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视频压缩编码技术的发展历史及现状

人气:发表时间:2018-5-19 15:14:18 【

在不断的实践中,人们发现人眼对许多视频和音频中所包含的一部分信息不是很敏感。如果将这些信息,也就是视觉冗余去掉,可以实现对视频的大幅有损压缩,基于该理论,也产生了大量优秀的音频视频压缩算法。例如预测编码、变换编码、基于模型编码、分形编码等。所以说压缩编码的发展实际上是以香农信息论为基础的一个不断完善的过程。

视频压缩技术.JPG

如今,视频压缩技术的应用非常广泛,如网上可视电话、远程教育、远程医疗、视频会议、视频点播、视频电子邮件、数字图书馆、交互式视频游戏等,对整个信息产业的发展起到了巨大的推动作用。以上所有的应用都需要经过压缩才能实现,为此,国际电信联盟和国际标准化组织等几大标准化组织,指定一系列静止和活动图像编码的国际标准。概况来说,国际音视频压缩标准的发展主要经过了H.261、MPEG-1、MPEG-2、H.263、H.263+、MPEG-4、H.264/AVC。

视频压缩技术3.JPG

(一)H.261

H.261是第一个正式发布的数字视频压缩编码标准,它充分利用了当时三大主流视频压缩编码技术——预测编码,变换编码和统计编码的特点。能在很低的传输速率下(64Kb/s~2Mb/s)传送较高质量的图像和语音;能够实现双向通信;能兼容不同制式的图像终端。标准采用的技术主要包括运动补偿、环路滤波、DCT变换与量化、自适应量化、熵编码等。该标准运动估计的精度只精确到整像素,只包括I帧和P帧,不包括双向预测的B帧。支持的两种图像格式分别为:CIF和QCIF。H.261标准的制定不仅吸引了大批视频编码技术领域的专家,广大工业界也积极投入。至今H.261还在ISDN的会议电视和可视电话领域广泛应用。

(二)MPEG-1

MPEG-1标准于1993年正式发布,其主要应用是针对当时出现的新型存储媒体介质CD-ROM而进行设计的。传出码率为1Mb/s~1.5Mb/s,其中1.5Mb/s是当时CD-ROM播放设备的访问速度;能适应多种网络,如ISDN、局域网等通信网络;能满足各种实时和非实时的系统要求。MPEG-1在借鉴了H.261所建立的混合编码体系的基础上,同时使用了帧内及帧间压缩技术,采用了双向预测、离散余弦变换、基于块的运动补偿等技术,提高了系统的压缩性能。MPEG-1采用的帧间压缩算法基于预测法和插补法,减少时间冗余信息;而帧内压缩算法法则采用DCT的变换编码,从而减少空间冗余信息。

(三)MPEG-2

MPEG-1标准于1994年正式发布,可以视为MPEG-1标准的扩展和延续,其设计的目标是电视演播室以及标准清晰度电视和高清晰度电视广播。传出码率即支持4Mb/s~8Mb/s的标准清晰度电视系统,又支持10Mb/s~15Mb/s的高清晰度电视系统。MPEG-2提出了一种类(profile)和级(level)的组合方式。具有信道自适应特点的可分级编码技术也纳入标准之中。该标准主要应用于数字广播、ATM网络传输等不同信道的视频码流传输。

(四)H.263

H.263标准制定于1996年,是面向公用电话交换网和移动环境下的视频压缩编码标准,适合于低码率的图像编码,能应用于码率小于64kbit/s的场合。该标准。基本的编解码流程与H.261类似,它是以H.261为基础进行的扩展,采用了混合编码方式。另外,H.263也参考了MPEG等其它标准中的合理部分,例如B帧双向预测、基于半像素精度的运动估计等,从而表现出良好的性能。H.263与H.261最大的区别在于面向的应用目标码率不同。

(五)H.263+

ITU-T在1998年1月通过了H.263的第二版,也称为H.263+,它是在原H.263标准基础上,修正了其中的无限制运动矢量模式,并增加了十二个高级模式。H.263+在预测编码技术上的改进主要包括:改进的PB帧模式、无限制运动矢量模式、先去除块效应滤波模式、进帧内编码模式、参考图像再取样模式等。一方面H.263,以及后来的H.263++是H.263标准的改进个完善,另一方面,它也由H.263向新一代视频压缩编码标准H.264的过渡。

(六)MPEG-4

1999年推出的MPEG-4标准是一个具有开放性的面向多种应用的标准。它既能够支持广播级的视频应用,也能够支持低码率的视频应用。而MPEG-4比MPEG-2更先进的其中一个特点,就是不再使用宏区块做图像分析,而是以图像上个体为变化记录,而且MPEG-4标准中采用了视听对象(AVO:Audio-VisualObject)来表示听觉、视觉或者视听组合的内容。这样的设计方式使得系统具有更大的灵活性,大大提高了视频通信的编码效率和交互能力。与此同时,MPEG-4中还增加了一些新的技术,例如:基于内容的可分级性操作;形状编码和自适应DCT(SA-DCT)技术以支持任意形状对象编码[9];提供了传输多媒体集成框架(DMIF)应用接口;在其音、视频表示规范中参考了信道特性。而且MPEG-4是一个公开的平台,各公司、机构均可以根据MPEG-4标准开发不同的制式,因此市场上出现了很多基于MPEG-4技术的视频格式,例如WMV9、QuickTime、DivX、Xvid等。

视频压缩技术1.JPG

(七)H.264/AVC

H.264是在2003年3月,由TIU-T和ISO/IEC共同制定的新视频编码国际标准,官方的名称分别为ITU-TH.264和ISO/IECMPEG-4AVC或者ISO/IECMPEG-4Part10。H.264标准设计的一个重要目的,就是为了实现压缩视频数据对网络传输的适应性。H.264与以前的标准一样,也是采用DPCM和变换编码的混合编码模式。但它的设计简洁,不需要众多的选项,获得了比H.263++更好的压缩性能;其基本的系统具有开放性,使用不需要版权。

H.264代表了当前最先进的视频压缩技术,具有非常优异的压缩性能。在技术上,H.264标准中又采用了许多新方法,例如高精度、多模式的位移估计,统一的VLC符号编码(CAVLC或CABAC),分层的编码语法,基于4×4块的整数变换等。这些方法显著提高了H.264算法的编码效率,在相同的重建图像质量下,能够比H.263节约50%左右的码率。

视频压缩技术2.JPG

用户采用H.264压缩技术将节省许多下载时间和数据流量收费,同时能得到连续、流畅的高质量图像。H.264的码流结构网络具有非常强的适应性,采用了独特的分层结构,增加了差错恢复能力,并包含能够处理当网络环境不稳定时易引起的丢包等错误的非常必要的工具,能够很好地适应IP和无线网络的应用[10]。综合上述这些特性,使得H.264比起以前的视频编解码能够带来性能上显著的提高,并在各种不同的环境下达成更广泛的应用。包括可视电话、实时视频会议系统、视频监控系统、因特网视频传输以及多媒体信息存储等。可以说,当前所有的视频应用,都可以通过H.264获得高质量的实现,例如数字电视广播、高清电视、在线视频的存储和点播、3G视频电话等。H.264的广泛应用,能够促进网络带宽的升级;数字电视和IPTV的快速发展及其节目质量的提高;视频监控的高清化;蓝光DVD及上下游硬件设备如硬盘、光盘的发展等等。

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