視頻編碼原理及淺析

索引基本概念視頻編碼原理

文件格式分析基本概念編解碼編解碼器（codec）指的是一個(gè)能夠?qū)σ粋€(gè)信號(hào)或者一個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行變換的設(shè)備或者程序封裝很多多媒體數(shù)據(jù)流需要同時(shí)包含音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，這時(shí)通常會(huì)加入一些用于音頻和視頻數(shù)據(jù)同步的元數(shù)據(jù)，例如字幕。這三種數(shù)據(jù)流可能會(huì)被不同的程序，進(jìn)程或者硬件處理，但是當(dāng)它們傳輸或者存儲(chǔ)的時(shí)候，這三種數(shù)據(jù)通常是被封裝在一起的。通常這種封裝是通過視頻文件格式來實(shí)現(xiàn)的，例如常見的*.mpg,*.avi,*.mov,*.mp4,*.rm,*.oggor*.tta.這些格式中有些只能使用某些編解碼器，而更多可以以容器的方式使用各種編解碼器。基本概念視頻編碼：視頻壓縮，是計(jì)算機(jī)處理視頻的前提。視頻信號(hào)數(shù)字化后數(shù)據(jù)帶寬很高，原始的720P約533Mbps。經(jīng)過H.264壓縮，帶寬可以降至5Mbps以下，甚至數(shù)百Kbps視頻編碼方案(標(biāo)準(zhǔn))有很多，主要的有MPEG系列(由ISO下屬的MPEG[運(yùn)動(dòng)圖象專家組]開發(fā))和H.26X系列(由ITU主導(dǎo)，側(cè)重網(wǎng)絡(luò)傳輸)。基本概念H.261:為ISDN設(shè)計(jì)，主要針對(duì)實(shí)時(shí)編碼和解碼設(shè)計(jì)，壓縮和解壓縮的信號(hào)延時(shí)不超過150ms，碼率px64kbps(p=1~30）。主要采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)、DCT變換、自適應(yīng)量化、熵編碼等壓縮技術(shù)。只有I幀和P幀，沒有B幀，運(yùn)動(dòng)估計(jì)精度只精確到像素級(jí)。支持QCIF和CIFH.263:甚低碼率的圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它一方面以H.261為基礎(chǔ)，以混合編碼為核心，其基本原理框圖和H.261十分相似，原始數(shù)據(jù)和碼流組織也相似；另一方面，H.263也吸收了MPEG等其它一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中有效、合理的部分，如：半像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、PB幀預(yù)測(cè)等，使它性能優(yōu)于H.261。碼率可小于64Kb/s，支持多種分辨率：SQCIF、QCIF、CIF、4CIF、16CIF。MPEG-1：主要針對(duì)SIF標(biāo)準(zhǔn)分辨率的圖像進(jìn)行壓縮，目標(biāo)碼率為1.5Mb/s。特點(diǎn)：1.隨機(jī)存取；2.快速正向/逆向搜索；3.逆向重播；4.容錯(cuò)性.基本概念MPEG-2：“21世紀(jì)的電視標(biāo)準(zhǔn)”，它在MPEG-1的基礎(chǔ)上作了許多重要的擴(kuò)展和改進(jìn)，但基本算法和MPEG-1相同。和MPEG-1向下兼容，主要針對(duì)存儲(chǔ)媒體、數(shù)字電視、高清晰等應(yīng)用領(lǐng)域，分辨率為：低（352x288），中（720x480），次高（1440x1080），高（1920x1080）。MPEG-4：相對(duì)于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有著顯著提高，在CIF（352*288）或者更高清晰度（768*576）情況下的視頻壓縮，無論從清晰度還是從存儲(chǔ)量上都比MPEG1具有更大的優(yōu)勢(shì)，也更適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。另外MPEG-4可以方便地動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率、比特率，以降低存儲(chǔ)量。設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，難以完全實(shí)現(xiàn)并且兼容，另外還有高昂的專利費(fèi)的問題。基本概念H.264/AVC：由ITU-T與MPEG聯(lián)合制定。它集中了以往標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，在壓縮編碼效率、視頻內(nèi)容自適應(yīng)處理能力方面及網(wǎng)絡(luò)層面，特別是對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)處理能力、抗干擾能力與頑健性等方面，相比H.263/MPEG-4均有大幅度提高。一般來說H.264的數(shù)據(jù)壓縮率在MPEG2的2倍以上、MPEG4的1.5倍以上。

專利費(fèi)：H.264廣播時(shí)基本不收費(fèi)；產(chǎn)品中嵌入H.264編/解碼器時(shí)，年產(chǎn)量10萬臺(tái)以下不收取費(fèi)，超過10萬臺(tái)每臺(tái)收取0.2美元，超過500萬臺(tái)每臺(tái)收取0.1美元。H.265HEVC.同H.264有ITUMEPG聯(lián)合定制.定義了34種幀內(nèi)預(yù)測(cè)方向(H.264位9種),更好的提高編碼性能.向高清晰度和高幀數(shù)高壓縮率方面更進(jìn)一步發(fā)展,清晰度達(dá)到了8K4K,幀數(shù)達(dá)到240FPS,壓縮率更是超越H.26470%左右.可以通過網(wǎng)絡(luò)更好的傳輸4K2K信號(hào).

專利費(fèi),內(nèi)容制造商需要支付其毛收入的0.5％作為專利費(fèi),設(shè)備制造商為每臺(tái)設(shè)備1.5美金.視頻編碼原理視頻編碼框架：H263、MPEG4、H264等編碼標(biāo)準(zhǔn)都基于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架在目前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)中，通常采用基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)域預(yù)測(cè)去除時(shí)間冗余，采用基于塊的變換編碼去除空間冗余，使用熵編碼去除前面兩步生成數(shù)據(jù)中的信息熵冗余。這三種主要技術(shù)的組合，再輔以若干增強(qiáng)編碼算法，就形成了基于塊的混合編碼框架。視頻編碼原理在基于塊的視頻編碼方法中，各個(gè)塊的編解碼是互相獨(dú)立的，由于預(yù)測(cè)、補(bǔ)償、變化、量化等引起塊與塊之間的邊界處會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)，因此新版H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)采用了環(huán)路內(nèi)去塊濾波器來解決每個(gè)16×16宏塊重建后的邊界扭曲問題。去塊效應(yīng)濾波有兩種方法：后處理去塊效應(yīng)濾波；環(huán)路內(nèi)去塊效應(yīng)濾波。H．264／AVC采用環(huán)路內(nèi)去塊效應(yīng)濾波（見上圖），即濾波后的幀作為后面預(yù)測(cè)的參考幀。與之前的H．263或MPEG的濾波器相比較，新版H．264標(biāo)準(zhǔn)采用的濾波器基于更小的4×4的基本宏塊，基本宏塊的邊界根據(jù)片級(jí)／宏塊級(jí)的特性與根據(jù)像素穿過濾波邊界的漸變度，對(duì)需要濾波的宏塊邊界進(jìn)行有條件的濾波。重建幀的每個(gè)像素都需要從外部存儲(chǔ)器中重調(diào)出來以進(jìn)行濾波處理或作為相鄰像素來判斷當(dāng)前像素是否需要進(jìn)行濾波。顯然，這些操作需要消耗巨大的存儲(chǔ)器帶寬，對(duì)像素值進(jìn)行修改。視頻編碼原理視頻合成：多個(gè)視頻源在YUV空間或RGB空間進(jìn)行像素的重新排列文件格式分析從工具中可以得知,視頻文件名為AVI但是實(shí)際采用H264編碼,那么在代碼中他會(huì)走H.264的處理模式這點(diǎn)是非常重要的,因?yàn)獒槍?duì)不同的編碼格式,程序會(huì)走不同的帶寬和解碼模式.針對(duì)一個(gè)視頻文件.我們舉例如下,分析工具為mediainfo30.avi為示例文件文件格式分析從工具中可以得知,視頻文件名為AVI但是實(shí)際