碼的分類

實(shí)現(xiàn)可伸縮視頻編碼的方法比較常見的有三種：時(shí)間可伸縮，空間可伸縮以及質(zhì)量可伸縮。這三種編碼方法的實(shí)現(xiàn)原理是不同的，所以編碼方法的性能也是不同的。這三種方法的性能一般和特定的參數(shù)是緊密相關(guān)的。時(shí)間可伸縮中GOP的作用是至關(guān)重要的，空間可伸縮的層間預(yù)測(cè)則較為重要。時(shí)間可伸縮以幀率角度進(jìn)行編碼，空間可伸縮以分辨率角度進(jìn)行編碼，質(zhì)量可伸縮以量化步長(zhǎng)的角度進(jìn)行編碼。下面對(duì)這三種比較常見的壓縮編碼方法進(jìn)行闡述。

4. 結(jié)束語

隨著視頻編碼的不斷發(fā)展，可分級(jí)視頻編碼是近幾年來的研究熱點(diǎn)，它是解決現(xiàn)代視頻傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)中異構(gòu)問題的非常重要的手段。該文首先對(duì)視頻編碼的發(fā)展及現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的說明，然后對(duì)視頻編碼的基本原理進(jìn)行必要的說明。最后對(duì)可伸縮編碼分類及每個(gè)類別進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

視頻編碼技術(shù)不斷發(fā)展，新的編碼標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的推出。現(xiàn)在，視頻編碼也在面臨新的挑戰(zhàn)。

1）網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用對(duì)視頻編碼碼流的“友好性”提出了更高層次的要求。

2）高清晰度、高質(zhì)量視頻的推廣和普及對(duì)視頻編碼壓縮效率提出了更高層次的要求。

綜上所述，這兩個(gè)挑戰(zhàn)，將是當(dāng)前和未來視頻編碼技術(shù)的研究中需要解決的比較重要的課題。

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