入門丨視頻編碼簡述

做者：圖鴨科技 微信公衆號：tucodec

當你們看電影追劇時，是看的高清仍是標清？

圖鴨君以爲只要網速夠得上的小夥伴應該沒有人願意再看標清了吧！畢竟高清視頻的高分辨率和清晰畫質觀影體驗更好。

伴隨着用戶對高清視頻需求量的增長，視頻多媒體的視頻數據量也愈來愈大。若是不通過壓縮，這些視頻將很難應用於實際的存儲和傳輸。視頻壓縮解碼技術能夠有效地去除視頻數據中的冗餘信息，實現視頻數據在互聯網中的快速傳輸和離線存儲。所以，視頻壓縮解碼技術是視頻應用中的一項關鍵性技術。

視頻編碼的背景

在過去的幾十年中，一系列視頻編碼標準被推出並普遍應用。現有的視頻壓縮標準就有不少種，包括國際標準化組織（International Organization for Standardization, ISO）/國際電工技術委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）制定的MPEG-一、MPEG-二、MPEG-4標準；國際電信聯盟電信標準化部門（International Telecommunication Union-Telecom, ITU-T）制定的H.26一、H.263等。

2003年3月，ITU-T和ISO/IEC 正式公佈了H.264/MPEG-4 AVC視頻壓縮標準。H.264做爲目前應用最爲普遍的視頻編碼標準，在提升編碼效率和靈活性方面取得了巨大成功，使得數字視頻有效地應用在各類各樣的網絡類型和工程領域。爲了在關鍵技術上不受國外牽制、節約專利費用支出，中國製定了AVS系列標準，能夠提供與H.264/AVC至關的編碼效率。

近年來隨着用戶要求的不斷提高，高清（1920x1080）和超高清（3840x2160）視頻的應用愈來愈普遍。相比於標清視頻，高清視頻分辨率更大更清晰，可是相應的數據量也隨之增長。在存儲空間和網絡帶寬有限的狀況下，現有的視頻壓縮技術已經不能知足現實的應用需求。爲了解決高清及超高清視頻急劇增加的數據率給網絡傳輸和數據存儲帶來的衝擊，ITU-T和ISO/IEC聯合制定了具備更高壓縮效率的新一代視頻壓縮標準HEVC（High Efficiency Video Coding）。

簡說HEVC

HEVC基於傳統的混合視頻編碼框架，採用了更多的技術創新，包括靈活的塊劃分、更精細的幀內預測、新加入的Merge模式、Tile劃分、自適應樣點補償等。靈活的塊劃分對編碼性能提高最大，塊劃分包括編碼單元（CU）、預測單元（PU）和變換單元（TU）。這些技術使得HEVC編碼性能比H.264/AVC提升了一倍。可是，這些技術也使得HEVC編碼器的複雜度大大增長，不利於HEVC編碼器的實時應用和推廣。

HEVC高性能的得到是以巨大的計算複雜度爲代價的：HEVC是經過遞歸對每一個編碼單元進行率失真優化過程（RDO）來選擇最優的模式劃分，這種方法的複雜度很高。所以，下降HEVC編碼複雜度的研究工做具備重要的實際應用價值和普遍的應用前景。

視頻解碼的意義

視頻轉碼技術是一種解決視頻發送端與接收端兼容性問題的技術，它能實現不一樣的視頻標準、視頻分辨率、視頻幀率和視頻碼率等之間的相互轉換。釆用視頻轉碼技術只須要改變發送端的系統結構或者在網關處增長相應的轉碼器便可，無需對接收端作任何修改。

視頻轉碼技術不只能調整視頻流的分辨率、幀率、碼率等各類屬性去適應不一樣的終端用戶和網絡帶寬，還能夠對視頻流的壓縮格式、語法結構等進行轉換，所以視頻轉碼技術應用普遍。

整體來講，該技術研究實用價值很是高，它將用來知足更多領域的數字視頻轉換需求，不只覆蓋包括媒體網管多會議單元、視頻監控、視頻廣播轉碼和醫療設備等商用產品中，還能夠用於包括高清視頻會議終端數字媒體適配器、高清網絡攝像機、視頻電話和高級數字機頂盒等產品。

HEVC關鍵技術研究

近年來，伴隨着HEVC編碼標準在開發過程當中一步步的完善，國內外相關組織和科研機構在HEVC編碼算法方面也給出了不少有效的建議，陸續有科研論文發表於視頻圖像領域頂級期刊和會議，包括IEEE Trans. CSVT、IEEE Trans. Multimedia、ICIP、ICME、PCS、VCIP等。

HEVC幀間編碼優化

靈活的數據劃分方式，是HEVC標準很是顯著的特色之一。藉助於遍歷搜索肯定CU，PU和TU劃分方式等編碼參數，HEVC的率失真性能顯著優於以前的編碼標準，但這也引入了大量的計算複雜度。幀間CU快速選擇算法是根據相鄰CU深度信息或編碼中間參數等對CU大小和幀間PU模式進行提早判斷，從而下降編碼複雜度的過程。根據利用的信息不一樣，幀間CU的快速選擇方法能夠分爲基於相鄰CU深度信息、基於編碼中間參數、基於率失真代價的快速選擇方法。

HEVC幀內編碼優化

幀內CU的快速選擇算法是對CU的紋理複雜程度進行評估或根據相關CU深度信息等，實現CU尺度和幀內預測模式的快速選擇，從而下降編碼複雜度的過程。根據使用信息的不一樣，幀內CU的快速選擇方法能夠分爲基於紋理複雜度、基於相鄰CU信息、基於子CU信息和基於率失真代價的快速選擇方法。

HEVC碼率控制研究

在實際應用場合，傳輸帶寬一般都是有限的，如何在有限的帶寬下儘量保證視頻的質量，即碼率控制，是視頻編碼技術須要解決的一個重要問題。對於以高清、超清視頻做爲主要編碼對象的HEVC標準來講，如何在有限的帶寬資源下合理分配碼率，使視頻質量達到最佳，也就成爲了編碼時須要考慮的重要問題。

目前碼率控制模型能夠分爲三大類：Q域，ρ_域和λ_域。此外，還有不少相關碼率控制方面的算法，包括針對幀層比特分配問題提出的改進算法、經過調整拉格朗日因子來改進碼率控制的算法、根據初始量化參數選取問題提出新的初始量化參數預測算法、針對場景切換問題提出新的算法、考慮圖像複雜度以創建更準確的碼率控制等等。還有一些針對特定應用所提出的碼率控制算法，例如無線應用、高清應用等。對新一代的H.265/HEVC，如何有效的從各個方面來改進碼率控制也逐漸成爲研究熱點。

總結與展望

隨着互聯網和移動網絡的快速發展，市場對更高分辨率視頻的需求愈來愈大，高質量視頻服務在網絡數據中佔據比例愈來愈高，雖然網絡帶寬在不斷增長，依然沒法知足用戶對於視頻質量的需求，使得更高壓縮效率的編碼技術成爲工業級和學界研究的熱點。

在這種背景下，HEVC應運而生，雖然HEVC保持了高壓縮比，可是其複雜運算也限制了其推廣和應用。因此在保持轉碼視頻質量的前提下，大幅度優化轉碼過程的複雜度是一個值得你們共同研究的課題。