視頻編碼的基本原理

視頻編碼的基本原理

視頻圖像數(shù)據(jù)有極強(qiáng)的相關(guān)性，也就是說(shuō)有大量的冗余信息。其中冗余信息

可分為空域冗余信息和時(shí)域冗余信息。壓縮技術(shù)就是將數(shù)據(jù)中的冗余信息去掉

（去除數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性），壓縮技術(shù)包含幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、幀間圖像數(shù)

據(jù)壓縮技術(shù)和熵編碼壓縮技術(shù)。去時(shí)域冗余信息

使用幀間編碼技術(shù)可去除時(shí)域冗余信息，它包括以下三部分：－運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是通過(guò)先前的局部圖像來(lái)預(yù)測(cè)、補(bǔ)償當(dāng)前的局部圖像，它是減少幀序列冗余信息的有效方法。－運(yùn)動(dòng)表示

不同區(qū)域的圖像需要使用不同的運(yùn)動(dòng)矢量來(lái)描述運(yùn)動(dòng)信息。運(yùn)動(dòng)矢量通過(guò)熵

編碼進(jìn)行壓縮。－運(yùn)動(dòng)估計(jì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)是從視頻序列中抽取運(yùn)動(dòng)信息的一整套技術(shù)。注：通用的壓縮標(biāo)準(zhǔn)都使用基于塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。去空域冗余信息

主要使用幀間編碼技術(shù)和熵編碼技術(shù)：－變換編碼

幀內(nèi)圖像和預(yù)測(cè)差分信號(hào)都有很高的空域冗余信息。變換編碼將空域信號(hào)變

換到另一正交矢量空間，使其相關(guān)性下降，數(shù)據(jù)冗余度減小。－量化編碼

經(jīng)過(guò)變換編碼后，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行量化，使編碼器的輸

出達(dá)到一定的位率。這一過(guò)程導(dǎo)致精度的降低。－熵編碼

熵編碼是無(wú)損編碼。它對(duì)變換、量化后得到的系數(shù)和運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)行進(jìn)一步

的壓縮。視頻編碼的基本框架（圖）國(guó)際音視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程H.261H.261標(biāo)準(zhǔn)是為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(guò)150ms,碼率px64kbps(p=1?30)。H.261標(biāo)準(zhǔn)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(méi)有B幀，運(yùn)動(dòng)估計(jì)精度只精確到像素級(jí)。支持兩種圖像掃描格式：QCIF和CIF。H.263H.263標(biāo)準(zhǔn)是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,女如半像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、PB幀預(yù)測(cè)等，使它性能優(yōu)于H.261。H.263使用的位率可小于64Kb/s，且傳輸比特率可不固定(變碼率)。H.263

支持多種分辨率：SQCIF(128x96)、QCIF、CIF、4CIF、16CIF。與H.261和H.263相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與H.261有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.320：窄帶可視電話系統(tǒng)和終端設(shè)備；H.221：視聽(tīng)電信業(yè)務(wù)中64~1920Kb/s信道的幀結(jié)構(gòu)；H.230：視聽(tīng)系統(tǒng)的幀同步控制和指示信號(hào)；H.242:使用直到2Mb/s數(shù)字信道的視聽(tīng)終端的系統(tǒng)。與H.263有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.324：甚低碼率多媒體通信終端設(shè)備；H.223：甚低碼率多媒體通信復(fù)合協(xié)議；H.245：多媒體通信控制協(xié)議；G.723.1.1：傳輸速率為5.3Kb/s和6.3Kb/s的語(yǔ)音編碼器。JPEG國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1986年成立了JPEG(JointPhotographicExpertGroup)聯(lián)

合圖片專家小組，主要致力于制定連續(xù)色調(diào)、多級(jí)灰度、靜態(tài)圖像的數(shù)字圖像壓

縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。常用的基于離散余弦變換(DCT)的編碼方法，是JPEG算法的核心

內(nèi)容。MPEG-1/2MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)字存儲(chǔ)體上活動(dòng)圖像及其伴音的編碼，其數(shù)碼率為1.5Mb/s。MPEG-1的視頻原理框圖和H.261的相似。MPEG-1視頻壓縮技術(shù)的特點(diǎn)：1.隨機(jī)存??；2.快速正向/逆向搜索；3.逆向重

播；4.視聽(tīng)同步；5.容錯(cuò)性；6.編/解碼延遲。MPEG-1視頻壓縮策略：為了提高壓

縮比，幀內(nèi)/幀間圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須同時(shí)使用。幀內(nèi)壓縮算法與JPEG壓縮算

法大致相同，采用基于DCT的變換編碼技術(shù)，用以減少空域冗余信息。幀間壓

縮算法，采用預(yù)測(cè)法和插補(bǔ)法。預(yù)測(cè)誤差可在通過(guò)DCT變換編碼處理，進(jìn)一步

壓縮。幀間編碼技術(shù)可減少時(shí)間軸方向的冗余信息。MPEG-2被稱為“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。MPEG-4MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)并非是MPEG-2的替代品，它著眼于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。MPEG-

4的制定初衷王要針對(duì)視頻會(huì)議、可視電話超低比特率壓縮（小于64Kb/s）的需

求。在制定過(guò)程中，MPEG組織深深感受到人們對(duì)媒體信息，特別是對(duì)視頻信息

的需求由播放型轉(zhuǎn)向基于內(nèi)容的訪問(wèn)、檢索和操作。MPEG-4與前面提到的JPEG、MPEG-1/2有很大的不同，它為多媒體數(shù)據(jù)壓

縮編碼提供了更為廣闊的平臺(tái)，它定義的是一種格式、一種框架，而不是具體算

法，它希望建立一種更自由的通信與開(kāi)發(fā)環(huán)境。于是MPEG-4新的目標(biāo)就是定

義為：支持多種多媒體的應(yīng)用，特別是多媒體信息基于內(nèi)容的檢索和訪問(wèn)，可根

據(jù)不同的應(yīng)用需求，現(xiàn)場(chǎng)配置解碼器。編碼系統(tǒng)也是開(kāi)放的，可隨時(shí)加入新的有

效的算法模塊。應(yīng)用范圍包括實(shí)時(shí)視聽(tīng)通信、多媒體通信、遠(yuǎn)地監(jiān)測(cè)/監(jiān)視、VO

D、家庭購(gòu)物/娛樂(lè)等。JVT：新一代的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)JVT是由ISO/IECMPEG和ITU-TVCEG成立的聯(lián)合視頻工作組（JointVideoTeam），致力于新一代數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的制定。JVT標(biāo)準(zhǔn)在ISO/IEC中的正式名稱為：MPEG-4AVC（part10）標(biāo)準(zhǔn);在ITU-T

中的名稱:H.264（早期被稱為H.26L）H264/AVCH264集中了以往標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并吸收了以往標(biāo)準(zhǔn)制定中積累的經(jīng)驗(yàn),采用簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，使它比MPEG4更容易推廣。H.264創(chuàng)造性了多參考幀、多塊類型、整數(shù)變換、幀內(nèi)預(yù)測(cè)等新的壓縮技術(shù)，使用了更精細(xì)的分象素運(yùn)動(dòng)矢量（1/4、1/8）和新一代的環(huán)路濾波器，使得壓縮性能大大提高，系統(tǒng)更加完善。H.264王要有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：-高效壓縮：與H.263+和MPEG4SP相比，減小50%比特率－延時(shí)約束方面有很好的柔韌性-容錯(cuò)能力-編/解碼的復(fù)雜性可伸縮性-解碼全部細(xì)節(jié)：沒(méi)有不匹配－高質(zhì)量應(yīng)用

－網(wǎng)絡(luò)友善監(jiān)控中的視頻編碼技術(shù)目前監(jiān)控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術(shù)。對(duì)于最終用戶來(lái)言他最為關(guān)心的主要有：清晰度、存儲(chǔ)量(帶寬)、穩(wěn)定性還有價(jià)格。采用不同的壓縮技術(shù)，將很大程度影響以上幾大要素。MJPEGMJPEG(MotionJPEG)壓縮技術(shù)，主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來(lái)的技

術(shù)，它的主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨(dú)對(duì)某一幀進(jìn)

行壓縮。MJPEG壓縮技術(shù)可以獲取清晰度很高的視頻圖像，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率、分辨

率。但由于沒(méi)有考慮到幀間變化，造成大量冗余信息被重復(fù)存儲(chǔ)，因此單幀視頻

的占用空間較大，目前流行的MJPEG技術(shù)最好的也只能做到3K字節(jié)/幀，通常

要8~20K！MPEG-1/2MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)SIF標(biāo)準(zhǔn)分辨率(NTSC制為352X240;PAL制為352X2

88)的圖像進(jìn)行壓縮?壓縮位率主要目標(biāo)為1.5Mb/s較MJPEG技術(shù),MPEG1在實(shí)

時(shí)壓縮、每幀數(shù)據(jù)量、處理速度上有顯著的提高。但MPEG1也有較多不利地方:

存儲(chǔ)容量還是過(guò)大、清晰度不夠高和網(wǎng)絡(luò)傳輸困難。MPEG-2在MPEG-1基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充和提升，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(72

0x480),次高(1440x1080),高(1920x1080)MPEG-2視頻相對(duì)MPEG-1提升了

分辨率，滿足了用戶高清晰的要求，但由于壓縮性能沒(méi)有多少提高，使得存儲(chǔ)容

量還是太大,也不適和網(wǎng)絡(luò)傳輸。MPEG-4MPEG-4視頻壓縮算法相對(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(wú)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MP

EG-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。MPEG-4由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜,使得MPEG-4難以完全實(shí)現(xiàn)并且兼容,很難在視頻會(huì)議、可視電話等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn),這一點(diǎn)有點(diǎn)偏離原來(lái)地初衷。另外對(duì)于中國(guó)企業(yè)來(lái)說(shuō)還要面臨高昂的專利費(fèi)問(wèn)題,目前規(guī)定：－每臺(tái)解碼設(shè)備需要交給MPEG-LA0.25美元－編碼/解碼設(shè)備還需要按時(shí)間交費(fèi)(4美分/天=1.2美元/月=14.4美元/年)H.264/AVCH.264集中了以往標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到突破性進(jìn)展，使得它獲得

比以往標(biāo)準(zhǔn)好得多整體性能：－和H.263+和MPEG-4SP相比最多可節(jié)省50％的碼率，使存儲(chǔ)容量大大

降低;－H.264在不同分辨率、不同碼率下都能提供較高的視頻質(zhì)量;－采用“網(wǎng)絡(luò)友善”的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)法，使其更有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。H.264采用簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，使它比MPEG4更容易推廣，更容易在視頻會(huì)議、視頻

電話中實(shí)現(xiàn)，更容易實(shí)現(xiàn)互連互通，可以簡(jiǎn)便地和G.729等低比特率語(yǔ)音壓縮組

成一個(gè)完整的系統(tǒng)。MPEGLA吸收MPEG-4的高昂專利費(fèi)而使它難以推廣的教訓(xùn)，MPEGLA制定了以下低廉的H.264收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)：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(wàn)臺(tái)以下不收取費(fèi)，超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)每臺(tái)收取0.2美元，超過(guò)500萬(wàn)臺(tái)每臺(tái)收取0.1美元。低廉的專利費(fèi)使得中國(guó)H.264監(jiān)控產(chǎn)品更容易走向世界。監(jiān)控中視頻編碼分辨率的選擇目前監(jiān)控行業(yè)中主要使用以下分辨率：SQCIF、QCIF、CIF、4CIF。SQCIF和QCIF的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)量低，可以在窄帶中使用，使用這種分辨率的產(chǎn)品價(jià)格低廉;缺點(diǎn)是圖像質(zhì)量往往很差、不被用戶所接受。CIF是目前監(jiān)控行業(yè)的主流分辨率，它的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)量較低，能在普通寬帶網(wǎng)絡(luò)中傳輸，價(jià)格也相對(duì)低廉，它的圖像質(zhì)量較好，被大部分用戶所接受。缺點(diǎn)是圖像質(zhì)量不能滿足高清晰的要求。4CIF是標(biāo)清分辨率，它的優(yōu)點(diǎn)是圖像清晰。缺點(diǎn)是存儲(chǔ)量高，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬要求很高，價(jià)格也較高。分辨率新的選擇一528x3842CIF(704x288)已被部分產(chǎn)品采用，用來(lái)解決CIF清晰度不夠高和4CIF存

儲(chǔ)量高、價(jià)格高昂的缺點(diǎn)。但由于704x288只是水平分辨率的提升，圖像質(zhì)量提

高不是特別明顯。經(jīng)過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)另外一種2CIF分辨率528x384,比704x288能更好解決CIF、4CIF的問(wèn)題。特別是在512Kbps—1Mbps碼率之間，能獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量圖像，滿足用戶較高圖像質(zhì)量的要求。目前這一分辨率已被許多網(wǎng)絡(luò)多媒體廣播所采用，被廣大用戶所接受。比如杭州網(wǎng)通網(wǎng)上影院是采用512x384分辨率，在768k下能穩(wěn)定地獲得近似DVD的圖像質(zhì)量。監(jiān)控中實(shí)現(xiàn)視頻編碼的最佳方式目前視頻編碼正處于一個(gè)技術(shù)日新月異的時(shí)期，視頻編碼的壓縮性能在不斷得到提升。在監(jiān)控中主要使用ASCI和DSP兩種方案。由于ASIC芯片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，使它已跟不上視頻編碼的發(fā)展速度。而DSP芯片，由于它的通用設(shè)計(jì),使它能實(shí)現(xiàn)各種視頻編碼算法，并且可以及時(shí)更新視頻編碼器，緊跟視頻編碼的發(fā)展速度。另外使用DSP芯片可以比ASIC更靈活的配置編碼器，使編碼器達(dá)到最佳性能。?？低暜a(chǎn)品目前達(dá)到的技術(shù)水準(zhǔn)?？低暜a(chǎn)品采用最先進(jìn)的H.264視頻壓縮算法和高性能的DSP處理器。強(qiáng)大的H.264視頻壓縮引擎使產(chǎn)品獲得極高的壓縮比、高質(zhì)量的圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。高性能的DSP處理器能靈活的配置視頻編/解碼器：動(dòng)態(tài)設(shè)置分辨率、幀率、碼率、圖像質(zhì)量等;可以雙碼流輸出，達(dá)到本地存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸分別處理的功能。使用TM130XDSP的產(chǎn)品，單個(gè)芯片能實(shí)時(shí)壓縮一路以下分辨率的視頻：S

QCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。使用DM642DSP的產(chǎn)品，單個(gè)芯片能實(shí)時(shí)壓縮4路以下分辨率的視頻：SQCIF、QCIF、CIF、2CIF(PAL:704x288或528x384)。單個(gè)芯片能實(shí)時(shí)壓縮2路4CIF視頻。電視節(jié)目制作數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化已成為大家關(guān)心的熱點(diǎn)，其中重要的技術(shù)之一是數(shù)字視頻壓縮。運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)是ISO/IEC的一個(gè)工作組，負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)圖像、聲頻及其混合信息的壓縮、解壓縮、處理和編碼表示方面的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG已經(jīng)制定了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-1和MPEG-2已廣泛應(yīng)用在多媒體工業(yè)，例如數(shù)字電視、CD、視頻點(diǎn)播、歸檔、因特網(wǎng)上的音樂(lè)等等。MPEG-4主要用于64kb/s以下的低速率音視頻編碼，以使用于窄帶多媒體通信等領(lǐng)域。MPEG目前正在制定MPEG-7和MPEG-21。但M-JPEG、MPEG-2和DV三大壓縮技術(shù)已占據(jù)著當(dāng)今視頻壓縮技術(shù)的主要地位，呈現(xiàn)互不替代，激烈競(jìng)

爭(zhēng)，共同發(fā)展的狀態(tài)。M-JPEG和DV均采用幀內(nèi)壓縮方式，壓縮效率要比MPEG-2低。在低碼率的時(shí)候，MPEG-2可以提供比M-JPEG高的壓縮比而保持較好的圖像質(zhì)量;在要求高圖像質(zhì)量的時(shí)候(比如節(jié)目編輯和后期制作)，MPEG-2與M-JPEG、DV的輸出碼率差別要小得多。電視臺(tái)業(yè)務(wù)的多樣性要求壓縮標(biāo)準(zhǔn)能提供多種碼率?？勺兇a率(VBR)特性對(duì)電視臺(tái)有效利用資源非常重要°MPEG-2可以通過(guò)改變GOP結(jié)構(gòu)和DCT及霍夫曼編碼的參數(shù)來(lái)調(diào)整輸出碼率;M-JPEG可以通過(guò)改變DCT及霍夫曼編碼參數(shù)調(diào)節(jié)壓縮比;DV格式因其應(yīng)用特點(diǎn)，沒(méi)有提供VBRoM-JPEG發(fā)展較早，在非線性視頻編輯方面應(yīng)用多年，軟、硬件技術(shù)成熟，成本低廉，以目前硬件平臺(tái)而言，平均比MPEG-2平臺(tái)便宜5000美元左右。目前，M-JPEG、DV和MPEG-2三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)各有長(zhǎng)處，設(shè)備都獲得了廣泛使用。日本和北美大多用DV格式進(jìn)行后期制作;EBU在1999年的D84、D85技術(shù)聲明中推薦電視臺(tái)在演播室使用50Mb/s的純I幀4:2:2PMPEG-2;而中國(guó)在廣泛使用M-JPEG的同時(shí)熱烈討論MPEG-2IBP格式的編輯。下面針對(duì)現(xiàn)今在電視臺(tái)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中主要應(yīng)用的兩種視頻壓縮技術(shù)，即M-JPEG

和MPEG-2做一下對(duì)比。最后對(duì)MPEG-7作簡(jiǎn)單概述。M-JPEG是針對(duì)活動(dòng)圖像而優(yōu)化的JPEG壓縮而稱。而JPEG是針對(duì)一幀圖像DCT變換來(lái)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，通過(guò)對(duì)電視數(shù)字信號(hào)(4:2:2數(shù)據(jù))的每一幀進(jìn)行JPEG壓縮。由于電視編輯、特技制作均需要以幀為基本單位，所以對(duì)以幀為單元進(jìn)行壓縮(幀內(nèi)壓縮)的M-JPEG格式被成功地用于數(shù)字視頻系統(tǒng)，特別是數(shù)字非線性節(jié)目編輯系統(tǒng)。目前我國(guó)非線性編輯系統(tǒng)大都采用4:1M-JPEG壓縮，被認(rèn)為是可以接受的廣播級(jí)水平。當(dāng)PAL制4:2:2數(shù)字信號(hào)采用4:1壓縮時(shí)，其數(shù)據(jù)率是5MB/s(40Mb/s),每小時(shí)視頻節(jié)目占用18GB存儲(chǔ)空間。由于M-JPEG是幀內(nèi)壓縮方式，可以提供精確到幀的隨機(jī)存取訪問(wèn)，不附帶任何的訪問(wèn)延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)精確到幀的節(jié)目編輯。所謂MPEG-2壓縮是根據(jù)運(yùn)動(dòng)圖像相鄰幀之間有一定的相似性原則，通過(guò)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，參考前一幀圖像與這一幀圖像的相似情況，去掉與前一幀相似的冗余數(shù)據(jù)，而只記錄這一幀與上一幀不同的數(shù)據(jù)，從而大大提高了視頻數(shù)據(jù)的壓縮效率，這種壓縮方法也稱為幀相關(guān)壓縮。因?yàn)椴捎眠\(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)幀相關(guān)的壓縮方式，針對(duì)視頻壓縮有很好的效果，在獲得廣播級(jí)數(shù)字視頻質(zhì)量的前提下，可以實(shí)現(xiàn)20:1的壓縮效率，數(shù)據(jù)率可降至1MB/s(8Mb/s)，一小時(shí)視頻節(jié)目占用3.6GB空間。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間利用率高，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率是M-JPEG系統(tǒng)的5倍以上。這給基于MPEG-2壓縮視頻的存儲(chǔ)、傳輸、編輯、播出帶來(lái)極大的好處，在存儲(chǔ)方面可以大大節(jié)約存儲(chǔ)體成本，并能引入各種類型的存儲(chǔ)介質(zhì)，如硬盤(pán)、光盤(pán)、數(shù)據(jù)磁帶以及存儲(chǔ)器芯片等。但由于MPEG-2格式只有一個(gè)完整的幀，即I幀，所以在電視需要幀精確地進(jìn)行剪接時(shí)會(huì)帶來(lái)一定的困難，需要硬件板卡或軟件系統(tǒng)的支持。MPEG-2在壓縮方面有幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮兩種方式，使用三種類型的圖像，即I幀、P幀和B幀。I幀使用幀內(nèi)壓縮，不使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，提供中等壓縮比。由于I幀不依賴其它幀，所以是隨機(jī)存取的入點(diǎn)，同時(shí)是解碼的基準(zhǔn)幀。P幀根據(jù)前面的I幀或P幀進(jìn)行預(yù)測(cè)，使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法進(jìn)行壓縮，壓縮比要比I幀高。P幀是對(duì)B幀和后繼P幀進(jìn)行解碼的基準(zhǔn)幀。它本身有誤差，會(huì)造成誤差傳播。B幀是基于內(nèi)插重建的幀，它基于前后兩個(gè)IP幀或PP幀，不傳播誤差。它使用雙向預(yù)測(cè)進(jìn)行壓縮，提供更高的壓縮比。目前各硬件板卡廠商正在抓緊開(kāi)發(fā)，以解決基于MPEG-2的IBP幀編輯，目前國(guó)內(nèi)很多公司如奧維迅、索貝、大洋已經(jīng)用軟件解決了IBP幀精確編輯的問(wèn)題，使MPEG-2格式應(yīng)用到電視節(jié)目的制作、傳輸、存儲(chǔ)、播出，構(gòu)架全電視臺(tái)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為可能。1996年10月，運(yùn)動(dòng)圖像專家組開(kāi)始著手一項(xiàng)新的研究課題來(lái)解決多媒體內(nèi)容描述的問(wèn)題，即多媒體內(nèi)容描述接口（簡(jiǎn)稱MPEG-7）。MPEG-7將擴(kuò)大現(xiàn)今在識(shí)別內(nèi)容方面存在的能力限制，將包括更多的數(shù)據(jù)類型。MPEG-7的目標(biāo)是支持多種音頻和視覺(jué)的描述，包括自由文本、N維時(shí)空結(jié)構(gòu)、統(tǒng)計(jì)信息、客觀屬性、主觀屬性、生產(chǎn)屬性和組合信息。對(duì)于視覺(jué)信息，描述將包括顏色、視覺(jué)對(duì)象、紋理、草圖、形狀、體積、空間關(guān)系、運(yùn)動(dòng)及變形等。MPEG-7的目標(biāo)是根據(jù)信息的抽象層次，提供一種描述多媒體材料的方法以便表示不同層次上的用戶對(duì)信息的需求。以視覺(jué)內(nèi)容為例，較低抽象層將包括形狀、尺寸、紋理、顏色、運(yùn)動(dòng)（軌道）和位置的描述。對(duì)于音頻的較低抽象層包括音調(diào)、調(diào)式、音速、音速變化、音響空間位置。MPEG-7的目標(biāo)是支持?jǐn)?shù)據(jù)管理的靈活性、數(shù)據(jù)資源的全球化和互操作性。對(duì)于未來(lái)的多媒體服務(wù)，必須將內(nèi)容的表示和描述共同來(lái)考慮，也就是說(shuō)，許多涉及內(nèi)容表示的服務(wù)必須要首先處理內(nèi)容描述。利用MPEG-7描述可用的音視信息，大家就能快速找到我們想要的信息，可以更加自由的與多媒體內(nèi)容交互及重新使用音視信息的內(nèi)容，或以新的方式將這些內(nèi)容的某些成分結(jié)合起來(lái)使用。編解碼技術(shù)在過(guò)去十年中不斷改進(jìn)。最新的編解碼技術(shù)（H.264/AVC與VC-1）代表著第三代視頻壓縮技術(shù)。為具體應(yīng)用選擇正確的編解碼器并優(yōu)化其實(shí)時(shí)實(shí)施仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，最佳的設(shè)計(jì)必須權(quán)衡壓縮效率及可用的計(jì)算能力?！曨l壓縮是所有令人振奮的、新型視頻產(chǎn)品的重要?jiǎng)恿?。為具體應(yīng)用選擇正確的編解碼器并優(yōu)化其實(shí)時(shí)處理仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。最佳的設(shè)計(jì)必須權(quán)衡壓縮效率及可用的計(jì)算能力。此外，如何在計(jì)算能力有限的情況下獲得最佳壓縮效率也是一門(mén)大學(xué)問(wèn)。數(shù)字視頻的主要挑戰(zhàn)在于原始或未壓縮的視頻需要存儲(chǔ)或傳輸大量數(shù)據(jù)。例如，標(biāo)準(zhǔn)清晰度的NTSC視頻的數(shù)字化一般是每秒30幀速率，采用4:2:2YCrCb及720x480，其要求超過(guò)165Mbps的數(shù)據(jù)速率。保存90分鐘的視頻需要110GB空間，或者說(shuō)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)DVD-R存儲(chǔ)容量的25倍。即使是視頻流應(yīng)用中常用的低分辨率視頻（如CIF：352x2884:2:0、30幀/秒）也需要超過(guò)36.5Mbps的數(shù)據(jù)速率，這是ADSL或3G無(wú)線等寬帶網(wǎng)絡(luò)速度的許多倍。目前的寬帶網(wǎng)可提供1?10Mbps的持續(xù)傳輸能力，顯然數(shù)字視頻的存儲(chǔ)或傳輸需要采用壓縮技術(shù)。視頻壓縮的目的是對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行編碼——在保持視頻質(zhì)量的同時(shí)占用盡可

能少的空間。編解碼技術(shù)理論依據(jù)為信息理論的數(shù)學(xué)原理。不過(guò)，開(kāi)發(fā)實(shí)用的編

解碼技術(shù)需要藝術(shù)性的精心考慮。壓縮權(quán)衡在選擇數(shù)字視頻系統(tǒng)的編解碼技術(shù)時(shí)需要考慮諸多因素。主要因素包括應(yīng)用的視頻質(zhì)量要求、傳輸通道或存儲(chǔ)介質(zhì)所處的環(huán)境(速度、時(shí)延、錯(cuò)誤特征)以及源內(nèi)容的格式。同樣重要的還有預(yù)期分辨率、目標(biāo)比特率、色彩深度、每秒幀數(shù)以及內(nèi)容和顯示是逐行掃描還是隔行掃描。壓縮通常需要在應(yīng)用的視頻質(zhì)量要求與其他需求之間做出取舍。首先，用途是存儲(chǔ)還是單播、多播、雙向通信或廣播？對(duì)于存儲(chǔ)應(yīng)用，到底有多少可用的存儲(chǔ)容量以及存儲(chǔ)時(shí)間需要多久？對(duì)于存儲(chǔ)之外的應(yīng)用，最高比特率是多少？對(duì)于雙向視頻通信，時(shí)延容差或容許的端到端系統(tǒng)延遲是多少？如果不是雙向通信，內(nèi)容需要在脫機(jī)狀態(tài)提前完成編碼還是需要實(shí)時(shí)編碼？網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)介質(zhì)的容錯(cuò)能力如何？根據(jù)基本目標(biāo)應(yīng)用，不同壓縮標(biāo)準(zhǔn)以不同方式處理這些問(wèn)題的權(quán)衡。另一方面是需要權(quán)衡編解碼實(shí)時(shí)處理的成本。如H.264/AVC或WMV9/VC-1

等能夠?qū)崿F(xiàn)較高壓縮比的新算法需要更高的處理能力，這會(huì)影響編解碼器件的成

本、系統(tǒng)功耗以及系統(tǒng)內(nèi)存。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)編解碼技術(shù)的普及至關(guān)重要。出于規(guī)模經(jīng)濟(jì)原因，用戶根據(jù)可承受的標(biāo)準(zhǔn)尋找相應(yīng)產(chǎn)品。由于能夠保障廠商之間的互操作性，業(yè)界樂(lè)意在標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行投資。而由于自己的內(nèi)容可以獲得較長(zhǎng)的生命周期及廣泛的需求，內(nèi)容提供商也對(duì)標(biāo)準(zhǔn)青睞有加。盡管幾乎所有視頻標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)少數(shù)特定應(yīng)用的，但是在能夠適用的情況下，它們?cè)谄渌麘?yīng)用中也能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)更好的壓縮及獲得新的市場(chǎng)機(jī)遇，ITU與MPEG—直在不斷發(fā)展壓縮技術(shù)和開(kāi)發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)最近開(kāi)發(fā)了一種稱為AVS的國(guó)家視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)诤竺嬉矔?huì)做一介紹。目前正在開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)包括ITU/MPEG聯(lián)合可擴(kuò)展視頻編碼(JointScalableVideoCoding)(對(duì)H264/AVC的修訂)和MPEG多視角視頻編碼(Multi-viewVideoCoding)。另夕卜，為了滿足新的應(yīng)用需求，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。例如，H.264最近定義了一種稱為高精度拓展(FidelityRangeExtensions)的新模式，以滿足新的市場(chǎng)需求，如專業(yè)數(shù)字編輯、HD-DVD與無(wú)損編碼等。 視頻壓縮正在市場(chǎng)中催生數(shù)量日益增長(zhǎng)的數(shù)字視頻產(chǎn)品。采用數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的終端設(shè)備范圍廣泛，從電池驅(qū)動(dòng)的便攜設(shè)備到高性能基礎(chǔ)設(shè)備。數(shù)字視頻的最佳處理器解決方案取決于具體的目標(biāo)應(yīng)用。TI擁有可支持多種

標(biāo)準(zhǔn)并滿足主要設(shè)計(jì)及系統(tǒng)約束需求的各種DSP。TI的解決方案范圍廣泛，其

中包括低功耗C5000DSP與移動(dòng)OMAP應(yīng)用處理器、高性能C6000DSP與

視頻優(yōu)化的高性能DM64x和DM644x數(shù)字媒體處理器。德州儀器(TI