視頻編解碼技術(shù)

　概述

　視頻編解碼技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)電視發(fā)展的最初條件。只有高效的視頻編碼才能保證在現(xiàn)實(shí)的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下提供視頻服務(wù)。

　　H.264或稱(chēng)為MPEG-4第十部分(高級(jí)視頻編碼部分)是由ITU-T和ISO/IEC再次聯(lián)手開(kāi)發(fā)的最新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。由于它比以前的標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)功能上作了進(jìn)一步改進(jìn)，使得在同等視頻質(zhì)量條件下，能夠節(jié)省50%的碼率，且提高了視頻傳輸質(zhì)量的可控性，并具有較強(qiáng)的差錯(cuò)處理能力，適用范圍更廣。在低碼率情況下，32kbps的H.264圖像質(zhì)量相當(dāng)于128kbps的MPEG-4圖像質(zhì)量。H.264可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)電視、廣播電視、數(shù)字影院、遠(yuǎn)程教育、會(huì)議電視等多個(gè)行業(yè)。

　　除了ITU-T和ISO/IEC兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)以外，美國(guó)微軟公司和Real Network公司都有自己的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，他們也是常用的網(wǎng)絡(luò)電視標(biāo)準(zhǔn)。

　分類(lèi)

　　視頻壓縮編碼技術(shù)可以分為兩大類(lèi)：無(wú)損壓縮和有損壓縮。

　　無(wú)損壓縮也稱(chēng)為可逆編碼，指使用壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)(即：解壓縮)時(shí)，重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與原來(lái)的數(shù)據(jù)完全相同。也就是說(shuō)，解碼圖像和原始圖像嚴(yán)格相同，壓縮是完全可恢復(fù)的或無(wú)偏差的，沒(méi)有失真。無(wú)損壓縮用于要求重構(gòu)的信號(hào)與原始信號(hào)完全一致的場(chǎng)合，例如磁盤(pán)文件的壓縮。

　　有損壓縮也稱(chēng)為不可逆編碼，指使用壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)(即：解壓縮)時(shí)，重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與原來(lái)的數(shù)據(jù)有差異，但不影響人們對(duì)原始資料所表達(dá)的信息造成誤解。也就是說(shuō)，解碼圖像和原始圖像是有差別的，允許有一定的失真，但視覺(jué)效果一般是可以接受的。有損壓縮的應(yīng)用范圍廣泛，例如視頻會(huì)議、可視電話、視頻廣播、視頻監(jiān)控等。

　無(wú)損壓縮

　　典型的無(wú)損壓縮編碼技術(shù)有：哈夫曼(Huffman)編碼、香農(nóng)編碼、RLC(Run Length Code，行程編碼)、LZW(Lenpel-Ziv&Welch)編碼、算術(shù)編碼。

　有損壓縮

　　典型的有損壓縮編碼技術(shù)介紹如下。

　　1、預(yù)測(cè)編碼：點(diǎn)線性預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)。

　　預(yù)測(cè)編碼主要是減少數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上的相關(guān)性，以達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)壓縮的目的。

　　2、變換編碼：KL(Karhunen-Loeve變換)、DFT(Discrete Fourier Transform，離散傅里葉變換)、DCT(Discrete Cosine Transform，離散余弦變換)、DST(Discrete Sine Transform，離散正弦變換)、HADAMARD(哈達(dá)碼變換)、小波變換。

　　變換編碼將圖像時(shí)域信號(hào)變換到頻域上進(jìn)行處理。

　　3、量化編碼：標(biāo)量量化、矢量量化。

　　當(dāng)我們對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，需要經(jīng)歷一個(gè)量化的過(guò)程。在這里，量化器的設(shè)計(jì)是一個(gè)很關(guān)鍵的步驟，量化器設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于量化誤差的大小有直接的影響。矢量量化是相對(duì)于標(biāo)量量化而提出的，如果一次量化多個(gè)點(diǎn)，則稱(chēng)為矢量量化。

　　4、子帶編碼：子帶編碼、塊切割法。

　　子帶編碼主要有兩種方式。一種是，將圖像數(shù)據(jù)變換到頻域后，按頻域分帶，然后用不同的量化器進(jìn)行量化，從而達(dá)到最優(yōu)的組合。另外一種是，分步漸進(jìn)編碼，在初始時(shí)對(duì)某一頻帶的信號(hào)進(jìn)行解碼，然后逐漸擴(kuò)展到所有頻帶，隨著解碼數(shù)據(jù)的增加，解碼圖像也逐漸的清晰起來(lái)。子帶編碼對(duì)于遠(yuǎn)程圖像模糊查詢(xún)與檢索的應(yīng)用比較有效。

　　5、模型編碼：結(jié)構(gòu)模型、知識(shí)基模型。

　　結(jié)構(gòu)模型編碼，也稱(chēng)為二代編碼。編碼時(shí)首先求出圖像中的邊界、輪廓、紋理等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，然后保存這些參數(shù)信息。解碼時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息進(jìn)行組合，從而恢復(fù)出原圖像。

　　知識(shí)基模型編碼，對(duì)于人臉等可用規(guī)則描述的圖像，利用人們對(duì)其的知識(shí)形成一個(gè)規(guī)則庫(kù)，據(jù)此將人臉的變化等特征用一些參數(shù)進(jìn)行描述，從而根據(jù)參數(shù)和模型就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉的圖像編解碼。

　　6、混合編碼：JPEG、H.261、MPEG等。

　　混合編碼同時(shí)使用兩種或兩種以上的編碼方法進(jìn)行編碼。

　研制視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的正式組織

　　研制視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)正式組織：ITU-T和ISO/IEC：

　　l ITU-T(International Telecommunication Union -Telecommunication Standardization Sector，國(guó)際電信聯(lián)盟通信標(biāo)準(zhǔn)部)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)以H.26x的形式表示(例如，H.261、H.262、H.263、H.264和H.265)，它主要是為視頻會(huì)議和可視電話等實(shí)時(shí)視頻通信應(yīng)用設(shè)計(jì)的。

　　l ISO/IEC(ISO：International Standardization Organization，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織;IEC：International Electrotechnical Commission，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)以MPEG-x的形式表示(例如，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21)，它主要是為視頻存儲(chǔ)(DVD)、廣播視頻以及視頻流(例如，網(wǎng)上視頻、無(wú)線視頻應(yīng)用)設(shè)計(jì)的。

　　這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)合作開(kāi)發(fā)了H.262/ MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)、以及H.264/ MPEG-4 AVC(Advanced Video Code)——MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的第10部分。

　視頻編碼技術(shù)比較

　　事實(shí)上，H.26x和MPEG-x標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼都是采用上述幾種編碼方法的混合編碼，主要區(qū)別在于處理圖像的分辨率、預(yù)測(cè)精度、搜索范圍、量化步長(zhǎng)等參數(shù)的不同。各編碼標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點(diǎn)不同，應(yīng)用的場(chǎng)合也不同。