數(shù)字音視頻壓縮編碼標準及H.265的編碼優(yōu)勢

在制定數(shù)字音視頻壓縮編碼標準的過程中，聯(lián)合圖像專家組(Joint Photographic Experts Group, JPEG)、動態(tài)圖像專家組(Moving Pictures Experts Group, MPEG)和視頻編碼專家組(Video Coding ExpertGroup, VCEG)發(fā)揮了至關重要的推動作用。下面介紹下數(shù)字音視頻壓縮編碼都有哪些標準。

1、MJPEG和MJPEG2000系列

JPEG是在國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)和國際電話電報咨詢委員會(Consultation Committee of the International Telephone and Telegraph,CCITT)內(nèi)運作的一個工作組。在視頻壓縮方面,JPEG先后編制了MJPEG和MJPEG2000。MJPEG是在JPEG基礎發(fā)展起來的動態(tài)圖像壓縮技術,它只單獨地對某一幀進行壓縮。而基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化。使用該技術可獲取清晰度很高的視頻圖像,而且可靈活設置每路的視頻清晰度和壓縮幀數(shù)。其壓縮后的畫面還可被任意剪接。同樣格式的MJPEG視頻壓縮不同于幀間壓縮,因為壓縮比特率比較低,所以編碼與解碼相對比較容易,并不需要過多的運算能力,也使得軟件或者芯片可以十分容易地對MJPEG進行編輯。正因為此,一些移動設備,如數(shù)碼相機使用MJPEG來進行短片的編碼。但其缺陷也非常明顯:其一,丟幀現(xiàn)象嚴重、實時性差,在保證每路都必須是高清晰的前提下,很難完成實時壓縮;其二,壓縮效率低,占用存儲空間較大。

MJPEG 2000是JPEG 2000標準中的第三部分,它是在標準中第一部分的基礎上對運動圖像進行編解碼的壓縮標準。MJPEG 2000是一種針對圖像序列的標準,在一個單獨編解碼器中同時支持無損和有損壓縮。它允許一個或多個JPEG 2000壓縮圖像序列與聲音、元數(shù)據(jù)同步后,存儲為MJ2的文件格式。

2.MPEG系列

MPEG-1是MPEG制定的第一個視頻和音頻有損壓縮標準，也是最早推出及應用在市場上的MPEG技術,其原來的主要目標是在CD光盤上記錄影像，后來被廣泛應用在VCD光盤中。1992年年底，MPEG-1正式被批準成為國際標準。MPEG-1可針對標準圖像格式(Standard Image Format,SIF)的標準分辨率(對于NTSC制式為352x240;對于PAL制式為352x288)的圖像進行壓縮,傳輸速率為1.5Mb/s,每秒播放30幀,具有CD音質(zhì),質(zhì)量級別基本與家用錄像系統(tǒng)(Video Home System,VHS)相當。MPEG-1的編碼速率最高可達4~5Mb/s,但隨著速率的提高,其解碼后的圖像質(zhì)量有所降低。

MPEG-2制定于1994年，其設計目標是提供高級工業(yè)標準的圖像以及更高的傳輸率。它是為HDTV和DVD等制定的3~10Mb/s的運動圖像及其伴音的編碼標準。MPEG-2技術的主要特點包括:同時支持隔行掃描輸入和逐行掃描輸入;提供一個較廣的范圍改變壓縮比,以適應不同畫面質(zhì)量、存儲容量以及帶寬的要求。MPEG-2根據(jù)視頻編碼技術的復雜度,將各類應用劃分為不同的檔次(profile)和級別(level),檔次和級別的概念解決了比特流的可交換性和國際性。MPEG-2增加了可分級編碼特性,允許從一個編碼數(shù)據(jù)流中得到不同質(zhì)量等級或不同時空分辨率的視頻信號。

MPEG-4于2000年年初正式成為國際標準。MPEG-4的設計目標就是提供低比特率下的多媒體通信。MPEG-4與之前的標準相比更適于交互AVS服務以及遠程監(jiān)控,更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。MPEG-4的壓縮方法可以根據(jù)應用需求選取合適的算法進行系統(tǒng)裁剪。

MPEG-7設計的目的就是解決海量的圖像和聲音信息與快速檢索之間的矛盾。MPEG-7被稱為多媒體內(nèi)容描述接口,其目標就是產(chǎn)生一種描述多媒體內(nèi)容數(shù)據(jù)的標準,滿足實時、非實時以及推拉應用的需求。MPEG-7擴展了現(xiàn)有標識內(nèi)容的專用方案及相關功能，包含了更多的多媒體數(shù)據(jù)類型。

MPEG-21設計的目標是將不同的協(xié)議、標準和技術等有機地融合在一起,同時制定新的標準。MPEG-21致力于為多媒體傳輸和使用定義一個標準化的、可互操作的和高度自動化的開放框架。MPEG-21的基本框架要素包括數(shù)字項目的識別和描述、內(nèi)容表示、數(shù)字項目說明、內(nèi)容管理與使用、知識產(chǎn)權管理和保護、終端、網(wǎng)絡和事件報告等部分。

3.H.26x系列

H.261是VCEG制定的一個視頻編碼標準,屬于視頻編解碼器部分。H.261是第一個實用的數(shù)字視頻編碼標準。其設計的目的是在帶寬為64Kb/s的綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)上傳輸質(zhì)量可靠的視頻信號。H.261使用了混合編碼框架。H.261僅對與兼容性有關的碼元語法、碼元復用、解碼過程等做了嚴格的限制性規(guī)定,而對復原圖像質(zhì)量指標有重要影響但不影響兼容性的部分未做限制性規(guī)定，給開發(fā)者、廠商和用戶提供了很大的應用空間。

H.263是VC++EG的一個標準草案,是為低碼流通信而設計的。它提供了4種可選的編碼算法:無限制的運動矢量模式、先進預測模式、PB幀模式和基于語義的算術預測模式。H.263+是H.263的第二個版本。H.263+提供了12個新的可協(xié)商模式和其他功能,如高級幀內(nèi)編碼、去塊效應濾波、參考幀選擇、SNR/時域/空域可分級性等，進一步提高了壓縮編碼性能。H.263+允許使用更多的源格式，對于圖像時鐘頻率也有多種選擇，拓寬了應用范圍;另-重要的改進是可擴展性,它允許多設置速率及多分辨率,增強了視頻信息在易誤碼、易包異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下的傳輸,并且還允許在碼流內(nèi)加入許多附加的信息，大大方便了用戶的操作。H.263C++是H.263的第三版本,H.263C++在視頻流的抗誤碼方面增加了不少功能,增加了可逆VLC編碼和基于數(shù)據(jù)分類的抗誤碼組合,同時擴展了參考幀選擇模式;增強了抗誤碼系統(tǒng)的健壯性。

H.26L設計目的是對多種圖像信源實現(xiàn)低比特率、實時和低延遲的視頻編碼。H.26L是H.264的雛形。H.264同時也是MPEG-4中的第十部分。H.264作為新一代視頻壓縮算法，吸收了以往各種編碼方案特別是MPEG-2和H.263C++的優(yōu)點，并在語法結(jié)構(gòu)、編碼預測算法、數(shù)據(jù)變換輸出方式等方面進行了很多改進,其性能得到了很大的提高。其編解碼流程主要包括5個部分:幀間和幀內(nèi)預測、變換和反交換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼。H.264具有低碼流、高質(zhì)量的圖像、容錯能力強、網(wǎng)絡適應性強等特點。

作為新一代視頻編碼標準，HEVC(H.265)仍然屬于 "預測加變換"的混合編碼框架。然而，相對于H.264, H.265 在很多方面有了革命性的變化。

靈活的編碼結(jié)構(gòu)

在H.265中，將宏塊的大小從H.264的16X16擴展到了64X64,以便于對高分辨率視頻格式的壓縮。同時，采用了更加靈活的編碼結(jié)構(gòu)來提高編碼效率，包括編碼單元、預測單元何變換單元。

靈活的塊結(jié)構(gòu)—RQT

RQT(Residual Quad-tree Transform)是一種自適應的變換技術，這種思想是對H.264/AVC中ABT(Adaptive Block-size Transform)技術的延伸和擴展。對于幀間編碼來說，它允許變換塊的大小根據(jù)運動補償塊的大小進行自適應的調(diào)整；對于幀內(nèi)編碼來說，它允許變換塊的大小根據(jù)幀內(nèi)預測殘差的特性進行自適應地調(diào)整。

大塊的變換相對于小塊的變換，一方面能夠提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的圖像細節(jié)，但是另一方面在量化后卻會帶來更多的振鈴效應。 因此，根據(jù)當前塊信號的特性，自適應地選擇變換塊大小。

采樣點自適應偏移

SAO(Sample Adaptive Offset)在編解碼環(huán)路內(nèi)，位于Deblock 之后，通過對重建圖像的分類，對每一類圖像像素值加減一個偏移， 達到減少失真的目的，從而提高壓縮率、減少碼流。采用SAO后，平均可以減少2%~6%的碼流，而編碼器和解碼器的性能消耗僅增加了約2%。

自適應環(huán)路濾波

ALF(Adaptive Loop Filter)在編解碼環(huán)路內(nèi)，位于Deblock和SAO之后，用于恢復重建圖像以達到重建圖像與原始圖像之間的均方差(MSE)最小。ALF 的系數(shù)是在幀級計算和傳輸?shù)?，可以整幀應用ALF,也可以對于基于塊或基于量化樹（Quadtree)的部分區(qū)域進行ALF,如果是基于部分區(qū)域的ALF,還必須傳遞指示區(qū)域信息的附加信息。

并行化設計

當前芯片架構(gòu)已經(jīng)從單核性能逐漸往多核并行方向發(fā)展，因此為了適應并行化程度非常高的芯片實現(xiàn)，HEVC/H265引入了很多并行運算的優(yōu)化思路，克服了H.264的缺陷。

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