高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在廣播電視工程中的運(yùn)用

【摘要】高清視頻技術(shù)的興起，不僅給內(nèi)容創(chuàng)作者和用戶提供了清晰生動的視覺體驗，也對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高要求。編碼標(biāo)準(zhǔn)作為其中的核心技術(shù)之一，其選擇和應(yīng)用成為關(guān)鍵影響因素，不僅會影響視頻質(zhì)量和壓縮效率，還會對傳輸帶寬、存儲需求及終端設(shè)備兼容性產(chǎn)生影響?；诖?，本文首先對高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特性展開了分析，接著對高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字電視領(lǐng)域、高清直播與點播領(lǐng)域、視頻網(wǎng)站和社交平臺中的應(yīng)用展開分析，最后分析了高清視頻編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期為廣播電視工程的發(fā)展提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)；廣播電視工程；視頻編碼

中圖分類號：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.006

在信息技術(shù)的飛速發(fā)展下，高清視頻已成為廣播電視工程中的重要組成部分，對用戶的觀看體驗產(chǎn)生直接影響。高清晰度電視、超高清電視等新技術(shù)的發(fā)展，讓傳統(tǒng)編碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代廣播電視工程的需求，高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)作為提升視頻傳輸效率和質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，在廣播電視工程中扮演著重要的角色。高清視頻編碼技術(shù)主要是借助壓縮算法減小視頻數(shù)據(jù)體積，以此促進(jìn)視頻傳輸效率提升?，F(xiàn)階段，主流高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)包括H.264/AVC、H.265/HEVC、AV1及國內(nèi)自主研發(fā)的AVS系列標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)在保證視頻質(zhì)量的同時，實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)壓縮，為高清、超高清視頻的傳輸和存儲提供重要保障。本文對國內(nèi)高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)及在廣播電視工程中的運(yùn)用進(jìn)行了研究。

1. 高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)介紹

1.1 H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)

H.264/AVC即高級視頻編碼，是2003年發(fā)布的最廣泛使用的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)之一。H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)主要由運(yùn)動估計、變換編碼和編碼等關(guān)鍵技術(shù)組成，其中運(yùn)動估計可用于預(yù)測視頻序列中相鄰幀之間的運(yùn)動，主要是通過計算視頻幀之間的運(yùn)動矢量，減少冗余數(shù)據(jù)，促進(jìn)壓縮效率提升。變換編碼通常使用離散余弦變換，將圖像塊從空間域轉(zhuǎn)換到頻域，將圖像數(shù)據(jù)的高頻分量與低頻分量分開，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效壓縮。熵編碼主要是以符號的出現(xiàn)頻率為依據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，一般是對頻繁出現(xiàn)的符號使用短碼字，對不常出現(xiàn)的符號使用長碼字，讓數(shù)據(jù)量得到進(jìn)一步減少[1]。與早期MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264/AVC具有更高的壓縮效率，可在保持圖像質(zhì)量的情況下縮小文件，能實現(xiàn)大約50%～80%的數(shù)據(jù)壓縮，讓數(shù)據(jù)傳輸和存儲需求得到顯著降低，為用戶節(jié)省下載和緩沖時間。H.264/AVC能夠支持標(biāo)清SD、高清HD、超高清UHD多種分辨率、24fps、30fps幀率，可以在不同視頻場景中應(yīng)用，進(jìn)而適應(yīng)不同的視頻需求。同時，H.264/AVC具有普遍兼容性，可在不同網(wǎng)絡(luò)條件下自適應(yīng)調(diào)整比特率，并結(jié)合分辨率和幀率的不同而發(fā)生一定變化，讓視頻播放流暢性得到保證，減少卡頓問題?？傮w來說，H.264/AVC高效性和良好的圖像質(zhì)量，是高清時代視頻普及的關(guān)鍵因素之一，它讓高清電視和在線視頻服務(wù)快速進(jìn)入到家庭用戶。

1.2 H.265/HEVC編碼標(biāo)準(zhǔn)

H.265/HEVC即高效視頻編碼，旨在進(jìn)一步提升壓縮效率。與H.264/AVC相比，H.265/HEVC的編碼和解碼過程更加復(fù)雜，對于設(shè)備的計算能力有更高要求。在相同視頻質(zhì)量下，H.265/HEVC比H.264/AVC對視頻文件大小可減少約50%，說明在帶寬受限環(huán)境中，H.265/HEVC可以采用更先進(jìn)的預(yù)測技術(shù)、變換技術(shù)和熵編碼方法，對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，促進(jìn)壓縮效率提升。同時，H.265/HEVC的高效壓縮能力，能夠讓廣播電視在相同帶寬下傳輸更高分辨率的視頻。H.265/HEVC能夠?qū)\(yùn)動補(bǔ)償和運(yùn)動矢量預(yù)測方法進(jìn)行改進(jìn)，在處理動態(tài)場景時能減少壓縮損耗，讓圖像質(zhì)量得到提升。H.265/HEVC還引入更靈活的編碼單元，讓視頻細(xì)節(jié)處理變得更加精細(xì)，有利于提升圖像質(zhì)量，改進(jìn)高清電視和流媒體服務(wù)，為用戶提供更加清晰和細(xì)膩的視覺體驗[2]。此外，H.265/HEVC的高壓縮比可讓其在相同帶寬條件下傳輸更多的高質(zhì)量視頻內(nèi)容，且能夠減少緩沖時間并提高視頻播放流暢性，也可減少存儲成本，提高數(shù)據(jù)存儲效率?？傮w來說，H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)的引入和應(yīng)用，在視頻編碼領(lǐng)域可帶來顯著的技術(shù)進(jìn)步，滿足了對帶寬和存儲資源的高效利用需求，也推動了高清和超高清內(nèi)容的普及與發(fā)展。

1.3 AV1編碼標(biāo)準(zhǔn)

AV1作為一種開源的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，由開放媒體聯(lián)盟所開發(fā)，旨在作為H.265/HEVC的免費(fèi)替代方案，能提供更高的壓縮效率和開源許可。開放媒體聯(lián)盟由多個知名科技公司聯(lián)合成立，包括谷歌、微軟、AMD、Adobe、蘋果等公司，其設(shè)計目標(biāo)是提供更高效的視頻壓縮，為超高清視頻的播放提供更好的支持。AV1的技術(shù)基礎(chǔ)包括傳統(tǒng)的分塊頻譜變換，并將VP9、Daala、Thor等多個視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)融合在一起，改進(jìn)內(nèi)部預(yù)測、增強(qiáng)運(yùn)動補(bǔ)償和高效的熵編碼讓比特率、色彩空間和幀率得到有效優(yōu)化，讓現(xiàn)代視頻內(nèi)容的需求得到有效滿足。AV1支持8K及以上的分辨率，非常適合未來超高清內(nèi)容和高質(zhì)量的視頻體驗。同時，AV1是開放的、免版稅的標(biāo)準(zhǔn)，任何人都可以不支付專利費(fèi)用使用AV1進(jìn)行視頻編碼和解碼，能夠?qū)σ曨l內(nèi)容的分發(fā)成本進(jìn)行有效降低[3]。雖然AV1是一種較新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但高效的壓縮能力和廣泛的支持，使其成為未來視頻編碼領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 AVS2編碼標(biāo)準(zhǔn)

AVS是由我國自主研發(fā)的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋視頻、音頻和媒體版權(quán)管理等方面。其中AVS2屬于第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn)，針對4K及以上超高分辨率視頻進(jìn)行優(yōu)化。AVS2借助先進(jìn)的混合編碼框架讓視頻編碼過程變得更加高效，且在塊結(jié)構(gòu)、幀結(jié)構(gòu)、插值和預(yù)測等方面做好顯著改進(jìn)工作，促使編碼效率大幅提升。同時，AVS2不僅能夠為4K及以上超高清分辨率視頻提供有效支持，也能對高動態(tài)范圍（High-Dynamic Range，HDR）視頻展開高效壓縮。另外，AVS2還可對三維視頻和多視角虛擬現(xiàn)實視頻進(jìn)行高效編碼，能讓其應(yīng)用場景得到有效拓展。面對當(dāng)前的三網(wǎng)融合背景，AVS2已經(jīng)在中國4K超高清頻道中得到廣泛應(yīng)用，并且憑借自主知識產(chǎn)權(quán)的特性在國內(nèi)顯示出更大優(yōu)勢，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了條件。

2. 高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在廣播電視工程中的應(yīng)用

2.1 數(shù)字電視領(lǐng)域

高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字電視領(lǐng)域扮演著重要角色，可以為用戶提供高畫質(zhì)、流暢的視頻播放體驗。H.264/AVC、H.265/HEVC等高效的壓縮算法，能夠在保證視頻質(zhì)量的前提下，最大程度地減少數(shù)據(jù)量，讓數(shù)字電視提供更加清晰、細(xì)膩的畫面，讓用戶享受到逼真的視覺體驗。同時，高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字電視傳輸?shù)倪^程中，可以利用先進(jìn)的編碼技術(shù)降低對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，減少寬帶占用。且可以去除視頻數(shù)據(jù)中的冗余信息，在有限的帶寬資源下傳輸更多高清視頻內(nèi)容，不僅可以降低成本，還可促進(jìn)資源利用效率提升。高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于衛(wèi)星傳輸（如圖1所示）、有線傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)方式，還可在互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)等新興傳輸平臺上得到廣泛應(yīng)用，讓數(shù)字電視內(nèi)容跨越不同傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)跨平臺、跨終端的共享和觀看。比如，將高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)用于新聞報道中，無論是突發(fā)新聞報道還是深度調(diào)查報道，均能支持實時的視頻流傳輸，讓用戶第一時間了解到新聞事件的進(jìn)展，且能夠保證新聞現(xiàn)場的細(xì)節(jié)與重要采訪的清晰度，強(qiáng)化用戶的新聞事件理解度與參與感[4]。在技術(shù)不斷進(jìn)步下，新的編碼標(biāo)準(zhǔn)正在不斷涌現(xiàn)，顯示出了更高的壓縮效率和更好的畫質(zhì)體驗，為數(shù)字電視行業(yè)帶來了更多的可能性，并對整個行業(yè)的持續(xù)進(jìn)步和發(fā)展起到重要的推動作用。

2.2 高清直播和點播領(lǐng)域

將高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在高清直播和點播中，能夠在保證畫質(zhì)的前提下，大幅度降低視頻數(shù)據(jù)的帶寬需求，為觀眾提供更加清晰、細(xì)膩的畫面，享受到更加逼真的視覺盛宴。比如，體育賽事直播的報道和轉(zhuǎn)播，高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)能夠在處理快速運(yùn)動和復(fù)雜場景時，有效減少偽影和壓縮失真，為視頻的清晰度和流暢性提供保證，讓觀眾在觀看運(yùn)動賽事時更好地捕捉細(xì)節(jié)和動態(tài)，進(jìn)而提供高質(zhì)量的視覺體驗。對于高清直播和點播來說，信號穩(wěn)定性與可靠性也是非常重要的一項內(nèi)容。高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)可以采用先進(jìn)編碼技術(shù)和傳輸協(xié)議強(qiáng)化信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性，即便面對網(wǎng)絡(luò)波動、帶寬不足等問題，也可借助智能調(diào)整編碼參數(shù)、優(yōu)化傳輸策略等方式，讓視頻內(nèi)容的傳輸連續(xù)性、穩(wěn)定性得到提升，避免因信號不穩(wěn)定引發(fā)卡頓、花屏等問題。在移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的發(fā)展下，觀眾對于高清視頻的觀看方式提出更多要求，需要高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)支持多種設(shè)備與平臺，讓不同用戶的觀看需求得到滿足。比如，體育賽事直播需支持PC、手機(jī)、平板、智能電視等多種終端，還需滿足不同的操作系統(tǒng)和瀏覽器，讓不同觀眾在不同設(shè)備和平臺上都能夠獲得高質(zhì)量的觀看體驗[5]。隨著技術(shù)的進(jìn)步與高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化，新的編碼算法、傳輸協(xié)議和終端設(shè)備正在大量涌現(xiàn)，例如，MPEG-4、脈沖編碼調(diào)制、LDPC碼編碼算法等。不僅為高清直播和點播提供了更加豐富的功能和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)體驗，也可為廣播電視的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供有力支持。

2.3 視頻網(wǎng)站和社交平臺

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和視頻內(nèi)容增多，高清視頻編碼技術(shù)變得尤為重要。將高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在視頻網(wǎng)站中，便于提供更高清晰度、更流暢的視頻播放體驗，讓用戶可以在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下享受到接近原畫質(zhì)的視頻內(nèi)容，促進(jìn)觀看滿意度提升。同時，高效的高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)能夠有效減少視頻數(shù)據(jù)的傳輸量，讓帶寬成本降低，可在大規(guī)模的視頻分發(fā)中顯示出良好價值，在有利于視頻網(wǎng)站控制成本的同時，提供更多高質(zhì)量的視頻內(nèi)容。在移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，用戶更加傾向于在多屏之間切換觀看視頻，高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)支持視頻內(nèi)容在不同設(shè)備上保持兼容性和一致性，促進(jìn)用戶多屏互動體驗提升。將高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在社交平臺上，便于用戶生成專業(yè)內(nèi)容的高質(zhì)量分享與傳播，進(jìn)而吸引更多用戶的關(guān)注和參與。同時，高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)可以強(qiáng)化視頻清晰度，讓視頻編解碼速度和處理能力得到提升，為視頻聊天、直播等實時互動功能提供更多支持，促進(jìn)用戶互動性提升。此外，社交平臺視頻內(nèi)容種類繁多，高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)Χ鄻踊膱鼍靶枨螽a(chǎn)生良好適應(yīng)，以便于提供靈活可變的編碼方案，讓視頻內(nèi)容得到高質(zhì)量傳輸和展示[6]。在人工智能、5G等技術(shù)的發(fā)展下，高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)也將迎來更加廣闊的發(fā)展空間，在視頻網(wǎng)站和社交平臺中獲得廣泛應(yīng)用，更好地滿足市場需求和挑戰(zhàn)。

3. 高清視頻編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢

在視頻技術(shù)不斷進(jìn)步的影響下，8K和更高分辨率的顯示器變得越來越普及，超高清內(nèi)容的需求量隨之出現(xiàn)急劇上升表現(xiàn)。H.264、H.265、AV1等作為支持高分辨率視頻的主流編碼標(biāo)準(zhǔn)，已被應(yīng)用在高分辨率視頻的編碼工作中，并且顯示出了重要的價值。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，AI技術(shù)在視頻編碼領(lǐng)域的應(yīng)用也變得更加廣泛，可通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)編碼參數(shù)和視頻內(nèi)容的優(yōu)化，讓編碼效率和畫質(zhì)得到進(jìn)一步提升。為對不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、不同設(shè)備性能和不同用戶需求下的視頻傳輸和播放進(jìn)行適應(yīng)，自適應(yīng)編碼技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，能以實際情況為依據(jù)做好編碼參數(shù)和碼率的動態(tài)調(diào)整，讓視頻內(nèi)容在不同場景下都能保持高質(zhì)量地傳輸和播放。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)的發(fā)展，讓高分辨率和高效視頻編碼的需求出現(xiàn)增加，為360°視頻和立體圖像等內(nèi)容提供了有效支持，可提供高效的壓縮和低延遲傳輸。未來高清視頻編碼技術(shù)也要針對新興應(yīng)用場景做好優(yōu)化和改進(jìn)，提供更高效、更穩(wěn)定的編碼解決方案[7]。此外，隨著云計算技術(shù)的普及和發(fā)展，云編碼服務(wù)逐漸成為視頻編碼領(lǐng)域新的發(fā)展趨勢，可將編碼任務(wù)遷移到云端中，對其中的計算資源和存儲資源進(jìn)行充分利用，促進(jìn)編碼效率、靈活性提升。在5G等新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和應(yīng)用下，高清視頻內(nèi)容的傳輸速度與穩(wěn)定性也將得到提升，可對基于網(wǎng)絡(luò)的視頻分發(fā)和播放平臺進(jìn)行完善，為用戶提供更加便捷、高效地視頻觀看體驗。

4. 結(jié)束語

高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，能夠推動廣播電視行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級，也能為用戶帶來前所未有的視覺體驗。高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，比如H.264、H.265、AV1等，都可借助高效的壓縮算法和出色的編碼質(zhì)量，實現(xiàn)傳輸帶寬需求的有效降低，促進(jìn)視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性和清晰度提升，為廣播電視節(jié)目的制作、傳輸與接收提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)也在不斷演進(jìn)，未來廣播電視工程將會迎來更加高效、靈活的編碼解決方案，更好地適應(yīng)新時代的需求，讓廣播電視工程的服務(wù)質(zhì)量得到有效提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]李凡.高清視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)及其在廣播電視工程中的應(yīng)用探討[J].中國傳媒科技，2024（6）：129-132.

[2]李勁璞.超高清視頻在廣播電視工程中的應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2022，46（10）：211-213.

[3]張杰奇.超高清時代的視頻編碼分析及展望[J].內(nèi)蒙古電大學(xué)刊，2020（02）：109-112.

[4]羅嵐.廣播電視高清視頻編碼與傳輸技術(shù)[J].電視技術(shù)，2024，48（2）：208-210.

[5]羅曉彬.面向超高清視頻分發(fā)的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[J].廣播電視信息，2023，30（07）：50-53.

[6]郭曉強(qiáng)，周蕓，胡瀟.超高清時代編碼技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2021（11）：24-29.

[7]鄒淼.廣播電視超高清發(fā)展綜述[J].中國傳媒科技，2021（11）：157-160.

作者簡介：金超（1984—），女，寧夏中寧人，廣播電視工程師，研究方向：廣播電視工程技術(shù)。