视频压缩标准

2022-12-31

由于数字电视具有失真小、稳定度高、图像和伴音清晰、便于存储和传输等优点, 近年来得到了飞速发展。数字视频处理技术在通信、电子消费、军事、工业控制等领域的广泛应用促进了数字视频编码技术的快速发展, 并催生出一系列的国际标准。近年来, 国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC和国际电信联盟ITU-T相机制定了一系列视频图像编码的国际标准, 有力地促进了视频信息的广泛传播和相关产业的巨大发展。

1 ISO/IEC的标准系列 (MPEG家族)

1.1 MPEG-1

MPEG-1是MPEG的小画面模式, 具有352×240的图像分辨率, 每秒30帧的播放速度, 用CD音质的伴音, 适用于1.5Mbps以下数据传输率的传输与存储系统中应用。VCD采用的就是MPEG-1编码格式, 被用于数字电话网络上的视频传输, 如非对称数字用户线路 (ADSL) 、视频点播 (VOD) 以及教育网络等。

1.2 MPEG-2

MPEG-2是高质量图像的压缩标准, 其图像分辨率为720×480, 60场每秒, 其数据传输率为4-10MBps, 为可变传输速率。MPEG-2兼容MPEG-1标准。DVD和超级VCD采用的是MPEG-2标准, 采用MPEG-2压缩编码的DVD视盘, 给资料保存带来了新的希望。

1.3 MPEG-3

MPEG-3是ISO/IEC最初为HDTV (高清晰电视广播) 制定的编码和压缩标准, 由于MPEG-2的性能已适用于HDTV, MPEG-3标准并未制定, 通常所说的MP3指的是MPEGLayer3, 只是MPEG的一个音频压缩标准。

1.4 MPEG-4

MPEG-4于1998年11月公布, 更加注重多媒体系统的交互性和灵活性, 主要应用于视像电话、视像电子邮件和电子新闻等, 传输速率在4800~64000bps之间, 分辨率为176×144。主要面向娱乐、欣赏方面的市场。其特点是其更适于交互AV服务以及远程监控。

1.5 MPEG-7

MPEG-7力求能够快速且有效地搜索出用户所需的不同类型的多媒体材料, 既可应用于存储, 也可用于流式应用, 还可以在实时或非实时环境下应用, 如数字图书馆、多媒体名录服务、广播媒体选择等。MPEG-7未来将会在教育、新闻、导游信息、娱乐等各方面将发挥巨大的作用。

2 ITU-T的标准系列

2.1 H.261视频编码标准

H.261是ITU-T为在综合业务数字网上开展双向声像业务而制定的, 速率为64kbps的整数倍。H.261只对CIF和QCIF两种图像格式进行处理, 每帧图像分成图像层、宏块组 (GOB) 层宏块 (MB) 层、块 (Block) 层来处理。H.261又称为P*64, 其中P为64kbps的取值范围, 是1到30的可变参数, 它最初是针对在ISDN上实现电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频会议而设计的。H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多, 此算法为了优化带宽占用量, 引进了在图像质量与运动幅度之间的平衡折中机制。H.261是最早的运动图像压缩标准, 它详细制定了视频编码的各个部分, 包括运动补偿的帧间预测、DCT变换量化、熵编码, 以及与固定速率的信道相适配的速率控制等部分。

2.2 H.263视频编码标准

H.263是为低码流通信而设计的, 在许多应用中可以认为被用于取代H.261。H.263的编码算法与H.261一样, 是最早用于低码率视频编码的ITU-T标准, 随后出现的第二版 (H.263+) 及H.263++增加了许多选项, 使其具有更广泛的适用性。H.263是ITU-T为低于的窄带通信信道制定的视频编码标准。它是在H.261基础上发展起来的, 其标准输入图像格式可以是S-QCIF、QCIF、CIF、4CIF或者16CIF的彩色4∶2∶0亚取样图像。

2.3 H.263视频压缩标准版本2

H.263标准的版本2非正式地命名为H.263+标准。它在保证原H.263标准核心句法和语义不变的基础上, 增加了若干选项以提高压缩效率或改善某方面的功能。H.263+标准允许更大范围的图像输入格式, 自定义图像的尺寸, 从而拓宽了标准使用的范围, 使之可以处理基于视窗的计算机图像、更高帧频的图像序列及宽屏图像。为适应网络传输, H.263+增加了时间分级、信噪比和空间分级, 对在噪声信道和存在大量包丢失的网络中传送视频信号很有意义。

2.4 H.264视频压缩编码标准

H.264标准的推出, 是视频编码标准的一次重要进步, 它与现有的MPEG-2、MPEG-4SP及H.263相比, 具有明显的优越性, 特别是在编码效率上的提高, 使之能用于许多新的领域。尽管H.264的算法复杂度是现有编码压缩标准的4倍以上, 随着集成电路技术的快速发展, H.264的应用将成为现实。

3 我国的数字音/视频编/解码技术标准AVS

我国制定的数字音/视频编/解码技术标准AVS的基本技术路线是“大胆采用主流技术, 小心规避国外专利”在清楚分析国际标准的发展历程、技术框架、关键技术和利益关系得基础上, 采用当前国际主流技术方案, 大胆采用国际范围内积累的公开编码压缩技术, 用自主技术“绕开”正在处于专利保护期的技术, 加入我国自主创新成果, 制定出性能上超过国际标准, 技术上具有自主权的国家标准。在AVS视频编码标准中, 包括八大技术模块:变换、量化、预测、变长编码、环路滤波器、帧间预测、熵编码器和场编码。其中前5块为不受专利保护的公开技术, 后3块是创新技术。

AVS标准的特点是复杂度低, 兼容性好, 比MPEG22编码效率高2倍, 与H2264编码效率相当。AVS拥有两个参考图像, 最小运动补偿块为8×8, 与MPEG22系统兼容, 电视台现有的基于MPEG22的编辑与传输系统不需要改变, 且关键硬件编解码芯片已实现, 这样编码芯片可以把各种输入音/视频信号编码压缩为AVS码流, 用于数字电视节目播出;解码芯片可以作为数字电视机顶盒或接收机的核心芯片。AVS标准为我国提供了一个互为准入、交叉许可的谈判筹码, 即外商接收机要进入中国, 就必须符合AVS标准。如果在标准互为准入方面能相互制衡, 我国制造业的被动局面就被改观。在标准制衡的情况下, 自主技术将覆盖我国市场, 使我们处于相对有利地位, 以改变国外技术对我们的控制。

摘要：视频压缩编码在视频通信和视频存储中具有重要作用。视频压缩编码标准主要由ITU-T和ISO/IEC开发两大类, 同时我国也通过自主创新, 制定出性能上超过国际标准、技术上具有自主权的A V S技术标准。本文分别对这三种视频压缩标准进行了分析。

关键词：视频压缩,标准,编码,MPEG,H.26x