蔣一明，李 鵬，林清源

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190）

責(zé)任編輯:任健男

數(shù)字視頻技術(shù)在通信、計(jì)算機(jī)以及廣播電視等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用大力推動(dòng)了視頻編碼技術(shù)的快速發(fā)展，由運(yùn)動(dòng)圖像專家組MPEG和國際電信聯(lián)盟的視頻編碼專家組VCEG分別制定的MPEG-x和H.26x兩個(gè)系列的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成目前視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域的主流編碼協(xié)議。隨著編碼標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)，屬于標(biāo)準(zhǔn)組織成員的各大企業(yè)，紛紛加大自己的專利申請量，以形成自身的專利戰(zhàn)略部署，使得涉及視頻編碼技術(shù)的專利申請量近年來增長迅速。本文就涉及視頻編碼技術(shù)的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，介紹該領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的現(xiàn)狀，分析該領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的發(fā)展趨勢。

1 視頻編碼技術(shù)概述

視頻信號數(shù)字化之后所面臨的一個(gè)問題，是巨大的數(shù)據(jù)量給存儲(chǔ)和傳輸帶來的壓力，單純用擴(kuò)大存儲(chǔ)容量、增加通信信道的帶寬的辦法是不現(xiàn)實(shí)的，而視頻編碼技術(shù)是個(gè)行之有效的方法；以壓縮編碼的形式存儲(chǔ)、傳輸，既節(jié)約了存儲(chǔ)空間，又提高了通信信道的傳輸效率，同時(shí)也可使計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理視頻信息，保證播放出高質(zhì)量的視頻節(jié)目[1]。

視頻圖像數(shù)據(jù)存在著極強(qiáng)的相關(guān)性，與靜態(tài)圖像相比不僅在空間上存在冗余，而且在時(shí)間上存在冗余。視頻編碼技術(shù)就是將視頻圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息去除，以減少表示視頻圖像所需的數(shù)據(jù)量，進(jìn)而在保證重建圖像質(zhì)量一定的前提下，以盡量少的比特?cái)?shù)表征視頻信息。

目前，常用的國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有：由運(yùn)動(dòng)圖像專家組MPEG開發(fā)的MPEG-4，以及由國際電信聯(lián)盟的視頻編碼專家組VCEG聯(lián)合MPEG共同開發(fā)的H.264/AVC[2]。其中，MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)提出了基于內(nèi)容的交互方式，允許用戶根據(jù)系統(tǒng)能力和信道帶寬進(jìn)行分級解碼，同每一個(gè)視頻對象進(jìn)行交互；而H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)主要采取幀間預(yù)測編碼和幀間變換編碼的混合編碼方式，采用可變尺寸的運(yùn)動(dòng)估計(jì)、4×4塊的整數(shù)變換、統(tǒng)一的可變長編碼表等技術(shù)，具有更高的數(shù)據(jù)壓縮比和更好的信道適應(yīng)性。

2 視頻編碼專利的總體分析

2.1 在中國申請的專利數(shù)量逐年變化情況

根據(jù)視頻編碼的主要技術(shù)特征，選用視頻、電視、圖像、編碼、壓縮、解碼、解壓縮、編解碼等關(guān)鍵詞，將檢索時(shí)間限定在2000年以后，在中國專利數(shù)據(jù)庫中獲得己經(jīng)公開的專利申請，統(tǒng)計(jì)其申請數(shù)量隨年代的變化情況結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看到，視頻編碼領(lǐng)域的專利申請量總體上呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，尤其是從2005年開始，增長速度明顯加快，當(dāng)年申請1072件，是上一年申請量的1.25倍，可見當(dāng)年的視頻編碼技術(shù)正處于迅速發(fā)展時(shí)期，隨后基本上每年的申請量也都在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增長，2009年的申請量1480件達(dá)到了歷年來的峰值。

2.2 在中國申請專利的申請人國別分布狀況

對提交涉及視頻編碼技術(shù)專利的申請人所屬國家進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可見，在中國申請專利保護(hù)的申請人以國內(nèi)申請人為主，其專利數(shù)量約占全部專利的46.5%，其次分別是日本、韓國、美國、法國、荷蘭等，其分布百分比情況如圖2所示。這與中國在近幾年對視頻編碼技術(shù)的需求迅猛增加密不可分，對技術(shù)的需求強(qiáng)有力地推動(dòng)著中國申請人注重技術(shù)創(chuàng)新，注重保護(hù)發(fā)明創(chuàng)造，增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力。

2.3 各技術(shù)主題在全球范圍內(nèi)的專利分布情況

從視頻編碼器的構(gòu)成來看，視頻編碼包括如下關(guān)鍵技術(shù)：DCT變換、量化、熵編碼和運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償?shù)取拿嫦蚓W(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景來看，視頻編碼技術(shù)主要包括轉(zhuǎn)碼、可伸縮編碼等。各技術(shù)主題在全球范圍內(nèi)的專利申請量比較如圖3所示。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，涉及運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償和可伸縮編碼的專利申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他編碼技術(shù)的專利申請數(shù)量。

從視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域來看：1）作為編碼過程中運(yùn)算量最大的部分，運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償在整個(gè)視頻壓縮系統(tǒng)中具有極其重要的作用，其執(zhí)行速度決定了編碼的效率，并在一定程度上決定了整個(gè)視頻壓縮編碼系統(tǒng)的性能和效率[3]；2）在當(dāng)前的視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播等面向網(wǎng)絡(luò)流媒體的應(yīng)用環(huán)境下，要求視頻編碼器能夠提供具有不同速率、不同質(zhì)量的視頻信息，能夠?qū)崿F(xiàn)特定使用環(huán)境下的最優(yōu)編碼，使得編碼后的碼流可以靈活的適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)用戶的需求，因此可伸縮編碼的重要性更加凸顯[4]?？梢?，運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償和可伸縮編碼作為視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域的核心內(nèi)容，一直是本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于改進(jìn)的重要方面。

3 視頻編碼技術(shù)主要專利申請人的專利特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，視頻編碼領(lǐng)域的專利申請人中，擁有專利申請較多的外國申請人包括：三星、松下、湯姆遜、索尼、樂金、飛利浦、諾基亞等，這些申請人主要集中在日本、韓國、荷蘭、芬蘭等國，且多為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門ITU-T的成員；國內(nèi)申請人主要分為兩大主體：以華為、中興等為代表的通信公司，和以清華大學(xué)、浙江大學(xué)為代表的高等院校。這些主要專利申請人在中國申請的專利數(shù)量如圖4所示。下面將通過分析三星電子株式會(huì)社、華為技術(shù)有限公司、諾基亞公司以及索尼公司近年來的相關(guān)專利申請情況，探尋上述4家公司的專利申請?zhí)攸c(diǎn)。

3.1 三星電子株式會(huì)社

韓國三星電子株式會(huì)社作為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）的成員，在視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先水平，其在中國申請的專利申請量位居各主要申請人之首，其中，2006年的申請量達(dá)到峰值150件，雖然近兩年申請量呈現(xiàn)下降趨勢，但總體上仍然保持較高水平。

此外，三星電子株式會(huì)社的申請內(nèi)容主要涉及運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償算法的改進(jìn)，包括運(yùn)動(dòng)矢量精細(xì)化、亞像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償、幀內(nèi)預(yù)測模式選擇等。下面給出3件三星電子株式會(huì)社專利申請的實(shí)例。

CN101009831A涉及運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償中的運(yùn)動(dòng)矢量精細(xì)化，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的當(dāng)前塊的運(yùn)動(dòng)向量以及相鄰于當(dāng)前塊的至少一個(gè)相鄰塊的運(yùn)動(dòng)向量來設(shè)置預(yù)定大小的搜索范圍，并通過針對基于當(dāng)前塊的所述搜索范圍應(yīng)用塊匹配算法來估計(jì)當(dāng)前塊的最終運(yùn)動(dòng)矢量，從而使用精確的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償。

CN101401437A涉及運(yùn)動(dòng)畫面編碼中預(yù)測模式的選擇，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于預(yù)定圖像的特征選擇被確定為對于當(dāng)前圖像的每個(gè)色彩分量的塊最優(yōu)的預(yù)測模式，并根據(jù)選擇的預(yù)測模式產(chǎn)生當(dāng)前圖像的預(yù)測圖像，從而提高運(yùn)動(dòng)畫面的編碼效率。

CN101641960A涉及亞像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償，通過產(chǎn)生用于多個(gè)塊中的每一個(gè)的內(nèi)插濾波器并且執(zhí)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測補(bǔ)償，能夠減小運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償值與原始圖像數(shù)據(jù)之間的差值，從而減小了殘差數(shù)據(jù)的大小并且增加了圖像壓縮效率。

3.2 華為技術(shù)有限公司

華為技術(shù)有限公司作為世界著名的通信公司，其在視頻編碼領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但其申請量卻在2006年開始呈現(xiàn)快速上升趨勢，其中，2008年的申請量達(dá)到峰值72件。由此也可以看出，華為技術(shù)有限公司在視頻編碼技術(shù)方面的發(fā)展速度之快。

此外，華為技術(shù)有限公司的申請內(nèi)容主要涉及運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償算法的改進(jìn)，包括幀間預(yù)測編碼、多參考幀選擇、多視點(diǎn)圖像和立體視頻編碼等，其解決的技術(shù)問題包括減少預(yù)測誤差、提高編碼效率、以及立體視頻的分級編碼。下面給出3件華為技術(shù)有限公司專利申請的實(shí)例。

CN101420609A涉及立體視頻的分級編碼方法，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過提取第一層預(yù)測信息和若干層預(yù)測信息增量，并進(jìn)行增強(qiáng)層編碼，實(shí)現(xiàn)了對立體視頻的分級編碼，滿足了連接在不同網(wǎng)絡(luò)下各種立體顯示設(shè)備不同顯示級別的立體視頻顯示需求；且由于對若干層預(yù)測信息增量進(jìn)行增強(qiáng)層編碼，減小了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，提高了傳輸效率。

CN101557514A涉及運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償過程中的多參考幀選擇，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前編碼塊的模板區(qū)域與多個(gè)參考幀中的多個(gè)匹配模板的失真，獲取多個(gè)匹配模板所對應(yīng)編碼塊的多個(gè)假設(shè)預(yù)測值，并根據(jù)該多個(gè)假設(shè)預(yù)測值計(jì)算當(dāng)前編碼塊的模板匹配預(yù)測值，從而提高了預(yù)測編碼系統(tǒng)的預(yù)測性能，提高了編碼效率。

CN101873500A涉及一種幀間預(yù)測編碼方法，其充分利用了幀間的內(nèi)容相關(guān)性來進(jìn)行編碼宏塊的劃分，提高了宏塊劃分的準(zhǔn)確性，從而減少了預(yù)測誤差，提高了宏塊的幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)值的精確性。

3.3 諾基亞公司

諾基亞公司作為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）的成員，在視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較早，其專利申請內(nèi)容主要涉及可伸縮編碼算法的改進(jìn)，包括時(shí)間可伸縮編碼、空間可伸縮編碼、以及質(zhì)量可伸縮編碼（例如精細(xì)粒度可伸縮編碼）。此外，其專利申請內(nèi)容還涉及多視點(diǎn)圖像和立體視頻編碼算法的改進(jìn)。下面給出2件諾基亞公司專利申請的實(shí)例。

CN101180884A涉及用于視頻數(shù)據(jù)的有效精細(xì)粒度伸縮（FGS）編碼方法，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，取消了FGS條帶必須與其“基本層圖像”中對應(yīng)條帶覆蓋相同空間區(qū)域的約束，使得FGS條帶覆蓋更為重要的感興趣區(qū)域，并且以高于不重要區(qū)域的質(zhì)量被編碼。

CN101558652A涉及對多視點(diǎn)視頻編碼應(yīng)用單循環(huán)解碼，其中，對于N個(gè)編碼的視點(diǎn)，只在需要時(shí)對其中將要顯示的M個(gè)視點(diǎn)進(jìn)行完全解碼并將其存儲(chǔ)在緩沖器中，而其他視點(diǎn)只是部分解碼或者簡單地解析，從而極大地降低了設(shè)備的復(fù)雜度，降低了設(shè)備成本。

3.4 索尼公司

在視頻通信領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的索尼公司，長期致力于視頻編碼算法的研究，其在中國申請的涉及視頻編碼技術(shù)的專利申請量雖然在2006年至2007年出現(xiàn)了小幅下滑，卻在2008年至2010年呈現(xiàn)強(qiáng)勢反彈，其中，2008年47件，2009年52件，2010年83件。從上述數(shù)據(jù)可以看出，索尼公司在視頻編碼領(lǐng)域的研究至今仍然處于高速發(fā)展時(shí)期。下面給出1件索尼公司專利申請的實(shí)例。

CN101345876A涉及最佳預(yù)測模式的選擇，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過從在不同預(yù)測值生成單元中檢測到的最佳預(yù)測模式中檢測適合于進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測的預(yù)測模式來進(jìn)行編碼處理，降低了選擇最佳預(yù)測模式所需的計(jì)算復(fù)雜性。

4 視頻編碼專利的發(fā)展趨勢

綜上所述，涉及視頻編碼技術(shù)的專利申請的數(shù)量多且仍呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，其包含的關(guān)鍵技術(shù)分支廣。下面簡要分析視頻編碼領(lǐng)域今后的專利發(fā)展方向，包括以下2個(gè)方面：

1）可伸縮視頻編碼。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的多樣化，對于視頻編碼技術(shù)的研究不再僅僅局限于壓縮特性，而漸漸開始向網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、用戶交互性等方面轉(zhuǎn)移[5]。可伸縮視頻編碼因?yàn)榫哂辛己玫木W(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和靈活性，不僅特別適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，而且應(yīng)用到視頻監(jiān)控領(lǐng)域中還能滿足監(jiān)控視頻資料的存儲(chǔ)、檢索、分析等方面的特殊需求?？梢灶A(yù)見，可伸縮視頻編碼在例如視頻監(jiān)控等產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用將越來越多，使其成為未來專利發(fā)展的趨勢。

2）多視點(diǎn)編碼。隨著3D立體顯示研究不斷深入，多視點(diǎn)編碼算法也在不斷成熟[6]。多視點(diǎn)編碼算法的研究會(huì)為自由視點(diǎn)電視、立體電視和沉浸感視頻會(huì)議的應(yīng)用提供技術(shù)支持?？梢灶A(yù)見，隨著3D電視的快速產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，多視點(diǎn)編碼也將成為未來專利發(fā)展的趨勢。

[1]盧官明，宗昉.IPTV技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2]RICHARDSON I.H.264和MPEG-4視頻壓縮——新一代多媒體的視頻編碼技術(shù)[M].湖南：國防科技大學(xué)出版社，2004.

[3]朱江.基于DCT的可伸縮視頻編碼的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2007.

[4]魏偉.視頻壓縮編碼的運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)[D].天津：天津大學(xué)，2009.

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[6]王一剛.數(shù)字視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀分析[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010（7）：39-42.