视频压缩编码技术的发展及应用

摘要：随着多媒体信息的数字化，视频数据量越来越大。在此基础上文章对视频压缩编码技术的产生背景、编码的基本原理以及压缩方法的分类进行了研究，并对国内外视频编码标准发展现状进行了分析，最后，预测了视频应用的未来发展趋势。

关键词：视频压缩；编码标准；发展现状；视频应用

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）24-5532-03

在通信技术飞速发展的今天，多媒体已经融入到了人们的生活工作当中。随着视频从模拟到数字化的转变，同时人们也对视频质量的清晰度、流畅度、实时度的要求越来越高，视频压缩技术成为解决此问题的一个重要环节。数字化的视频信息数据量巨大，且会占用极大的存储空间和信道带宽，制约视频通信行业的扩展。在带宽受限的信道中，采用压缩编码技术减少传输数据量，是提高通信速度的重要手段。从目前多媒体通信的现状、未来的发展趋势来看，接下来在相当长的时间内，以压缩形式存储和传输数字化的视频信息仍将是唯一的途径。

1 视频压缩编码的基本原理

1948年，Oliver提出了第一个编码理论——脉冲编码调制（Pulse Coding Modulation，PCM）；同年，香农在其经典论文“通信的数学原理”中首次提出并建立了信息率失真函数概念；1959年，香农进一步确立了码率失真理论[1]。这些概念的出现奠定了信息编码的理论基础。

数据压缩编码的基本思想是在保证视觉效果的前提下，尽可能的减少视频数据的相关性，也就是说去除冗余信息。所谓的视频数据冗余信息主要是针对空间、时间以及视觉上的冗余，视频压缩实质上就是减少这些冗余量，从而以最小的码元包含最大的信息。对原始数据变换、量化、熵编码，消除视频数据的冗余，达到压缩的目的，图1所示为视频编码原理图。

2 视频压缩方法分类

2.1 根据是否产生失真分为无损压缩和有损压缩

无损压缩，顾名思义就是压缩后的数据在解压后与原始数据完全一致，是一种可逆压缩。根据目前的压缩技术水平，无损压缩可以将数据信息压缩到原来数据的1/2～1/4。常用的无损压缩算法有游程编码（Run-Length Encoding，RLE）算法、哈夫曼（Huffman）算法以及LZW（Lenpel-Ziv-Welsh）算法。

有损压缩是指解压后的数据与压缩前的数据不完全一致，意味着在压缩过程中丢失了一些人眼不敏感的信息，是不可逆的。压缩比越高，丢失的信息就越多。目前，几乎所有的高速压缩算法都是采用的有损压缩来降低数据率。

2.2 根据压缩原理分为预测编码、变换编码、统计编码、分析—合成编码、混合编码等

分析—合成编码主要是根据基元以及特征参数进行编码，而混合编码则是利用各种编码的压缩特性混合编码，在压缩效率、压缩比以及保真度之间寻求最佳平衡。预测编码、变换编码、统计编码如表1所示。

3 视频编码标准的发展现状

现今世界上的视频编解码标准主要来源于两个国际组织：国际电信联合会（International Telecommunications Union，ITU，简称国际电联）和国际标准化组织（ISO）。视频传输中最为重要的编码标准有两套：MPEG制定的MPEG-1、MPEG-2、（MPEG-3）、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21等系列音/视频编码标准，统称为MPEG-X标准，主要应用于广播电视、视频存储、Internet或无线网上的流媒体等。ITU-T制定的H.261、H.262、H.263、H.264标准，统称为H.26X标准，主要应用于实时视频通信领域，如可视电话、视频会议、多媒体网络等。

时至今日，视频编码标准的发展可以分为三个阶段：第一代视频编码标准，主要有H.261、H.262、MPEG-1、MPEG-2，能够把原来的视频数据压缩到1/75；新一代视频编码标准，主要有H.264、MPEG-4、AVS，能够把原来的视频压缩到1/150；下一代视频编码标准——H.265/HEVC，大概能把数据压缩到1/300。如图2所示为视频编码标准的一个简要发展历程。

目前，在视频行业广泛采用的压缩和传输标准是2003年推出的H.264，在视频编码标准朝着高清晰度、低码率的方向发展进程中，H.264在过去的九年中占据着统帅的地位，但是，在未来的五年甚至是十年内，H.265将会掀起引领超高清时代的潮流，它的出现是时代的召唤。

2012年8月刚刚通过草案的H.265，于2013年1月25日就获得了国际电联的批准，H.265不仅在码流、算法、编码质量上进行了改善及优化，而且同时支持4K（4096×2160）和8K（8192×4320）超高清视频。

2013年3月30日，新版本迅雷看看（4.9.7.1511及以上版本）独家首发H.265标准的高清视频内容，如图3所示，提供了近十余部的H.264和H.265片段体验，成为了目前市场上视频画面质量最高清的平台。如图4所示，为电影《变形金刚3》H.264和H.265片段体验效果对比图，可以看出，H265标准下的画面效果更流畅、更高清。此次高清视频内容体验，势必会对整个视频行业在互联网应用中以及视频压缩编码技术上引起一场巨大的变革。

4 我国视频压缩编码标准的发展现状

AVS标准是具有我国自主知识产权的编码标准，是一套包含系统、视频、音频、媒体版权管理在内的完整标准体系。其编码效率比MPEG-2高2～3倍，与H.264相当，但其算法复杂度比H.264低30%，达到了新一代编码标准的最高水平，主要面向高清晰度电视广播和数字存储媒体。2013年6月，AVS视频编码标准已经成为了IEEE标准，标准号为IEEE 1857。AVS标准的逐步完善与发展应用，成为了标志着我国在视频压缩编码领域从跟踪国际到自主创新再到国际推广的里程碑。

2012年7月10日，原国家广电总局正式颁布了AVS+行业标准，满足了公众对高清电视、3D电视等广播文化的新需求。2013年3月18日，具有我国自主产权AVS+标准的3D节目已经上星试播，带给用户更好的3D视觉体验，如图5所示。

2013年被定义为“AVS大规模产业化的元年”。在今后推出的3D频道将会采用AVS+标准制作所有3D电视节目。随着时间的推移，我国卫星传输高清频道与地面高清频道将全部采用AVS+。AVS+的下一代编码标准AVS2将于年底12月定稿。AVS标准的发展，意味着我国视频编码标准的逐步数显规模化与完善化，朝着由“中国制造”到“中国创造”再到“中国模式”的方向发展。

5 总结

视频压缩编码技术的产生与日趋完善是近10的结晶，在信息时代的发展下，两大编码标准技术逐步趋向于融合，共同推动视频监控日益数字化、网络化。同时，由于各种终端处理能力以及互联网的崛起、三网融合趋势的加强，人们的生存环境变得越来越数字化，对视频应用的要求不断集中于向高清晰度、高帧率、高压缩率的方向发展，使得高清、3D、无线移动已经成为视频应用的主流趋势。我国在面对这飞速发展的时代时，具有自主知识产权的编码标准的制定，标志着我国视频应用必将会走向3D、高清、超高清时代，为人类呈现更丰富的视觉盛宴。

参考文献：

[1] 邱锦波.基于DSP的视频编码系统设计与关键技术研究[D].华中科技大学，2002.

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[5] Nam Ling.High Efficiency Video Coding and its 3D extension： A research perspective[J].IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications（ICIEA），2012：2150-2155.

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