超高清数字电视视频压缩编码技术与发展趋势

范成军

（国家新闻出版广电总局广播电视卫星直播管理中心，北京，100866）

1 超高清数字电视视频压缩编码技术概述

所谓超高清数字电视视频压缩编码技术，简单概括一下就是采用新的压缩技术来处理原始信号数据，使其能够适应当前网络传输的条件。例如当处理4K模式的超高清数字电视信号时，其原始数据率为(3840×2160pixel/frame)×(12bit/pixel)×(30frame/s),即约为 2.78Gbit/s(30frame/s)，如果是8K模式的话，那么原始数据率就会达到约1lGbit/s；即使采用了标准的H.264的视频压缩方法，将4K模式的原始数据率压缩至20Mbit/s以内，仍然会给当前的带宽形成巨大压力。因此必须使用更加高效的压缩技术，以缓解带宽压力，提高传输效率。ITU-T视频编码专家组和ISO/IEC移动视频专家组联合成立了视频编码联合小组，目标就是研究出新型的视频编码标准，即HEVC。与标准的H.264的视频压缩方法相比，HEVC在处理同样的视频图像时压缩效率提高了一倍，且编码结构更加灵活，包括编码单元、预测单元和变换单元三个部分；这三个单元彼此独立且功能完善，在对块像素进行解码和重构时效率更加出众。同时，HEVC的预测单元还具有数十种帧内预测模式，大大提高了帧内预测的精度；滤波技术中除了保留标准H.264的去块效应滤波器外，还使用了若干个更加高效的滤波器，不仅有效提高了过滤效果，还扩大了过滤对象的范围。正是这些关键技术的应用，使得HEVC在超高清数字电视视频压缩编码中具备了巨大的优势。

2 超高清数字电视视频压缩编码关键技术

超高清数字电视视频压缩编码关键技术种类繁多，这里选择其中最具有代表性的三项，编码结构、帧内预测编码技术和环路滤波技术作为主要分析对象。

2.1 HEVC编码结构

HEVC的编码结构是超大尺寸的四叉树编码结构，利用编码单元、预测单元和变换单元来完成视频图像的分割和预测编码。最具有特色的地方在于，HEVC采用了更大的块结构，最大的编码单元为64X64像素。编码单元采用四叉树递归的方式进行像素块的划分，下图即为编码单元结构示意图，其中最大块为64X64，最小块为8X8，且必须保证形状为正方形。为了得到编码单元的最优值，每个最大块需要进行高达85次的计算来得到失真值的最小率。

变换单元用来完成编码单元的预测过程，其大小能超过所属的编码单元的大小，形状可以是正方形或矩形。通常有对称分割和不对称分割两种类型，即将块划分为正方形与正方形或正方形与矩形。

2.2 HEVC帧内预测编码技术

HEVC的帧内预测与标准的H.264仍然一样，即在空域中进行压缩。但是为了提高帧内压缩效率，HRVC提供了多达35种的预测模式，远远超过了H.264的8种预测模式。在35中预测模式中，有33种方向性预测是为了增加帧内预测的精细度，还有两种非方向性预测是为了预测纹理比较平滑的区域。当然并不是对于每个预测单元都采用全方向预测，通常情况下非方向性预测个数不变，方向性预测个数会随着预测单元的大小而灵活变化，从最大的64X64到最小的4X4，方向性预测都不同，但是插值精度都是一致的。

虽然这种预测模式能够很好地提高帧内预测的精度，但是也使得预测模式变得十分复杂。有时候HEVC会根据预测单元的大小设置方向性预测个数的范围，但是仍然不能解决预测的复杂程度，这也是帧内预测研究中的一个难题。

图1 HEVC编码结构

2.3 HEVC环路滤波技术

2.3.1 自适应样点补偿滤波器

在去块效应滤波器完成处理之后，自适应样点补偿滤波器会根据每个像素应用的特征进行分类，然后采取有针对性的补偿。通常有两种补偿方式，带状补偿和边缘补偿。带状补偿是将某个区域内的所有像素分成多个条带，每个条带所包含的像素的强度间隔是相同。带状补偿在0到最大强度的范围内，平均分为32个强度间隔，每个间隔有一个补偿值；32个间隔被平均分为两组，使用其中一组用于编码传输以节省比特数。边缘补偿是将当前像素与相邻的像素进行对比，然后对当前像素进行分类标识，这样在解码时就可以根据标识进行对应的补偿。

2.3.2 自适应环路滤波器

自适应环路滤波器为了减少编码图像的解码噪声，会根据块像素的实际情况来决定是否将其应用到块中的亮度分量和色度分量上。在亮度分量中，自适应环路滤波器是一个点对称的二维FIR滤波器；而在色度分量中，它就成为了一个5×5抽头点对称的矩形二维FIR滤波器。通常HEVC将自适应环路滤波器分为两种，基于像素的滤波器和基于区域的滤波器。像素滤波器会将图像分成16组，每组使用一种滤波器来进行处理；区域滤波器稍有不同，它会将图像分为大致相等的16块，每块都与编码单元的最大块进行对齐，然后在由滤波器对每个块进行处理。

3 超高清数字电视视频压缩编码技术的发展

3.1 超高清数字电视视频压缩编码技术的发展历程

2003年，通过H.264的压缩编码技术，衍生出了蓝光光盘和数字电视等传输手段，使得高清信号逐渐普及到了普通家庭当中。然而随着人们观看需求的提升，普通高清图像已经不能满足人们的要求，视频图像开始向着更大的分辨率发展，如单波段电视和4K电视。但是由于网络带宽不足以及信号失真问题，所呈现出的图像效果并不令人满意。在这个背景下，超高清数字电视应运而生。它完美实现了4K电视信号的压缩传输，使得人们摆脱了视觉空间对于观感的限制；同时还轻松达到了8K电视信号的压缩传输，向观众展示出了最真实的效果。但是超高清数字电视也存在缺陷，那就是信号传输问题。这个问题不仅影响了图像质量的进一步提高，甚至关系到超高清数字电视未来的发展方向。这是因为传输距离的变化会直接影响到图像的清晰度，简单来说，如果在电视台内进行面对面的超高清数字信号传输，不仅毫无失真，甚至都不需要进行压缩；然而想要在普通家庭中观看超高清数字电视，就一定要经过网络线路甚至是卫星中转来进行信号传输，这时不仅会对线路的通信能力造成不利影响，也会降低超高清数字电视的观感。许多国家都在积极进行传输实验，目前可行的方案主要光纤、无线和IP网络。

3.2 超高清数字电视视频压缩编码技术的发展趋势

虽然目前超高清数字电视仅在数字影院、广播电视等特殊行业中得到了广泛应用，但是随着通信技术的不断发展，在解决了传输问题的瓶颈之后，超高清数字电视能够在其他领域获得更大的发展。例如现在十分普及的智能手机，其分辨率早已达到了4K的标准，但是由于传输信号的限制，手机观看到的图像和视频与普通电视并没有差别。还有就是很多一流的电视生产厂家，已经率先研制出了超高清的电视，尽管其价格略显昂贵，却在市场上收获了相当多的好评。这也在一定程度上反映出了群众对于超高清图像的期待和需求。然而现实状况却是，由于传输信号的限制，超高清数字电视也只能接受普通高清的电视节目，导致超高清数字电视陷入了“英雄无用武之地”的尴尬境地。因此，各国都在积极采取各种措施，加快超高清数字电视视频压缩编码技术的研发，努力解决信号传输问题带来的影响。

4 总结

本文通过介绍超高清数字电视视频压缩编码技术的内容，对其关键技术进行了详细的分析和说明，并就超高清数字电视视频压缩编码技术的发展历程和发展趋势进行了简单的讨论。经过研究可以看出，尽管超高清数字电视视频压缩编码技术已经相对成熟，在很多行业中已经得到了稳定的应用，但是想要实现大规模的生产和推广，还需要突破一些技术瓶颈，如预测模式的精简和传输能力的提高。

[1]秦雷.超高清数字电视新进展和展望[J].电视技术.2014.38(4).

[2]王子微.浅析超高清数字电视视频压缩编码技术[J].电视技术.2013.37(13).