數(shù)字視頻編解碼技術(shù)回顧及展望

電影、電視隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展和多樣化個(gè)人消費(fèi)電子多媒體產(chǎn)品的普及，已不僅僅依賴傳統(tǒng)的銀幕和屏幕呈現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)視覺信息可隨時(shí)、隨處獲取，運(yùn)動(dòng)視覺感知信息被以多樣化媒體形態(tài)呈現(xiàn)，人們也更多地依賴運(yùn)動(dòng)視覺感知來(lái)獲取信息。（引用“運(yùn)動(dòng)視覺感知”是因?yàn)殡娪?、電視、視頻等詞義不能完整涵蓋）運(yùn)動(dòng)視覺感知技術(shù)進(jìn)步是信息技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)，其前提是人們對(duì)運(yùn)動(dòng)視覺圖像數(shù)字視頻編解碼技術(shù)的研發(fā)。一個(gè)運(yùn)動(dòng)視覺感知效果的優(yōu)劣直接與數(shù)字視頻編解碼器的基礎(chǔ)理論研究成果相對(duì)應(yīng)。

　　目前數(shù)字電影、數(shù)字電視、交互式個(gè)人智能終端等都離不開數(shù)字視頻編解碼技術(shù)。數(shù)字視頻編解碼技術(shù)不僅在影視、通訊、網(wǎng)絡(luò)等多專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，也容易地在個(gè)人消費(fèi)電子產(chǎn)品終端上實(shí)現(xiàn)，而且這些設(shè)備上有可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字視頻信號(hào)的編解碼應(yīng)用。

　　數(shù)字視頻編解碼技術(shù)領(lǐng)域的特點(diǎn)是種類繁多、多類型并存、新舊共存、研發(fā)成果日新月異。目前沒有那種數(shù)字視頻編解碼技術(shù)可以替代其它所有的數(shù)字視頻編解碼技術(shù)。系統(tǒng)了解數(shù)字視頻編解碼技術(shù)是認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)視覺感知技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)的很好途徑，我們通過(guò)按數(shù)字視頻編解碼技術(shù)開發(fā)時(shí)間順序及研發(fā)機(jī)構(gòu)的分類來(lái)了解常見的數(shù)字視頻編解碼技術(shù)。

　　1. H.261標(biāo)準(zhǔn)由ITU-T（ITU Telecommunication Standardization Sector中文：國(guó)際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組）的前身CCITT（International consultative committee on telecommunications and Telegraph中文： 國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)）下屬T VCEG小組（Video Coding Experts Group中文：視頻編碼專家組）于1988起開發(fā)、ITU-T（VCEG）于1990制定的。H.261主要在老的視頻會(huì)議和視頻電話產(chǎn)品中使用，H.261是第一個(gè)使用的數(shù)字視頻壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。H.261標(biāo)準(zhǔn)使用混合編碼框架，包括了基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測(cè)。它使用了常見的YCbCr顏色空間，4:2：0的色度抽樣格式，8位的抽樣精度，16x16的宏塊，分塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，按8x8分塊進(jìn)行的離散余弦變換，量化，對(duì)量化系數(shù)的Zig-zag 掃描，run-level符號(hào)影射以及霍夫曼編碼。H.261只支持逐行掃描視頻輸入。雖然H.261目前已很少使用。但它是視頻編解碼領(lǐng)域的鼻祖，之后的所有的標(biāo)準(zhǔn)視頻編解碼器都是基于它設(shè)計(jì)的。

　　2. MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)由ISO/IEC（International Organization for Standards / International Electro-Technical Commission中文：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織/：國(guó)際電工委員會(huì)） 下屬M(fèi)PEG小組（moving pictures experts group中文：動(dòng)態(tài)圖像專家組）制定的第一個(gè)視頻和音頻有損壓縮標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-1（Part2）視頻壓縮算法，ISO / IEC（MPEG）于1990年定義完成MPEG-1視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。1992年底，MPEG-1（Part2）正式被制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其原來(lái)的主要目標(biāo)是在音頻CD（Compact Disc）光盤上記錄圖像，MPEG-1（Part2）視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是VCD（Video Compact Disc）光盤的技術(shù)核心。有些在線視頻也使用MPEG-1（Part2）這種格式。MPEG-1（Part2）編解碼器的質(zhì)量大致上和原有的VHS錄像帶相當(dāng)， VCD應(yīng)用約定MPEG-1（Part2）的分辨率約為352×240，數(shù)字視頻信號(hào)編碼使用固定的比特率（1.15Mbps）。雖然只要輸入視頻源的質(zhì)量足夠好，編碼的碼率足夠高，MPEG-1（Part2）可獲得更大的畫幅尺寸、更高的運(yùn)動(dòng)視覺感知質(zhì)量。但是考慮到要讓所有商業(yè)化的VCD播放機(jī)有一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及硬件處理能力的限制，規(guī)定高于1.15Mb/s的視頻碼率或者高于352x288的視頻分辨率都不被單體的VCD播放機(jī)（包括一些DVD 播放機(jī)）使用。這樣使得VCD在播放快速動(dòng)作的視頻時(shí)，由于數(shù)據(jù)量不足，令壓縮時(shí)宏區(qū)塊無(wú)法全面調(diào)整，視頻畫面出現(xiàn)模糊的方塊。MPEG- 1（Part2）視頻壓縮算法具體實(shí)用在VCD時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)視覺感知效果欠佳，這也許是VCD在發(fā)達(dá)國(guó)家未獲成功的原因。而MPEG-1 Layer 3則是目前廣泛使用的mp3音頻壓縮技術(shù)。如果考慮通用性的話，MPEG-1的視頻/音頻編解碼器可以說(shuō)是通用性最高的編解碼器，幾乎世界上所有的計(jì)算機(jī)都可以播放MPEG-1格式的文件。幾乎所有的DVD機(jī)也支持VCD的播放。從技術(shù)上來(lái)講，比起H.261標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-1增加了對(duì)半像素運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和雙向運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)幀。和H.261一樣，MPEG-1只支持逐行掃描的視頻輸入。

　　3. H.262視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是ITU-T（VCEG）于1994年升級(jí)H.261后制定的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它與ISO / IEC（MPEG）制定的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2（ISO/IEC13818-2）內(nèi)容上相同，使用在DVD、SVCD和大多數(shù)數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)和有線分布系統(tǒng)（cable distribution systems）中。當(dāng)使用在標(biāo)準(zhǔn)DVD上時(shí)，它支持較高的圖像質(zhì)量和寬屏；當(dāng)使用在SVCD時(shí)，它的質(zhì)量不如DVD但是比VCD高出許多。MPEG- 2（ISO/IEC13818-2）也被使用在新一代DVD標(biāo)準(zhǔn)、HD-DVD 和 Blu-ray（藍(lán)光光盤）上。從技術(shù)上來(lái)講，比起MPEG-1，MPEG-2（ISO/IEC13818-2）最大的改進(jìn)在于增加了對(duì)隔行掃描視頻的支持。MPEG-2（ISO/IEC13818-2）雖然是一個(gè)相當(dāng)老的視頻編碼，但是它具有很大的普及度和市場(chǎng)接受度。ISO / IEC（MPEG）原先打算開發(fā)MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3和MPEG-4四個(gè)版本，以適用于不同帶寬和數(shù)字影像質(zhì)量的要求。繼MPEG- 2之后打算開發(fā)的MPEG-3編碼和壓縮標(biāo)準(zhǔn)最初是為HDTV開發(fā)的編碼和壓縮標(biāo)準(zhǔn)，但由于MPEG-2已能適用于HDTV，使得原打算為HDTV設(shè)計(jì)的 MPEG-3，還沒出世就被拋棄了。

　　4. H.263視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，制定于1995年，主要用在視頻會(huì)議、視頻電話和網(wǎng)絡(luò)視頻上。在對(duì)逐行掃描的視頻源進(jìn)行壓縮的方面，H.263比它之前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在性能上有了較大的提升。尤其是在低碼率端，它可以在保證一定質(zhì)量的前提下大大的節(jié)約碼率，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有更好的支持功能。與之前的視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（H.261，MPEG-1和H.262／MPEG-2）比較H.263的性能有了革命性的提高。1998年增加了新的功能的第二版H.263+，或者叫H.263v2，與初始版比較H.263+顯著的提高了編碼效率并提供了其它的一些能力，在2000年又完成的第三版H.263++，即H.263v3 它是在H.263+的基礎(chǔ)上增加了更多的新的功能。

　　5. MPEG-4（ISO/IEC 14496-2）于1999年初正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。有時(shí)候也被叫做“ASP”。 它們可以使用在網(wǎng)絡(luò)傳輸、廣播和媒體存儲(chǔ)上。比起MPEG-2