視頻編解碼技術(shù)的定義及原理   



　　定義：編碼是將一組字符轉(zhuǎn)換為一個字節(jié)序列的過程。解碼則是一個反向操作過程，即將一個編碼字節(jié)序列轉(zhuǎn)換為一組字符。
　　原理：視頻是由一幅幅圖像組成，所以視頻的編解碼首先要從圖像的編解碼開始。我們常見的電視圖像是由多個光點組合而成，電視機利用R(紅)、G(綠)、B(藍)三色不同比例的混合來表示各種色彩，從而實現(xiàn)視頻信號點對點的轉(zhuǎn)化。然而在實際中，我們將RGB信號按一定比例組合成為Y(亮度)、色度(U、V)信號。RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：Y=0.3R+0.59G+0.11B、U=B- Y、V=R-Y。由此轉(zhuǎn)換關(guān)系可以看出，色度信號比亮度信號在水平和垂直方向各少傳一半的傳輸量，這就是我們常說的4∶2∶2圖像壓縮格式。通過這次壓縮實現(xiàn)了視頻信號的數(shù)字化。當(dāng)模擬信號數(shù)字化后其頻帶大大加寬，一路6MHz的普通電視信號數(shù)字化后，其數(shù)碼率高達162MHz以上。因此未壓縮的數(shù)字視頻信號只能用于本地設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，不適合傳輸和存儲。只有采用數(shù)字壓縮技術(shù)才能很好地解決傳輸帶寬和存儲空間被大量占用的難題。數(shù)字圖像壓縮技術(shù)就是利用視頻圖像在空間和時間上的冗余度很大的特性，將空間和時間中冗余的信息去除，只保留非相關(guān)信息進行傳輸，大大節(jié)省了傳輸頻帶。接受利用這些非相關(guān)信息，按照一定的解碼算法，可以在保證一定圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像。這就是視頻壓縮編解碼技術(shù)的原理。
　　從信息論的觀點來看，描述信源的數(shù)據(jù)是信息和數(shù)據(jù)冗余之和，即：數(shù)據(jù)=信息+數(shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)冗余有許多種，如空間冗余、時間冗余、視覺冗余、統(tǒng)計冗余等。將圖像作為一個信源，視頻壓縮編碼的實質(zhì)是減少圖像中的冗余。
 
　 H.26X系列視頻編碼國際標準 
 
　　H.261 編碼標準
　　H.261是1990年ITU-T制定的一個視頻編碼標準，屬于視頻編解碼器。采用了運動補償預(yù)測和離散余弦變換相結(jié)合的混合編碼方案，具有很好的壓縮效果，是其他圖像壓縮標準的核心和基礎(chǔ)，實質(zhì)上說，之后的所有的標準視頻編解碼器都是基于它設(shè)計的。
　　它解決了三個問題：第一，解決了編解碼算法的問題。確立了一種合理的、保證圖像質(zhì)量的、為各通信編碼專家所認可的統(tǒng)一算法;第二，解決了PCM標準的互換問題。中國和歐洲PCM一次群為2.048Mbit/s的碼率，即32個時隙，而北美和日本采用1.544Mbit/s的一次群，即24個時隙。應(yīng)用PCM信道傳輸時，編解碼碼率不一致。H.261 建議不涉及到PCM標準問題，編碼器工作于64～1920Kbit/s的速率覆蓋N-ISDN或PCM一次群的通道;第三，為編碼器設(shè)定了一種公共的圖像格式，解決了電視的PAL制與NTSC制的互通問題。兩種制式的視頻信號都能轉(zhuǎn)變成公共中間格式(CIF)，這樣解決了收發(fā)端與電視制式無關(guān)的問題。

　　H.261編碼算法具有如下特點：
　　(1)采用通用的中間格式(CIF);
　　(2)圖像按視頻的整數(shù)倍速率抽取，與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時鐘同步;
　　(3)視頻編碼器提供一組獨立的數(shù)字比特流;
　　(4) 采用混合編碼算法，幀間預(yù)測用來降低圖像信號的時間冗余度，而變換編碼用于降低空間域的冗余度;
　　(5)視頻的編碼速率從40kb/s到2Mb/s;
　　(6)傳輸比特流包含BCH (511，493)前向糾錯碼。

　　H.261的編解碼算法，視頻多路按這種算法結(jié)構(gòu)組織視頻復(fù)合編碼，將同步信號、定址信息及其他信息加到視頻信息中，并對視頻數(shù)據(jù)做變字長編碼、輔助信號壓縮控制等進一步處理，最終達到適于傳輸?shù)睦硐氲囊曨l信號。
　　H.263 編碼標準
       H.263是由ITU-T制定的視頻會議用的低碼率視頻編碼標準，屬于視頻編解碼器。在H.261標準的基礎(chǔ)上發(fā)展，其圖像編碼的核心算法仍然是H.261標準中采用的混合編碼，但是H.263建議的是低碼率下的圖像傳送，在技術(shù)上是H.261的改進和擴充，支持碼率小于64Kbit/s的應(yīng)用。實質(zhì)上，H.263 以及后來的H.263+和H.263++已發(fā)展成為支持全碼率應(yīng)用的建議，支持眾多圖像格式，如SQCIF、QCIF、CIF、4CIF甚至16CIF等格式。改進后的H.263 標準下的圖像效果在384K碼率情況下比H.261標準的圖像有了很大改善?！?br /> 　　H.264 編碼標準
       H.264是ITU-T的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC的MPEG(活動圖像編碼專家組)的聯(lián)合視頻組(JVT)開發(fā)的一個新的數(shù)字視頻編碼標準。H.264 和以前的標準一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計，不用眾多的選項，獲得比H.263好得多的壓縮性能。加強了對各種信道的適應(yīng)能力，采用“ 網(wǎng)絡(luò)友好 ”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對誤碼和丟包的處理。應(yīng)用目標范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸(存儲)場合的需求。在技術(shù)上，H.264標準中有多個閃光之處，如統(tǒng)一的VLC符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基于4×4塊的整數(shù)變換、 分層的編碼語法等。這些措施使H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263節(jié)約50%左右的碼率。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.265編碼標準
       H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標準H.264，保留原來的某些技術(shù)，同時對一些相關(guān)的技術(shù)加以改進。新技術(shù)使用先進的技術(shù)用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，達到最優(yōu)化設(shè)置。具體的研究內(nèi)容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復(fù)能力、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復(fù)雜度等。H.264由于算法優(yōu)化，可以低于1Mbps的速度實現(xiàn)標清數(shù)字圖像傳送;H.265則可以實現(xiàn)利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。
　　H.265/HEVC的編碼架構(gòu)大致上和H.264/AVC的架構(gòu)相似，但在HEVC編碼架構(gòu)中，整體被分為了三個基本單位，分別是：編碼單位(coding unit,CU)、預(yù)測單位(predict unit,PU) 和轉(zhuǎn)換單位(transform unit,TU )。在編碼單位上可以選擇從最小的8x8到最大的64x64。相比于H.264，在相同的圖象質(zhì)量下，通過H.265編碼的視頻大小將減少大約39-44%;在碼率減少51-74%的情況下，H.265編碼視頻的質(zhì)量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好，其本質(zhì)上說是比預(yù)期的信噪比(PSNR)要好。