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    視頻壓縮編碼技術的發展歷史及現狀

    人氣:發表時間:2018-5-19 15:14:18 【

    在不斷的實踐中,人們發現人眼對許多視頻和音頻中所包含的一部分信息不是很敏感。如果將這些信息,也就是視覺冗余去掉,可以實現對視頻的大幅有損壓縮,基于該理論,也產生了大量優秀的音頻視頻壓縮算法。例如預測編碼、變換編碼、基于模型編碼、分形編碼等。所以說壓縮編碼的發展實際上是以香農信息論為基礎的一個不斷完善的過程。

    視頻壓縮技術.JPG

    如今,視頻壓縮技術的應用非常廣泛,如網上可視電話、遠程教育、遠程醫療、視頻會議、視頻點播、視頻電子郵件、數字圖書館、交互式視頻游戲等,對整個信息產業的發展起到了巨大的推動作用。以上所有的應用都需要經過壓縮才能實現,為此,國際電信聯盟和國際標準化組織等幾大標準化組織,指定一系列靜止和活動圖像編碼的國際標準。概況來說,國際音視頻壓縮標準的發展主要經過了H.261、MPEG-1、MPEG-2、H.263、H.263+、MPEG-4、H.264/AVC。

    視頻壓縮技術3.JPG

    (一)H.261

    H.261是第一個正式發布的數字視頻壓縮編碼標準,它充分利用了當時三大主流視頻壓縮編碼技術——預測編碼,變換編碼和統計編碼的特點。能在很低的傳輸速率下(64Kb/s~2Mb/s)傳送較高質量的圖像和語音;能夠實現雙向通信;能兼容不同制式的圖像終端。標準采用的技術主要包括運動補償、環路濾波、DCT變換與量化、自適應量化、熵編碼等。該標準運動估計的精度只精確到整像素,只包括I幀和P幀,不包括雙向預測的B幀。支持的兩種圖像格式分別為:CIF和QCIF。H.261標準的制定不僅吸引了大批視頻編碼技術領域的專家,廣大工業界也積極投入。至今H.261還在ISDN的會議電視和可視電話領域廣泛應用。

    (二)MPEG-1

    MPEG-1標準于1993年正式發布,其主要應用是針對當時出現的新型存儲媒體介質CD-ROM而進行設計的。傳出碼率為1Mb/s~1.5Mb/s,其中1.5Mb/s是當時CD-ROM播放設備的訪問速度;能適應多種網絡,如ISDN、局域網等通信網絡;能滿足各種實時和非實時的系統要求。MPEG-1在借鑒了H.261所建立的混合編碼體系的基礎上,同時使用了幀內及幀間壓縮技術,采用了雙向預測、離散余弦變換、基于塊的運動補償等技術,提高了系統的壓縮性能。MPEG-1采用的幀間壓縮算法基于預測法和插補法,減少時間冗余信息;而幀內壓縮算法法則采用DCT的變換編碼,從而減少空間冗余信息。

    (三)MPEG-2

    MPEG-1標準于1994年正式發布,可以視為MPEG-1標準的擴展和延續,其設計的目標是電視演播室以及標準清晰度電視和高清晰度電視廣播。傳出碼率即支持4Mb/s~8Mb/s的標準清晰度電視系統,又支持10Mb/s~15Mb/s的高清晰度電視系統。MPEG-2提出了一種類(profile)和級(level)的組合方式。具有信道自適應特點的可分級編碼技術也納入標準之中。該標準主要應用于數字廣播、ATM網絡傳輸等不同信道的視頻碼流傳輸。

    (四)H.263

    H.263標準制定于1996年,是面向公用電話交換網和移動環境下的視頻壓縮編碼標準,適合于低碼率的圖像編碼,能應用于碼率小于64kbit/s的場合。該標準。基本的編解碼流程與H.261類似,它是以H.261為基礎進行的擴展,采用了混合編碼方式。另外,H.263也參考了MPEG等其它標準中的合理部分,例如B幀雙向預測、基于半像素精度的運動估計等,從而表現出良好的性能。H.263與H.261最大的區別在于面向的應用目標碼率不同。

    (五)H.263+

    ITU-T在1998年1月通過了H.263的第二版,也稱為H.263+,它是在原H.263標準基礎上,修正了其中的無限制運動矢量模式,并增加了十二個高級模式。H.263+在預測編碼技術上的改進主要包括:改進的PB幀模式、無限制運動矢量模式、先去除塊效應濾波模式、進幀內編碼模式、參考圖像再取樣模式等。一方面H.263,以及后來的H.263++是H.263標準的改進個完善,另一方面,它也由H.263向新一代視頻壓縮編碼標準H.264的過渡。

    (六)MPEG-4

    1999年推出的MPEG-4標準是一個具有開放性的面向多種應用的標準。它既能夠支持廣播級的視頻應用,也能夠支持低碼率的視頻應用。而MPEG-4比MPEG-2更先進的其中一個特點,就是不再使用宏區塊做圖像分析,而是以圖像上個體為變化記錄,而且MPEG-4標準中采用了視聽對象(AVO:Audio-VisualObject)來表示聽覺、視覺或者視聽組合的內容。這樣的設計方式使得系統具有更大的靈活性,大大提高了視頻通信的編碼效率和交互能力。與此同時,MPEG-4中還增加了一些新的技術,例如:基于內容的可分級性操作;形狀編碼和自適應DCT(SA-DCT)技術以支持任意形狀對象編碼[9];提供了傳輸多媒體集成框架(DMIF)應用接口;在其音、視頻表示規范中參考了信道特性。而且MPEG-4是一個公開的平臺,各公司、機構均可以根據MPEG-4標準開發不同的制式,因此市場上出現了很多基于MPEG-4技術的視頻格式,例如WMV9、QuickTime、DivX、Xvid等。

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    (七)H.264/AVC

    H.264是在2003年3月,由TIU-T和ISO/IEC共同制定的新視頻編碼國際標準,官方的名稱分別為ITU-TH.264和ISO/IECMPEG-4AVC或者ISO/IECMPEG-4Part10。H.264標準設計的一個重要目的,就是為了實現壓縮視頻數據對網絡傳輸的適應性。H.264與以前的標準一樣,也是采用DPCM和變換編碼的混合編碼模式。但它的設計簡潔,不需要眾多的選項,獲得了比H.263++更好的壓縮性能;其基本的系統具有開放性,使用不需要版權。

    H.264代表了當前最先進的視頻壓縮技術,具有非常優異的壓縮性能。在技術上,H.264標準中又采用了許多新方法,例如高精度、多模式的位移估計,統一的VLC符號編碼(CAVLC或CABAC),分層的編碼語法,基于4×4塊的整數變換等。這些方法顯著提高了H.264算法的編碼效率,在相同的重建圖像質量下,能夠比H.263節約50%左右的碼率。

    視頻壓縮技術2.JPG

    用戶采用H.264壓縮技術將節省許多下載時間和數據流量收費,同時能得到連續、流暢的高質量圖像。H.264的碼流結構網絡具有非常強的適應性,采用了獨特的分層結構,增加了差錯恢復能力,并包含能夠處理當網絡環境不穩定時易引起的丟包等錯誤的非常必要的工具,能夠很好地適應IP和無線網絡的應用[10]。綜合上述這些特性,使得H.264比起以前的視頻編解碼能夠帶來性能上顯著的提高,并在各種不同的環境下達成更廣泛的應用。包括可視電話、實時視頻會議系統、視頻監控系統、因特網視頻傳輸以及多媒體信息存儲等。可以說,當前所有的視頻應用,都可以通過H.264獲得高質量的實現,例如數字電視廣播、高清電視、在線視頻的存儲和點播、3G視頻電話等。H.264的廣泛應用,能夠促進網絡帶寬的升級;數字電視和IPTV的快速發展及其節目質量的提高;視頻監控的高清化;藍光DVD及上下游硬件設備如硬盤、光盤的發展等等。

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