浅谈数字视频压缩技术

2022-09-11

1 视频数字化的发展过程

将视频信号变成计算机能够处理的数据的方法是在上世纪70年代后期出现的, 当时FLSAH变换器价格昂贵, 并且只能处理黑白图像, 也跟不上视频帧的实时。80年代末, 随着计算机CPU、总线和磁盘技术的发展, 视频信号数字化得以实现, 1991年将编码、解码和数字化3种功能合一的板卡出现。后来出现了CCIR-601的4∶2∶2取样标准, 在数字化过程中起了重要作用, 它规定了不同电视制式使用统一的取样标准, 即是亮度信号取样频率是色度副载波的4倍, 其中亮度Y取样频率是13.5MHz, R-Y, B-Y都为6.75MHz。数字视频是将传统模拟信号经过抽样、量化和编码成二进制数字信号, 然后进行各种功能的处理、传输、存贮和记录, 也可以用计算机进行处理和控制。

随着计算机技术的不断发展, 视频、音频的数字化已经成为广播电视技术发展的方向, 数字视频的主要挑战在于原始或未压缩的视频需要存储或传输大量数据。例如, 标准清晰度的NTSC视频的数字化一般是每秒30帧速率, 采用4:2:2 Ycr Cb及720×480, 其要求超过165Mbps的数据速率。保存90分钟的视频需要110GB空间, 或者说超过标准DVD-R存储容量的25倍。即使是视频流应用中常用的低分辨率视频 (如:CIF:352×288 4:2:0、30帧/秒) 也需要超过36.5Mbps的数据速率, 这是ADS L或3G无线等宽带网络速度的许多倍。

2 数字视频压缩技术

数据压缩起源于20世纪40年代的信息论, 数字压缩是将模拟信号数字化以后进行压缩, 所谓压缩处理, 就是去掉信号中的一些冗余信息, 甚至丢掉一些不太重要的信息, 减小或明显减小信息量, 从而使数据传输率和占用空间大大减少。其主要目的是通过数据压缩手段将信息数据量以压缩形式进行存储和传输。它现在广泛应用于数字信号传输和非线性编辑中。

根据信息在压缩过程中是否丢失来划分, 分为无损压缩和有损压缩。无损压缩是指在压缩之后还原出来的数据和没压缩前的完全一样, 这样当然是好的, 但是有一个突出问题就是压缩比不能做的太高, 仍然不能解决存储空间的问题, 也就限制了应用。有损压缩是指在压缩过程中会丢掉视频中的一些信息, 解压缩后恢复原来的视频信号, 但丢失的信息不能恢复。作为高质量的视频压缩, 会尽量丢掉一些人眼视觉功能不需要的信息, 或者人眼不敏感的信息, 这样使解压后的恢复的信号与未压缩前的原始信号没有多大差别, 这样即保持了视频信号的高质量, 又保证了压缩比。现在采用的非线性编辑系统大都采用有损压缩方式, 并且压缩程度可以调节, 以适应不同视频信号的质量要求。

目前国外视频无损压缩技术的专利文献主要分布于美国、日本等国家, 中国专利CN03114423.3涉及信息技术领域中的数据无损压缩和解压缩技术。本发明是基于信源的高阶熵, 能较大地提高数据的压缩比是自适应算法, 不需要事先知道各信源的出现频率;是直接根据信源的出现频率建立非前缀编码, 不需要建立二叉树, 适用于所有数字化文件的压缩和解压缩, 也可作为图像、声音等信息有损压缩方法中的熵编码算法, 还可用于各种实时流媒体信息的压缩和解压缩。

3 视频压缩标准

从1980年以来, 国际标准化组织 (ISO) 、国际电信联盟 (ITU) 等组织陆续完成了各种数据压缩与通信的标准和建议, 在运动图像方面有H.261、H.262、H.263、H.264、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和MPEG-7。

(1) MPEG-1 (1988~1992) , 可以提供最高达1.5Mbps的数字视频, 只支持逐行扫描。

(2) MPEG-2 (1990~1994) , 支持的带宽范围从2Mbps到超过20Mbps, MPEG-2后向兼容MPEG-1, 但增加了对隔行扫描的支持, 并有更大的伸缩性和灵活性。

(3) MPEG-4 (1994~1998) , 支持逐行扫描和隔行扫描, 是基于视频对象的编码标准, 通过对象识别提供了空间的可伸缩性。

(4) MPEG-7 (1996~2000) , 是多媒体内容描述接口, 与前述标准集中在音频/视频内容的编码和表示不同, 它集中在对多媒体内容的描述。

除了上述通用标准外, 还存在很多专用格式, 比较流行的有:C-Cube的M-JPE G、Intel的IVI (tm) (Indeo Video Interactive) 、Apple的Quick Time (tm) 、Microsoft的Medi a Player (tm) 和Real Networks的Real Player (tm) 。

4 数字视频传输

数字视频网络化是未来发展趋势, 数字化是网络化的前提和必要条件, 网络化又是高速信息交换的基础, 同时也是数字化的有益延伸和拓展。随着通讯技术和计算机技术的迅猛发展, 不论是ATM、SDH、Ethernet传输交换技术抑或诸如MPEG I、MPEG II、H.261、Wavelet等压缩技术的成熟和实用化, 实现视频网络数字化传输已完全不是问题。

现在, 国际上基于各种算法的数字视频传输标准已有很多, 但压缩编码会对视频信息带来不同程度的损失, 当压缩比高 (数据传输速率低) 时, 图像失真严重, 容易出现马赛克及块效应现象。在要求高清晰度的场合, 这种失真是不允许的。在非压缩视频传输系统中, 通常先把视频信号经编码、复接、电光变换之后, 再经光纤传输到目的地, 然后经光电转换、分接、解码等处理, 还原成原始的视频信号。尤其是近来交换式高速以太网的出现和IP技术的发展, 使视频流这种不能中断、不能丢失、和对同步比较敏感的特殊数据的网络数字化传输应用完全成为生活中的现实。

目前, 数字视频压缩技术已经广泛应用于视频传输、计算机多媒体和数值存储等方面, 成为21世纪不可缺少的热点技术之一。随着经济的发展、通信技术的日益提高, 应用在政府部门、远程教育、远程医疗以及商用等方面的发展和应用前景是非常广阔的。

摘要：在如今多媒体技术搭载着互联网快车迅速发展, 音视频内容迅速出现在互联网上。各种媒体格式不断修正出现, 如何在极小降低视频质量的条件下, 极大减小视频文件大小和带宽需求, 由此产生了视频压缩技术, 视频压缩技术是视频处理的基础, 随着网络流媒体、无线视频等新的应用的出现, 人们不断对视频压缩编码技术提出新的更高的要求。

关键词：数字视频,压缩,视频编码标准