超高清数字电视视频压缩编码技术

2021-05-31戴雨

电视技术 2021年4期

戴雨

（长沙广播电视技术中心，湖南长沙 410000）

0 引言

2012年，国际电信联盟首次发布了超高清电视的国际标准，预示着超高清电视进入了人们的视野。由于其具有比传统电视更高的清晰度和分辨率，因此受到人们的青睐。在这种背景下，国内外商家纷纷推出不同尺寸的超高清电视，使超高清电视成为电视行业的热点。超高清显示为人们带来更加细腻和逼真的视觉效果，给人们带来更强的临场感，这为后期超高清电视技术的发展提供了条件[1]。

1 超高清数字电视视频压缩编码技术

视频压缩编码技术借助新型压缩技术有效处理原始传输数据，使数据可以适应多种网络技术传输要求。例如，在处理4K超高清电视信号时，原始数据码率为2.78 Gb·s-1，如果将其转化为8K信号，则码率将达到11 Gb·s-1。如果按照原始的H.264视频压缩处理模式，可实现将4K原始数据压缩为20 Mb·s-1，仍会给当前带宽带来较大压力。因此，需要采用更加高效的压缩技术，在提高传输效率的同时，缓解当前带宽的压力。由ITU-T视频编码组与移动视频专家组组成的联合编码小组，共同提出新的高效率视频编码标准（High Efficiency Video Coding，HEVC）。与传统的H.264视频压缩标准相比，HEVC的压缩效率大大提升。HEVC主要包含编码单元、预测单元以及变换单元，三者相互独立且功能完善，能够实现块像素的解码与重构[2]。HEVC预测单元有多种帧内部预测方式，在提升数据精准度的基础上，有效保留了H.264滤波器，并在其基础上增设高效滤波器，提升过滤效果的同时，也拓宽了过滤范围。

2 超高清数字电视视频压缩编码关键技术

超高清数字电视压缩编码关键技术的种类多样，本文选择几种具有代表性的技术作为主要的分析对象进行阐述。

2.1 HEVC编码结构

HEVC的编码结构是一种四叉树结构，能够借助内部单元实现对视频图像的压缩、分割以及预测，进而以最大块结构对递归进行划分。这是HEVC编码结构最大的特点。最大块像素为64×64，最小像素为8×8，保证整个图像为正方形。在此过程中，为了得到精准的编码单元值，最大计算次数达85次，将失真值降为最低。变换单元预测整个编码单元，其大小比编码单元更大，形状不仅可为正方形也可为长方形，按照对称与否，将其分为对称分割和非对称分割两类[3]。HEVC编码结构如图1所示。

图1 HEVC编码结构

2.2 HEVC帧内预测编码技术

HEVC的帧内预测与H.264技术相似，都是在空域内对视频进行压缩处理。为了提升帧内效率，HEVC将预测模式扩展为35种，比传统的H.264标准多8种。在这35种预测模式中，有33种模式是为了强化帧内预测的精度，另外两种非线性预测模式的主要对象为平滑区域。每一个预测单元都实施全方位的预测，非方向预测的数量保持不变，方向性预测的数量则在最大值和最小值之间变化，即64×64到4×4之间，但是取得的精度一致。尽管这种模式能够有效提升帧内精度，但却增加了预测的复杂性，对单元大小和数量的设置也将由预测单元的大小决定。这是目前HEVC帧内预测编码技术研究面临的一大难题。

2.3 HEVC环路滤波技术

2.3.1 自适应样点补偿滤波器

为进一步降低重建图像的失真，运用样点补偿滤波器，逐步对各个像素应用特征进行分类，进而有针对性地补偿。补偿一般分为带状补偿和边缘补偿两种。带状补偿将像素划分为多个条带，使像素之间分离，补偿范围处于0到最大范围，间隔32个强度，为每一个间隔分配相应的补偿值。如果将这32个间隔分组，则其中一组作为能够节省比特数的传输介质。边缘补偿对比两个间隔像素，进而对当前像素进行分类和识别，解码过程需要结合标识码给予相应补偿。

2.3.2 自适应环路滤波器

自适环路滤波器以像素状态为基础，有效明确块状的色度分量和亮度分量。在色度分量中，自适环路滤波器是一个对称的滤波器；但是在色度分量中，它是一个5×5对称矩阵的滤波器。在实际的视频压缩编码处理过程中，HEVC将自适应环路滤波器分为两种类型，一种以像素为基础，一种以区域为基础。像素滤波器结合实际需求将图像划分为16组，确保每一组都能被相应的滤波器处理；区域滤波器则将图像分为16块，对比最大编码单元对每一块做处理，最后运用滤波器对其做整体处理。

3 超高清数字电视视频压缩编码技术的发展展望

目前，超高清数字视频的应用已经不再局限于数字影院以及广播电视行业。通信技术的更新与发展，有效解决了电视信号的传输问题，促使超高清电视在其他领域获得了空前的发展和应用[4]。例如，现阶段应用较为广泛的智能手机，其像素分辨率已经达到了4K标准，但是受信号传输限制，手机观看的视频像素与普通电视相似。很多大型电视生产厂家已经率先研发和制造了超高清电视，在视频效果方面受到使用者的一致好评[5]，但是价格比较昂贵。目前观众对超高清电视的需求在不断扩大，但是信号传输限制在一定程度上阻碍了超高清电视的发展。在今后超高清电视的研发中，应加大对视频压缩编码技术的研究，并努力突破信号传输给超高清电视发展带来的限制。