超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)與發(fā)展趨勢

范成軍

（國家新聞出版廣電總局廣播電視衛(wèi)星直播管理中心，北京，100866）

1 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)概述

所謂超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)，簡單概括一下就是采用新的壓縮技術(shù)來處理原始信號(hào)數(shù)據(jù)，使其能夠適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臈l件。例如當(dāng)處理4K模式的超高清數(shù)字電視信號(hào)時(shí)，其原始數(shù)據(jù)率為(3840×2160pixel/frame)×(12bit/pixel)×(30frame/s),即約為 2.78Gbit/s(30frame/s)，如果是8K模式的話，那么原始數(shù)據(jù)率就會(huì)達(dá)到約1lGbit/s；即使采用了標(biāo)準(zhǔn)的H.264的視頻壓縮方法，將4K模式的原始數(shù)據(jù)率壓縮至20Mbit/s以內(nèi)，仍然會(huì)給當(dāng)前的帶寬形成巨大壓力。因此必須使用更加高效的壓縮技術(shù)，以緩解帶寬壓力，提高傳輸效率。ITU-T視頻編碼專家組和ISO/IEC移動(dòng)視頻專家組聯(lián)合成立了視頻編碼聯(lián)合小組，目標(biāo)就是研究出新型的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，即HEVC。與標(biāo)準(zhǔn)的H.264的視頻壓縮方法相比，HEVC在處理同樣的視頻圖像時(shí)壓縮效率提高了一倍，且編碼結(jié)構(gòu)更加靈活，包括編碼單元、預(yù)測單元和變換單元三個(gè)部分；這三個(gè)單元彼此獨(dú)立且功能完善，在對(duì)塊像素進(jìn)行解碼和重構(gòu)時(shí)效率更加出眾。同時(shí)，HEVC的預(yù)測單元還具有數(shù)十種幀內(nèi)預(yù)測模式，大大提高了幀內(nèi)預(yù)測的精度；濾波技術(shù)中除了保留標(biāo)準(zhǔn)H.264的去塊效應(yīng)濾波器外，還使用了若干個(gè)更加高效的濾波器，不僅有效提高了過濾效果，還擴(kuò)大了過濾對(duì)象的范圍。正是這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，使得HEVC在超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼中具備了巨大的優(yōu)勢。

2 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼關(guān)鍵技術(shù)

超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼關(guān)鍵技術(shù)種類繁多，這里選擇其中最具有代表性的三項(xiàng)，編碼結(jié)構(gòu)、幀內(nèi)預(yù)測編碼技術(shù)和環(huán)路濾波技術(shù)作為主要分析對(duì)象。

2.1 HEVC編碼結(jié)構(gòu)

HEVC的編碼結(jié)構(gòu)是超大尺寸的四叉樹編碼結(jié)構(gòu)，利用編碼單元、預(yù)測單元和變換單元來完成視頻圖像的分割和預(yù)測編碼。最具有特色的地方在于，HEVC采用了更大的塊結(jié)構(gòu)，最大的編碼單元為64X64像素。編碼單元采用四叉樹遞歸的方式進(jìn)行像素塊的劃分，下圖即為編碼單元結(jié)構(gòu)示意圖，其中最大塊為64X64，最小塊為8X8，且必須保證形狀為正方形。為了得到編碼單元的最優(yōu)值，每個(gè)最大塊需要進(jìn)行高達(dá)85次的計(jì)算來得到失真值的最小率。

變換單元用來完成編碼單元的預(yù)測過程，其大小能超過所屬的編碼單元的大小，形狀可以是正方形或矩形。通常有對(duì)稱分割和不對(duì)稱分割兩種類型，即將塊劃分為正方形與正方形或正方形與矩形。

2.2 HEVC幀內(nèi)預(yù)測編碼技術(shù)

HEVC的幀內(nèi)預(yù)測與標(biāo)準(zhǔn)的H.264仍然一樣，即在空域中進(jìn)行壓縮。但是為了提高幀內(nèi)壓縮效率，HRVC提供了多達(dá)35種的預(yù)測模式，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了H.264的8種預(yù)測模式。在35中預(yù)測模式中，有33種方向性預(yù)測是為了增加幀內(nèi)預(yù)測的精細(xì)度，還有兩種非方向性預(yù)測是為了預(yù)測紋理比較平滑的區(qū)域。當(dāng)然并不是對(duì)于每個(gè)預(yù)測單元都采用全方向預(yù)測，通常情況下非方向性預(yù)測個(gè)數(shù)不變，方向性預(yù)測個(gè)數(shù)會(huì)隨著預(yù)測單元的大小而靈活變化，從最大的64X64到最小的4X4，方向性預(yù)測都不同，但是插值精度都是一致的。

雖然這種預(yù)測模式能夠很好地提高幀內(nèi)預(yù)測的精度，但是也使得預(yù)測模式變得十分復(fù)雜。有時(shí)候HEVC會(huì)根據(jù)預(yù)測單元的大小設(shè)置方向性預(yù)測個(gè)數(shù)的范圍，但是仍然不能解決預(yù)測的復(fù)雜程度，這也是幀內(nèi)預(yù)測研究中的一個(gè)難題。

圖1 HEVC編碼結(jié)構(gòu)

2.3 HEVC環(huán)路濾波技術(shù)

2.3.1 自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償濾波器

在去塊效應(yīng)濾波器完成處理之后，自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償濾波器會(huì)根據(jù)每個(gè)像素應(yīng)用的特征進(jìn)行分類，然后采取有針對(duì)性的補(bǔ)償。通常有兩種補(bǔ)償方式，帶狀補(bǔ)償和邊緣補(bǔ)償。帶狀補(bǔ)償是將某個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有像素分成多個(gè)條帶，每個(gè)條帶所包含的像素的強(qiáng)度間隔是相同。帶狀補(bǔ)償在0到最大強(qiáng)度的范圍內(nèi)，平均分為32個(gè)強(qiáng)度間隔，每個(gè)間隔有一個(gè)補(bǔ)償值；32個(gè)間隔被平均分為兩組，使用其中一組用于編碼傳輸以節(jié)省比特?cái)?shù)。邊緣補(bǔ)償是將當(dāng)前像素與相鄰的像素進(jìn)行對(duì)比，然后對(duì)當(dāng)前像素進(jìn)行分類標(biāo)識(shí)，這樣在解碼時(shí)就可以根據(jù)標(biāo)識(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償。

2.3.2 自適應(yīng)環(huán)路濾波器

自適應(yīng)環(huán)路濾波器為了減少編碼圖像的解碼噪聲，會(huì)根據(jù)塊像素的實(shí)際情況來決定是否將其應(yīng)用到塊中的亮度分量和色度分量上。在亮度分量中，自適應(yīng)環(huán)路濾波器是一個(gè)點(diǎn)對(duì)稱的二維FIR濾波器；而在色度分量中，它就成為了一個(gè)5×5抽頭點(diǎn)對(duì)稱的矩形二維FIR濾波器。通常HEVC將自適應(yīng)環(huán)路濾波器分為兩種，基于像素的濾波器和基于區(qū)域的濾波器。像素濾波器會(huì)將圖像分成16組，每組使用一種濾波器來進(jìn)行處理；區(qū)域?yàn)V波器稍有不同，它會(huì)將圖像分為大致相等的16塊，每塊都與編碼單元的最大塊進(jìn)行對(duì)齊，然后在由濾波器對(duì)每個(gè)塊進(jìn)行處理。

3 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展

3.1 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展歷程

2003年，通過H.264的壓縮編碼技術(shù)，衍生出了藍(lán)光光盤和數(shù)字電視等傳輸手段，使得高清信號(hào)逐漸普及到了普通家庭當(dāng)中。然而隨著人們觀看需求的提升，普通高清圖像已經(jīng)不能滿足人們的要求，視頻圖像開始向著更大的分辨率發(fā)展，如單波段電視和4K電視。但是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬不足以及信號(hào)失真問題，所呈現(xiàn)出的圖像效果并不令人滿意。在這個(gè)背景下，超高清數(shù)字電視應(yīng)運(yùn)而生。它完美實(shí)現(xiàn)了4K電視信號(hào)的壓縮傳輸，使得人們擺脫了視覺空間對(duì)于觀感的限制；同時(shí)還輕松達(dá)到了8K電視信號(hào)的壓縮傳輸，向觀眾展示出了最真實(shí)的效果。但是超高清數(shù)字電視也存在缺陷，那就是信號(hào)傳輸問題。這個(gè)問題不僅影響了圖像質(zhì)量的進(jìn)一步提高，甚至關(guān)系到超高清數(shù)字電視未來的發(fā)展方向。這是因?yàn)閭鬏斁嚯x的變化會(huì)直接影響到圖像的清晰度，簡單來說，如果在電視臺(tái)內(nèi)進(jìn)行面對(duì)面的超高清數(shù)字信號(hào)傳輸，不僅毫無失真，甚至都不需要進(jìn)行壓縮；然而想要在普通家庭中觀看超高清數(shù)字電視，就一定要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)線路甚至是衛(wèi)星中轉(zhuǎn)來進(jìn)行信號(hào)傳輸，這時(shí)不僅會(huì)對(duì)線路的通信能力造成不利影響，也會(huì)降低超高清數(shù)字電視的觀感。許多國家都在積極進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)，目前可行的方案主要光纖、無線和IP網(wǎng)絡(luò)。

3.2 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢

雖然目前超高清數(shù)字電視僅在數(shù)字影院、廣播電視等特殊行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但是隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，在解決了傳輸問題的瓶頸之后，超高清數(shù)字電視能夠在其他領(lǐng)域獲得更大的發(fā)展。例如現(xiàn)在十分普及的智能手機(jī)，其分辨率早已達(dá)到了4K的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于傳輸信號(hào)的限制，手機(jī)觀看到的圖像和視頻與普通電視并沒有差別。還有就是很多一流的電視生產(chǎn)廠家，已經(jīng)率先研制出了超高清的電視，盡管其價(jià)格略顯昂貴，卻在市場上收獲了相當(dāng)多的好評(píng)。這也在一定程度上反映出了群眾對(duì)于超高清圖像的期待和需求。然而現(xiàn)實(shí)狀況卻是，由于傳輸信號(hào)的限制，超高清數(shù)字電視也只能接受普通高清的電視節(jié)目，導(dǎo)致超高清數(shù)字電視陷入了“英雄無用武之地”的尷尬境地。因此，各國都在積極采取各種措施，加快超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)的研發(fā)，努力解決信號(hào)傳輸問題帶來的影響。

4 總結(jié)

本文通過介紹超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)的內(nèi)容，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和說明，并就超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡單的討論。經(jīng)過研究可以看出，盡管超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，在很多行業(yè)中已經(jīng)得到了穩(wěn)定的應(yīng)用，但是想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和推廣，還需要突破一些技術(shù)瓶頸，如預(yù)測模式的精簡和傳輸能力的提高。

[1]秦雷.超高清數(shù)字電視新進(jìn)展和展望[J].電視技術(shù).2014.38(4).

[2]王子微.淺析超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)[J].電視技術(shù).2013.37(13).