对数字视频编码技术的研究

计伟

摘 要：随着流媒体技术、微电子技术、多媒体技术以及多媒体技术的快速发展，已经出现很多智能终端。数字视频编解码算法在智能终端系统中起着核心的作用。该文对数字视频压缩标准的发展及现状进行了阐述，然后对视频编码的基本原理进行必要的阐述，最后对可伸缩编码技术进行详细的阐述。

关键词：视频编码；视频压缩；可伸缩编码

1. 视频编码的发展及现状

数字视频分辨率的提高使得原始数据量不断增多，为了提高视频编码的压缩效率，新的视频编码标准不断推出。1984年CCITT第15研究组发布了数字基准电视会议编码标准H.120建议。在1988年的时候，CCITT通过了视频编码标准H.261建议。H.261是视频压缩编码的一个里程碑。从这以后，ISO及ITU-T等发布的基于波形的编码标准中的编码方法很多都是基于H.261的混合编码。在1986年，联合图像专家组成立，对连续色调静止图像压缩算法的国际标准进行研究，在1992年通过了JPEG标准。

在1988年，活动图像专家组成立。并在1991年MPEG-2编码标准，主要在VCD的视频压缩中进行应用。在1994年公布的MPEG-2编码标准，不同的码率分别在不同档次、不同级别的视频压缩中应用。MPEG-2已经支持高清晰度视频，但是要实现全面高清化还需要更高效的编码技术。

在1995年，ITU-T又推出了H.263编码标准。主要用于可视会议和多媒体通信等低码率视频的传输。

在1999年，ISO/IEC通过了MPEG-4编码标准，此标准强调了多媒体通信的灵活性和交互性。

在2003年，ISO/IEC和ITU-T公布H.264视频压缩标准，这个标准明显提高了视频压缩效率，而且网络亲和性也很不错，对误码及丢包的处理进行了加强。H.264增加了1/4精度预测、整数DCT变换等技术。

在2007年，作为H.264/AVC标准可伸缩性扩展档次的可伸缩性编码SVC推出，根据要求将视频分割成一个基本层和多个增强层。

在2013年，HEVC成为国际标准，可以提供更好的视觉效果。HEVC对预测模型、变换技术等进行了扩展。

2. 视频编解码技术基础

2.1 预测编码

预测编码是比较基本的编码工具，常用的预测编码方法有帧内预测和帧间预测编码。帧间预测是用于消除时间冗余，帧内预测用于消除空间冗余。因为时间冗余远远大于时间冗余，下面主要对帧間预测进行阐述。

帧间预测的目的是去除时域的冗余信息，就是使用已经编码的图像对现在要编码的图像进行预测。预测方法的合理性关系到残差的大小。

运动补偿是由运动矢量及帧间预测方法得到当前帧的估计值的过程。它是对当前图像的描述，说明当前图像的每一块怎么由其他参考图像的像素块得到。

运动估计和运动补偿都是消除时间冗余的重要方法。这两者直接影响到重建图像质量及压缩比。运动估计是动态过程，而运动补偿只是一个静态的描述。

2.2 变换编码

变换编码的编码效率要比预测编码高。K-L变换、傅里叶变换等算法出现比较早，压缩效率高，但因高复杂度没有得到广泛应用。离散余弦变换是首个广泛应用的变换编码算法。因为离散余弦变换不需要求解特征向量，大大降低了复杂度。

2.2.1变换编码基本原理

变换编码对信号的样本值进行某种形式的函数变换，从一种空间变换到另一种空间，后根据信号在一个空间域的特征对信号进编码压缩。变换系统有三个步骤：预处理，变换及量化编码。变换本身并不压缩数据，只是把信号变换到另一个域，变换之后的信号更独立，更有序，比较容易压缩。变换编码中，输入函数和输出函数不同是因为量化误差形成的。量化编码在变换编码系统中是不可缺少的，量化使数据得以压缩。为了使量化失真最小化可以针对不同的分量使用不一样的量化方式。

3.可伸缩编码技术

3.1 可伸缩编码的发展及含义

可伸缩编码技术已经有20年的历史，早起出现的H.262/MPEG-2，H.263，MPEG-4有若干工具能够满足一些比较重要的可伸缩性需求，但是因为解码器的复杂度过高，在实现空间，质量可伸缩时的编码效率低下，编码质量存在阶跃性突变等问题，故以上可伸缩编码技术没有获得广泛的应用。

3.2 可伸缩编码的分类

实现可伸缩视频编码的方法比较常见的有三种：时间可伸缩，空间可伸缩以及质量可伸缩。这三种编码方法的实现原理是不同的，所以编码方法的性能也是不同的。这三种方法的性能一般和特定的参数是紧密相关的。时间可伸缩中GOP的作用是至关重要的，空间可伸缩的层间预测则较为重要。时间可伸缩以帧率角度进行编码，空间可伸缩以分辨率角度进行编码，质量可伸缩以量化步长的角度进行编码。下面对这三种比较常见的压缩编码方法进行阐述。

4. 结束语

随着视频编码的不断发展，可分级视频编码是近几年来的研究热点，它是解决现代视频传输和存储系统中异构问题的非常重要的手段。该文首先对视频编码的发展及现状进行详细的说明，然后对视频编码的基本原理进行必要的说明。最后对可伸缩编码分类及每个类别进行详细的阐述。

视频编码技术不断发展，新的编码标准也在不断的推出。现在，视频编码也在面临新的挑战。

1）网络视频应用对视频编码码流的“友好性”提出了更高层次的要求。

2）高清晰度、高质量视频的推广和普及对视频编码压缩效率提出了更高层次的要求。

综上所述，这两个挑战，将是当前和未来视频编码技术的研究中需要解决的比较重要的课题。

参考文献：

[1]陈靖，刘京，曹喜信.深入理解视频编解码技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[2]柳辉.可伸缩性视频编码的转码及其应用[D].中国科技大学，2009.

[3]王伟超.基于MPEG_2的多视点视频可分级实时解码器研究[D].天津大学，2009.