从信息论的观点来看,描述信源的数据是信息和数据冗余之和,即:数据=信息+数据冗余。数据冗余有许多种,如空间冗余、时间冗余、视觉冗余、统计冗余等。将图像作为一个信源,视频压缩编码的实质是减少图像中的冗余。
概述
视频编解码技术是
网络电视发展的最初条件。只有高效的视频编码才能保证在现实的互联网环境下提供视频服务。
H.264或称为MPEG-4第十部分(高级
视频编码部分)是由ITU-T和ISO/IEC再次联手开发的最新一代
视频编码标准。由于它比以前的标准在设计结构、实现功能上作了进一步改进,使得在同等
视频质量条件下,能够节省50%的
码率,且提高了视频传输质量的可控性,并具有较强的差错处理能力,适用范围更广。在低
码率情况下,32kbps的H.264图像质量相当于128kbps的MPEG-4图像质量。H.264可应用于
网络电视、
广播电视、
数字影院、
远程教育、
会议电视等多个行业。
除了ITU-T和ISO/IEC两个国际标准化组织制定的
视频编码标准以外,美国微软公司和Real Network公司都有自己的视频编码标准。事实上,他们也是常用的
网络电视标准。
分类
视频压缩编码技术可以分为两大类:无损压缩和有损压缩。
无损压缩也称为可逆编码,指使用压缩后的数据进行重构(即:解压缩)时,重构后的数据与原来的数据完全相同。也就是说,解码图像和原始图像严格相同,压缩是完全可恢复的或无偏差的,没有失真。无损压缩用于要求重构的信号与原始信号完全一致的场合,例如磁盘文件的压缩。
有损压缩也称为不可逆编码,指使用压缩后的数据进行重构(即:解压缩)时,重构后的数据与原来的数据有差异,但不影响人们对原始资料所表达的信息造成误解。也就是说,解码图像和原始图像是有差别的,允许有一定的失真,但视觉效果一般是可以接受的。有损压缩的应用范围广泛,例如视频会议、可视电话、视频广播、视频监控等。
无损压缩
典型的无损压缩编码技术有:哈夫曼(Huffman)编码、香农编码、RLC(Run Length Code,行程编码)、LZW(Lenpel-Ziv&Welch)编码、算术编码。
有损压缩
典型的有损压缩编码技术介绍如下。
1、预测编码:点线性预测、帧内预测、帧间预测。
预测编码主要是减少数据在空间和时间上的相关性,以达到对数据压缩的目的。
2、变换编码:KL(Karhunen-Loeve变换)、DFT(Discrete Fourier Transform,离散傅里叶变换)、DCT(Discrete Cosine Transform,离散余弦变换)、DST(Discrete Sine Transform,离散正弦变换)、HADAMARD(哈达码变换)、小波变换。
变换编码将图像时域信号变换到频域上进行处理。
3、量化编码:标量量化、矢量量化。
当我们对模拟信号进行数字化时,需要经历一个量化的过程。在这里,量化器的设计是一个很关键的步骤,量化器设计的好坏对于量化误差的大小有直接的影响。矢量量化是相对于标量量化而提出的,如果一次量化多个点,则称为矢量量化。
4、子带编码:子带编码、块切割法。
子带编码主要有两种方式。一种是,将图像数据变换到频域后,按频域分带,然后用不同的量化器进行量化,从而达到最优的组合。另外一种是,分步渐进编码,在初始时对某一频带的信号进行解码,然后逐渐扩展到所有频带,随着解码数据的增加,解码图像也逐渐的清晰起来。子带编码对于远程图像模糊查询与检索的应用比较有效。
5、模型编码:结构模型、知识基模型。
结构模型编码,也称为二代编码。编码时首先求出图像中的边界、轮廓、纹理等结构特征参数,然后保存这些参数信息。解码时根据结构和参数信息进行组合,从而恢复出原图像。
知识基模型编码,对于人脸等可用规则描述的图像,利用人们对其的知识形成一个规则库,据此将人脸的变化等特征用一些参数进行描述,从而根据参数和模型就可以实现对人脸的图像编解码。
6、混合编码:JPEG、H.261、MPEG等。
混合编码同时使用两种或两种以上的编码方法进行编码。
研制视频编码国际标准的正式组织
研制视频编码国际标准的两个正式组织:ITU-T和ISO/IEC:
l ITU-T(International Telecommunication Union -Telecommunication Standardization Sector,国际电信联盟通信标准部)视频编码标准以H.26x的形式表示(例如,H.261、H.262、H.263、H.264和H.265),它主要是为视频会议和可视电话等实时视频通信应用设计的。
l ISO/IEC(ISO:International Standardization Organization,国际标准化组织;IEC:International Electrotechnical Commission,国际电工技术委员会)标准以MPEG-x的形式表示(例如,MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21),它主要是为视频存储(DVD)、广播视频以及视频流(例如,网上视频、无线视频应用)设计的。
这两个标准委员会合作开发了H.262/ MPEG-2标准、以及H.264/ MPEG-4 AVC(Advanced Video Code)——MPEG-4标准的第10部分。
视频编码技术比较
事实上,H.26x和MPEG-x标准的视频编码都是采用上述几种编码方法的混合编码,主要区别在于处理图像的分辨率、预测精度、搜索范围、量化步长等参数的不同。各编码标准的侧重点不同,应用的场合也不同。