数字视频编解码技术回顾及展望

2013-10-09 08:50:07来源: 互联网

电影、电视随着数字化、网络化、云计算等技术的快速发展和多样化个人消费电子多媒体产品的普及,已不仅仅依赖传统的银幕和屏幕呈现。运动视觉信息可随时、随处获取,运动视觉感知信息被以多样化媒体形态呈现,人们也更多地依赖运动视觉感知来获取信息。(引用“运动视觉感知”是因为电影、电视、视频等词义不能完整涵盖)运动视觉感知技术进步是信息技术进步的体现,其前提是人们对运动视觉图像数字视频编解码技术的研发。一个运动视觉感知效果的优劣直接与数字视频编解码器的基础理论研究成果相对应。

  目前数字电影、数字电视、交互式个人智能终端等都离不开数字视频编解码技术。数字视频编解码技术不仅在影视、通讯、网络等多专业技术领域广泛应用,也容易地在个人消费电子产品终端上实现,而且这些设备上有可能同时实现多种数字视频信号的编解码应用。

  数字视频编解码技术领域的特点是种类繁多、多类型并存、新旧共存、研发成果日新月异。目前没有那种数字视频编解码技术可以替代其它所有的数字视频编解码技术。系统了解数字视频编解码技术是认识运动视觉感知技术现状及未来的很好途径,我们通过按数字视频编解码技术开发时间顺序及研发机构的分类来了解常见的数字视频编解码技术。

  1. H.261标准由ITU-T(ITU Telecommunication Standardization Sector中文:国际电信联盟远程通信标准化组)的前身CCITT(International consultative committee on telecommunications and Telegraph中文: 国际电报电话咨询委员会)下属T VCEG小组(Video Coding Experts Group中文:视频编码专家组)于1988起开发、ITU-T(VCEG)于1990制定的。H.261主要在老的视频会议和视频电话产品中使用,H.261是第一个使用的数字视频压缩国际标准。H.261标准使用混合编码框架,包括了基于运动补偿帧间预测。它使用了常见的YCbCr颜色空间,4:2:0的色度抽样格式,8位的抽样精度,16x16的宏块,分块的运动补偿,按8x8分块进行的离散余弦变换,量化,对量化系数的Zig-zag 扫描,run-level符号影射以及霍夫曼编码。H.261只支持逐行扫描视频输入。虽然H.261目前已很少使用。但它是视频编解码领域的鼻祖,之后的所有的标准视频编解码器都是基于它设计的。

  2. MPEG-1标准由ISO/IEC(International Organization for Standards / International Electro-Technical Commission中文:国际标准化组织/:国际电工委员会) 下属MPEG小组(moving pictures experts group中文:动态图像专家组)制定的第一个视频和音频有损压缩标准。MPEG-1(Part2)视频压缩算法,ISO / IEC(MPEG)于1990年定义完成MPEG-1视频编码标准。1992年底,MPEG-1(Part2)正式被制定为国际标准。其原来的主要目标是在音频CD(Compact Disc)光盘上记录图像,MPEG-1(Part2)视频压缩标准是VCD(Video Compact Disc)光盘的技术核心。有些在线视频也使用MPEG-1(Part2)这种格式。MPEG-1(Part2)编解码器的质量大致上和原有的VHS录像带相当, VCD应用约定MPEG-1(Part2)的分辨率约为352×240,数字视频信号编码使用固定的比特率(1.15Mbps)。虽然只要输入视频源的质量足够好,编码的码率足够高,MPEG-1(Part2)可获得更大的画幅尺寸、更高的运动视觉感知质量。但是考虑到要让所有商业化的VCD播放机有一个统一的技术标准及硬件处理能力的限制,规定高于1.15Mb/s的视频码率或者高于352x288的视频分辨率都不被单体的VCD播放机(包括一些DVD 播放机)使用。这样使得VCD在播放快速动作的视频时,由于数据量不足,令压缩时宏区块无法全面调整,视频画面出现模糊的方块。MPEG- 1(Part2)视频压缩算法具体实用在VCD时对运动视觉感知效果欠佳,这也许是VCD在发达国家未获成功的原因。而MPEG-1 Layer 3则是目前广泛使用的mp3音频压缩技术。如果考虑通用性的话,MPEG-1的视频/音频编解码器可以说是通用性最高的编解码器,几乎世界上所有的计算机都可以播放MPEG-1格式的文件。几乎所有的DVD机也支持VCD的播放。从技术上来讲,比起H.261标准,MPEG-1增加了对半像素运动补偿和双向运动预测帧。和H.261一样,MPEG-1只支持逐行扫描的视频输入。

  3. H.262视频压缩标准,是ITU-T(VCEG)于1994年升级H.261后制定的视频压缩标准,它与ISO / IEC(MPEG)制定的视频压缩标准MPEG-2(ISO/IEC13818-2)内容上相同,使用在DVD、SVCD和大多数数字视频广播系统和有线分布系统(cable distribution systems)中。当使用在标准DVD上时,它支持较高的图像质量和宽屏;当使用在SVCD时,它的质量不如DVD但是比VCD高出许多。MPEG- 2(ISO/IEC13818-2)也被使用在新一代DVD标准、HD-DVD 和 Blu-ray(蓝光光盘)上。从技术上来讲,比起MPEG-1,MPEG-2(ISO/IEC13818-2)最大的改进在于增加了对隔行扫描视频的支持。MPEG-2(ISO/IEC13818-2)虽然是一个相当老的视频编码,但是它具有很大的普及度和市场接受度。ISO / IEC(MPEG)原先打算开发MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3和MPEG-4四个版本,以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。继MPEG- 2之后打算开发的MPEG-3编码和压缩标准最初是为HDTV开发的编码和压缩标准,但由于MPEG-2已能适用于HDTV,使得原打算为HDTV设计的 MPEG-3,还没出世就被抛弃了。

  4. H.263视频压缩标准,制定于1995年,主要用在视频会议、视频电话和网络视频上。在对逐行扫描的视频源进行压缩的方面,H.263比它之前的视频编码标准在性能上有了较大的提升。尤其是在低码率端,它可以在保证一定质量的前提下大大的节约码率,对网络传输具有更好的支持功能。与之前的视频编码国际标准(H.261,MPEG-1和H.262/MPEG-2)比较H.263的性能有了革命性的提高。1998年增加了新的功能的第二版H.263+,或者叫H.263v2,与初始版比较H.263+显著的提高了编码效率并提供了其它的一些能力,在2000年又完成的第三版H.263++,即H.263v3 它是在H.263+的基础上增加了更多的新的功能。

  5. MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)于1999年初正式成为国际标准。有时候也被叫做“ASP”。 它们可以使用在网络传输、广播和媒体存储上。比起MPEG-2和第一版的H.263,它的压缩性能有所提高。MPEG4 MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)它是一个适用于低传输速率应用的方案。和之前的视频编码标准的主要不同点在于,MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)是第一个含有交互性的动态图像标准,它的另一个特点是其综合性。从根源上说,MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)可以将自然物体与人造物体在运动视觉感知上相溶合。MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)的设计目标还有更广的适应性和更灵活的可扩展性。它引入了H.263的技术和1/4像素的运动补偿技术。和MPEG-2一样,它同时支持逐行扫描和隔行扫描。

  6. H.264视频压缩标准和MPEG-4(ISO/IEC 14496-10)是相同的标准,MPEG-4(ISO/IEC 14496-10) 有时候也被叫做 MPEG-4 AVC 简称 “AVC”或“JVT” 。H.264/MPEG-4 AVC制定于2003年,是ISO / IEC(MPEG)和ITU-T(VCEG)合作完成的性能优异的视频编码标准,并且已经得到了非常广泛的应用。该标准引入了一系列新的能够大大提高压缩性能的技术,并能够同时在高码率端和低码率端大大超越以前的诸标准。已经使用H.264技术的产品包括例如索尼公司的PSP,Nero公司的Nero Digital产品套装,苹果公司的Mac OS X v10.4,以及新一代DVD标准HD-DVD和蓝光光盘(Blu-ray)等。在通信、计算机、广播电视等不同领域MPEG-4|/H264、AVC是目前的主流视频压缩标准。而MPEG-4|/H264、AVC出台的新专利许可政策被认为过于苛刻导致产业化推广遭遇困难。促使相关企业和部门竞相研发自己独立的视频压缩标准。又由于MPEG-4|/H264、AVC是一个公开的平台,各公司、机构均可以根据MPEG-4|/H264、AVC标准开发不同的制式,从而促使了众多视频编码标准的产生,以往市面上出现了很多基于MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)技术的视频格式,例如WMV 9、Quick Time、DivX、Xvid、3ivx等。以后缀*.avi, *.mp4, *.ogm 或者 *.mkv结尾的文件有一部分也是使用MPEG-4(ISO/IEC 14496-2)视频编解码器。

7. HEVC也非正式地称为H.265,H.NGVC,和MPEG-H(Part2),是一种视频压缩标准草案。HEVC标准是在H.264标准的基础上发展起来的,目前正在通过ISO / IEC(MPEG)和ITU-T(VCEG)联合开发。并且ISO / IEC(MPEG)和ITU-T(VCEG)成立了一个联合协作团队JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding中文:视频编码联合协作团队)共同开发HEVC标准。2012年6月MPEG LA宣布开始发放HEVC专利许可。2012年7月HEVC提交了国际标准草案,2013年1月HEVC最终草案有望被批准为新一代的国际标准。为便于高分辨率视频的压缩。HEVC将宏块的大小从由H.264的16x16扩展到了64x64,并采用灵活的块结构RQT(Residual Quad-tree Transform)及采样点自适应偏移(Sample Adaptive Offset)方式提升性能,虽然增加了算法难度,但减少了失真,提高压缩率,减

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关键字:视频编解码  技术回顾

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1009/article_19865.html
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