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什么是视频编解码技术的定义及原理

2016-05-09 15:40:45 来源:互联网

[摘要] 视频编解码技术的定义及原理 定义:编码是将一组字符转换为一个字节序列的过程。解码则是一个反向操作过程,即将一个编码字节序列转...

    视频编解码技术的定义及原理   



  定义:编码是将一组字符转换为一个字节序列的过程。解码则是一个反向操作过程,即将一个编码字节序列转换为一组字符。
  原理:视频是由一幅幅图像组成,所以视频的编解码首先要从图像的编解码开始。我们常见的电视图像是由多个光点组合而成,电视机利用R(红)、G(绿)、B(蓝)三色不同比例的混合来表示各种色彩,从而实现视频信号点对点的转化。然而在实际中,我们将RGB信号按一定比例组合成为Y(亮度)、色度(U、V)信号。RGB到YUV的转换关系为:Y=0.3R+0.59G+0.11B、U=B- Y、V=R-Y。由此转换关系可以看出,色度信号比亮度信号在水平和垂直方向各少传一半的传输量,这就是我们常说的4∶2∶2图像压缩格式。通过这次压缩实现了视频信号的数字化。当模拟信号数字化后其频带大大加宽,一路6MHz的普通电视信号数字化后,其数码率高达162MHz以上。因此未压缩的数字视频信号只能用于本地设备之间的数据交换,不适合传输和存储。只有采用数字压缩技术才能很好地解决传输带宽和存储空间被大量占用的难题。数字图像压缩技术就是利用视频图像在空间和时间上的冗余度很大的特性,将空间和时间中冗余的信息去除,只保留非相关信息进行传输,大大节省了传输频带。接受利用这些非相关信息,按照一定的解码算法,可以在保证一定图像质量的前提下恢复原始图像。这就是视频压缩编解码技术的原理。
  从信息论的观点来看,描述信源的数据是信息和数据冗余之和,即:数据=信息+数据冗余。数据冗余有许多种,如空间冗余、时间冗余、视觉冗余、统计冗余等。将图像作为一个信源,视频压缩编码的实质是减少图像中的冗余。
 
  H.26X系列视频编码国际标准 
 

  H.261 编码标准
  H.261是1990年ITU-T制定的一个视频编码标准,属于视频编解码器。采用了运动补偿预测和离散余弦变换相结合的混合编码方案,具有很好的压缩效果,是其他图像压缩标准的核心和基础,实质上说,之后的所有的标准视频编解码器都是基于它设计的。
  它解决了三个问题:第一,解决了编解码算法的问题。确立了一种合理的、保证图像质量的、为各通信编码专家所认可的统一算法;第二,解决了PCM标准的互换问题。中国和欧洲PCM一次群为2.048Mbit/s的码率,即32个时隙,而北美和日本采用1.544Mbit/s的一次群,即24个时隙。应用PCM信道传输时,编解码码率不一致。H.261 建议不涉及到PCM标准问题,编码器工作于64~1920Kbit/s的速率覆盖N-ISDN或PCM一次群的通道;第三,为编码器设定了一种公共的图像格式,解决了电视的PAL制与NTSC制的互通问题。两种制式的视频信号都能转变成公共中间格式(CIF),这样解决了收发端与电视制式无关的问题。

  H.261编码算法具有如下特点:
  (1)采用通用的中间格式(CIF);
  (2)图像按视频的整数倍速率抽取,与数字网络时钟同步;
  (3)视频编码器提供一组独立的数字比特流;
  (4) 采用混合编码算法,帧间预测用来降低图像信号的时间冗余度,而变换编码用于降低空间域的冗余度;
  (5)视频的编码速率从40kb/s到2Mb/s;
  (6)传输比特流包含BCH (511,493)前向纠错码。

  H.261的编解码算法,视频多路按这种算法结构组织视频复合编码,将同步信号、定址信息及其他信息加到视频信息中,并对视频数据做变字长编码、辅助信号压缩控制等进一步处理,最终达到适于传输的理想的视频信号。
  H.263 编码标准
       H.263是由ITU-T制定的视频会议用的低码率视频编码标准,属于视频编解码器。在H.261标准的基础上发展,其图像编码的核心算法仍然是H.261标准中采用的混合编码,但是H.263建议的是低码率下的图像传送,在技术上是H.261的改进和扩充,支持码率小于64Kbit/s的应用。实质上,H.263 以及后来的H.263+和H.263++已发展成为支持全码率应用的建议,支持众多图像格式,如SQCIF、QCIF、CIF、4CIF甚至16CIF等格式。改进后的H.263 标准下的图像效果在384K码率情况下比H.261标准的图像有了很大改善。 
  H.264 编码标准
       H.264是ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像编码专家组)的联合视频组(JVT)开发的一个新的数字视频编码标准。H.264 和以前的标准一样,也是DPCM加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计,不用众多的选项,获得比H.263好得多的压缩性能。加强了对各种信道的适应能力,采用“ 网络友好 ”的结构和语法,有利于对误码和丢包的处理。应用目标范围较宽,以满足不同速率、不同解析度以及不同传输(存储)场合的需求。在技术上,H.264标准中有多个闪光之处,如统一的VLC符号编码,高精度、多模式的位移估计,基于4×4块的整数变换、 分层的编码语法等。这些措施使H.264算法具有很高的编码效率,在相同的重建图像质量下,能够比H.263节约50%左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强,增加了差错恢复能力,能够很好地适应IP和无线网络的应用。

  H.265编码标准
       H.265是ITU-T VCEG 继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264,保留原来的某些技术,同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系,达到最优化设置。具体的研究内容包括:提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H.264由于算法优化,可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送;H.265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280*720)普通高清音视频传送。
  H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似,但在HEVC编码架构中,整体被分为了三个基本单位,分别是:编码单位(coding unit,CU)、预测单位(predict unit,PU) 和转换单位(transform unit,TU )。在编码单位上可以选择从最小的8x8到最大的64x64。相比于H.264,在相同的图象质量下,通过H.265编码的视频大小将减少大约39-44%;在码率减少51-74%的情况下,H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好,其本质上说是比预期的信噪比(PSNR)要好。
 
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