阮若林，胡瑞敏

（1.湖北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖北咸寧 437100;2.武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430072）

數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與展望

阮若林1，胡瑞敏2

（1.湖北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖北咸寧 437100;2.武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430072）

信息技術(shù)和計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展改變了人們的生活方式，以視頻為核心的多媒體信息已經(jīng)成為人們獲取信息的主要來源，隨著視頻存儲與傳輸?shù)膹V泛應(yīng)用，高效視頻編碼技術(shù)研究已經(jīng)成為多媒體技術(shù)的研究熱點(diǎn)。系統(tǒng)討論了當(dāng)前流行的視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及框架與采用的關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的效率與復(fù)雜度的關(guān)系，并重點(diǎn)分析了未來視頻編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)字視頻;壓縮編碼;技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);感知編碼

1 數(shù)字視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著信息技術(shù)、多媒體技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，人們的生活方式及獲取信息的方式方法正在發(fā)生改變，處于其核心地位的多媒體信息已成為人類獲取信息的最主要載體之一，特別是基于視頻圖像的編解碼技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用，已經(jīng)成為當(dāng)前多媒體技術(shù)研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前，基于先進(jìn)視音頻編解碼技術(shù)標(biāo)注的數(shù)字高清電視、數(shù)字立體電視、網(wǎng)絡(luò)流媒體、無線移動視頻通信、高清視頻監(jiān)控等應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成為這些應(yīng)用的核心，高效視頻編碼技術(shù)的研究也成為多媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。視頻編碼的根本目的是在降低編碼碼率的同時能夠提供高質(zhì)量的視頻圖像給終端用戶，編碼和傳輸人類視覺不能察覺到的或者不感興趣的信息對于網(wǎng)絡(luò)帶寬和終端設(shè)備來說是一種浪費(fèi)。從本質(zhì)上來說，壓縮機(jī)制和視覺系統(tǒng)面臨著一個相似問題，即怎樣以一種有效的方式來描述視覺對象以消除圖像內(nèi)部的視覺冗余?；诖朔N思想，從視頻圖像內(nèi)容的角度出發(fā)，利用人眼視覺理論來指導(dǎo)視頻壓縮編碼，在保持視頻圖像主觀感知效果基本不變的條件下，盡可能地降低編碼碼率成為未來視頻壓縮編碼技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。因此，本文將從視頻編解碼采用的關(guān)鍵技術(shù)、當(dāng)前主要的視頻編解碼標(biāo)注制定機(jī)構(gòu)及所制定的標(biāo)注、各類標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效率與復(fù)雜度和未來視頻編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢等幾個方面對視頻編解碼技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 視頻編解碼框架與關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)數(shù)字壓縮編碼技術(shù)是建立在Shannon信息論的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大半個世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)取得了眾多重要的研究成果。1948年，Oliver，Pierce和Shannon等人在Proceedings of IRE 上發(fā)表了 The philosophy of PCM［1］一文，該文利用脈沖編碼調(diào)制技術(shù)對模擬電視信號的數(shù)字化處理進(jìn)行研究，這是現(xiàn)代數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)的起源。1969年，在美國召開的第一屆“Picture Coding Symposium”（圖像編碼會議）預(yù)示著數(shù)字圖像視頻編碼已經(jīng)以獨(dú)立的學(xué)科身份躋身于學(xué)術(shù)界。

視頻編碼就是在限定失真條件下，通過特定的壓縮編碼技術(shù)消除視頻信號間存在的空間冗余、時間冗余、統(tǒng)計冗余和視覺冗余等信息，以最低的編碼碼率來表示視頻信號。

第一代數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)是以Shannon的信息論為基礎(chǔ)，利用信源符號的統(tǒng)計概率模型，以像素或像素塊為單位，采用傳統(tǒng)信號分析方法消除視頻圖像及圖像序列中存在的空間冗余、時間冗余和信息熵冗余，以達(dá)到壓縮的目的。第一代數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)是基于像素和像素塊的壓縮方法，在編碼過程中不關(guān)心視頻圖像的具體內(nèi)容，基本不考慮人眼的視覺特性和視頻信息的具體含義及重要程度，在低碼率時不能提供較好的視頻質(zhì)量。目前，國際視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)主要采用了第一代視頻編碼技術(shù)，都是以Shannon的信息論為基礎(chǔ)，采用基于變換、量化、預(yù)測和熵編碼等技術(shù)的混合編碼框架，圖1給出了基于變換/預(yù)測的混合視頻編碼框架圖［2］，圖2給出了從1950年到現(xiàn)在重要視音頻編碼技術(shù)的發(fā)展歷程。

圖1 基于變換/預(yù)測的混合視頻編碼框架圖

圖2 重要視頻、音頻編碼技術(shù)發(fā)展歷程

3 主要視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)介紹

1948年，C.E.Shannon在The Bell System Technical Journal上發(fā)表的 A Mathematical Theory of Communication［3］一文奠定了現(xiàn)代通信的理論基礎(chǔ)，現(xiàn)有的視頻編碼框架都是以Shannon的信息論為基礎(chǔ)，采用變換、量化、預(yù)測和熵編碼等技術(shù)的混合編碼方案，取得了許多重要的研究成果。20世紀(jì)90年代以后，在ISO/IEC和ITU－T等組織的協(xié)調(diào)下，對不同時期圖像和視頻編碼的研究成果進(jìn)行了收集、整理、綜合、加工，制訂了 JPEG［4］，JPEG2000［5］，MPEG － 1［6］，MPEG － 2［7］，MPEG － 4［8］，H.261［9］，H.263［10］和 H.264/AVC［11］等三大系列圖像視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。目前形成了以 JPEG2000，MPEG －4，H.264/AVC，VC －1［12］（微軟視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn) WMV9）和 AVS － P2［13］（我國自主知識產(chǎn)權(quán)音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)）等為代表的多個先進(jìn)視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。這些標(biāo)準(zhǔn)融合了各種性能優(yōu)良的視頻圖像編碼方法，代表了不同時期視頻圖像編碼的發(fā)展水平。

隨著圖像和視頻編碼與處理算法研究的不斷發(fā)展，針對不同的應(yīng)用需求，近幾十年來相繼形成了以JPEG－x，MPEG－x，H.26x，VC －1和 AVS為主的五大系列圖像和視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)，圖3給出了這五大系列圖像和視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)的制定時間，大體上回顧了近三十年來圖像和視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)總的發(fā)展歷程。

圖3 重要圖像、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，目前最先進(jìn)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC和AVS－P2，都將滿足無線視頻編碼和傳輸應(yīng)用作為自己的主要目標(biāo)之一。H.264/AVC以更高的編碼效率和對各類網(wǎng)絡(luò)的傳輸適應(yīng)性的特點(diǎn)滿足了無線傳輸中對帶寬資源的限制要求，成為所有無線視頻應(yīng)用的一個最具吸引力的候選標(biāo)準(zhǔn)。2004年3月，AVS工作組專門成立了專門的移動視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)小組AVS－M，制定移動視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS－M以滿足移動無線環(huán)境下的各類視頻編碼傳輸應(yīng)用需求［14］。隨著3G的全面應(yīng)用以及4G標(biāo)準(zhǔn)的大力推進(jìn)，目前一些國際知名公司的研究機(jī)構(gòu)、各國科研機(jī)構(gòu)和高等院校都將無線視頻應(yīng)用作為一個重要的領(lǐng)域展開相關(guān)研究，他們的積極參與極大地推動了新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)研究和發(fā)展。

4 主要視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的壓縮率與復(fù)雜度對比

第一代采用變換/預(yù)測的混合視頻編碼框架主要是以去除視頻信號間的數(shù)據(jù)冗余來提升壓縮編碼的效率，較少考慮視覺上的冗余特性，近一二十年來，編碼效率的提升主要依賴于壓縮編碼工具集的不斷擴(kuò)展，隨著壓縮編碼工具集的不斷增加，編解碼器的復(fù)雜度也不斷大幅增加，圖4給出了MPEG－x系列編碼標(biāo)準(zhǔn)壓縮率和編解碼復(fù)雜度的關(guān)系曲線，以1993年推出的MPEG－1標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，從圖中可以看出當(dāng)前先進(jìn)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜度不斷增加，壓縮效率卻提升很慢，同時，壓縮效率的提高也顯著增加了硬件實(shí)現(xiàn)的成本，阻礙了視頻編碼技術(shù)在實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)中推廣應(yīng)用。

圖4 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)壓縮率與編解碼復(fù)雜度關(guān)系曲線圖

當(dāng)前以JPEG －x，MPEG－x，H.26x，VC －1和 AVS為主的五大系列圖像和視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)融合了各種性能優(yōu)良的視頻圖像編碼方法，采用變換/預(yù)測的混合視頻編碼框架，雖然代表了不同時期視頻圖像編碼的發(fā)展水平，也得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，但是，該技術(shù)框架發(fā)展到現(xiàn)在遇到巨大瓶頸，主要表現(xiàn)在［15］:

第一，該框架是以去除視頻信號間的數(shù)據(jù)冗余來提升編碼效率，較少考慮視覺上的冗余特性，隨著編碼工具集的不斷擴(kuò)展，數(shù)據(jù)冗余幾乎被去除殆盡，再沿用傳統(tǒng)的編碼思路其編碼效率已很難提升;

第二，傳統(tǒng)框架的編碼效率提升主要依賴于復(fù)雜度的大幅增加，要想進(jìn)一步提升編碼效率需要引入一些復(fù)雜度相當(dāng)高的編碼工具，這樣就會顯著增加硬件實(shí)現(xiàn)的成本，最終妨礙視頻編碼技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

因此，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余幾乎被去除殆盡的情況下，再沿用傳統(tǒng)的編碼思路很難提升其編碼效率，必須引入新的編碼理論和方法。

5 未來視頻編碼技術(shù)的發(fā)展趨勢

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC MPEG和ITU－T VCEG等非常重視這方面的工作，已于2010年成立專門協(xié)作團(tuán)隊JCT－VC（Joint Collaborative Team on Video Coding）開始了下一代視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)H.265，即高效視頻編碼（High Efficiency Video，HEVC）的研究和制定工作，主要包括高性能視頻編碼（High Performance Video Coder，HVC）和下一代視頻編碼（Next Generation Video Coding，NGVC）。并于2010年4月在德國召開了第一次會議，國際上許多著名的研究機(jī)構(gòu)和公司均已開展相關(guān)的研究，一場新的技術(shù)競爭正在全球范圍內(nèi)展開。我國在多媒體編碼和傳輸方面的研究歷來薄弱，由于沒有掌握MPEG－1，MPEG－2，MPEG－4和H.264/AVC等音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的自主知識產(chǎn)權(quán)，導(dǎo)致DVD、VCD、數(shù)字電視等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到很大制約，為了使移動多媒體業(yè)務(wù)不再重蹈覆轍，在新一輪的全球技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)競爭中占據(jù)有利地位，開展移動多媒體編碼傳輸理論與技術(shù)的研究就顯得非常必要和及時。2002年，在原信息產(chǎn)業(yè)部的大力支持下，我國音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織AVS工作組（Audio Video coding Standard Workgroup of China，AVS）成立，并制定了相關(guān)視音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)AVS－P2和AVS－P3，現(xiàn)在也已經(jīng)啟動了AVS2的研究與制定工作［17］。

近年來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動通信取得了商業(yè)運(yùn)營的巨大成功，無線多媒體通信已經(jīng)成為未來移動通信的發(fā)展趨勢。未來通信必將以實(shí)現(xiàn)“任何人可以在任何地點(diǎn)、任何時間與其他任何人以任意通信方式進(jìn)行暢通無阻的多媒體通信”為目標(biāo)［18］。其中無線視頻應(yīng)用尤為重要，在移動終端上向用戶提供視頻通信服務(wù)正成為3G和4G等移動通信技術(shù)的發(fā)展方向。據(jù)原信息產(chǎn)業(yè)部預(yù)測，在3G時代，移動增值業(yè)務(wù)帶來的收入將達(dá)到或超過運(yùn)營商總收入的50%以上，各種基于高速移動通信網(wǎng)絡(luò)的增值業(yè)務(wù)層出不窮，其中以移動視頻點(diǎn)播、移動視頻電話、移動視頻監(jiān)控、視頻短消息、移動遠(yuǎn)程教育等為代表的移動多媒體業(yè)務(wù)最具發(fā)展前景，以無線視頻通信為核心的這些多媒體業(yè)務(wù)將成為未來3G及4G業(yè)務(wù)的主導(dǎo)。

而在支撐移動多媒體業(yè)務(wù)的眾多技術(shù)中，多媒體編碼與傳輸理論和技術(shù)則是其中的核心，具有非常顯著的地位。由于無線視頻應(yīng)用中存在著無線信道傳輸帶寬波動、丟包率高、跨區(qū)切換頻繁以及終端異構(gòu)等一系列典型問題，它們將最終影響解碼視頻圖像的質(zhì)量。針對無線視頻通信中高誤碼率問題，在先進(jìn)視頻編碼的研究中，視頻容錯編碼是其主要的解決手段之一［19］。早在2005年，H.264/AVC及其擴(kuò)展可伸縮視頻編碼（Scalable Video Coding，SVC）的需求文檔 JVT － N027［20］中明確提出了視頻編碼的容錯需求。我國數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織AVS工作組已經(jīng)完成了視頻標(biāo)準(zhǔn)AVS－P2的制定工作，其制定的面向安防的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)AVS－S［21］也在其需求文檔AVS－N1400［22］中明確提出了容錯的需求;同時，在2008年6月啟動的AVS－P2中專門設(shè)立移動檔次來研究無視頻編碼的相關(guān)技術(shù)，其中對無線視頻容錯技術(shù)也提出了相應(yīng)要求。但是，當(dāng)前視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)所采用的容錯技術(shù)基本上還是靠增加冗余比特來增強(qiáng)視頻壓縮碼流的容錯性，容錯導(dǎo)致了編碼效率的降低，現(xiàn)有視頻編碼技術(shù)并沒有很好解決容錯性能和編碼效率之間的矛盾。因此，為了滿足有質(zhì)量保證的視頻業(yè)務(wù)在移動通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男枨?，必須突破傳統(tǒng)視頻編碼思路的局限，引入新的編碼思路和技術(shù)。

因此，下一代視頻編碼框架必須要從編碼理論上尋求突破，而自從Shannon創(chuàng)立信息論以來，視頻編碼技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)一直是沿著數(shù)字信號處理的思路發(fā)展。基于像素和像素塊的視頻處理系統(tǒng)與人眼視覺系統(tǒng)相比，其感知與認(rèn)知能力相距甚遠(yuǎn)。因此，在探明人類視覺信息處理的基本生理、心理機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立更加高效的視覺信息編碼及處理理論與方法已成為共識。

第二代數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)［23］是建立在圖像分析與合成、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺等理論的基礎(chǔ)上，與第一代視頻壓縮編碼技術(shù)相比，進(jìn)一步考慮到了去除視頻圖像及圖像序列中的結(jié)構(gòu)冗余、知識冗余和視覺冗余，以獲得更高的壓縮效率。但是，第二代數(shù)字視頻壓縮編碼中仍有許多編碼技術(shù)尚需進(jìn)一步的研究和探索。隨著計算機(jī)技術(shù)、腦科學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)等學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，基于人眼視覺的編碼理論有了較大發(fā)展，視覺編碼理論認(rèn)為人眼是視頻信號的最終接收者，編碼和傳輸人類視覺不能察覺到的或者不感興趣的信息對于網(wǎng)絡(luò)帶寬和終端設(shè)備來說都是一種浪費(fèi)，因此，編碼過程中應(yīng)充分考慮人眼視覺特性和視頻圖像內(nèi)容本身對編碼的影響。第二代數(shù)字視頻壓縮編碼理論［24］主要提出了基于對象的編碼方法［25］、基于模型的編碼方法［26］和基于分形的編碼方法［27］等幾種編碼技術(shù)，其中JCT－VC和AVS2目前正在展開基于人眼視覺理論的感知視頻編碼技術(shù)研究［28］，代表了下一代視頻編碼的研究方向，尚未達(dá)到成熟階段，但其中超高清視頻編碼［29］和立體視頻編碼技術(shù)［30］有望在未來幾年得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)束語

當(dāng)前主流視頻編碼技術(shù)仍然是第一代基于像素的編碼方法，雖然能較好地消除圖像的時空冗余和統(tǒng)計冗余信息，但主要是以較高的計算復(fù)雜度來換取較好的壓縮效率，基本上沒有有效去除其他冗余的機(jī)制。第二代數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)是建立在圖像分析與合成、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺等理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮到了去除視頻圖像及圖像序列中的結(jié)構(gòu)冗余、知識冗余和視覺冗余，以獲得更高的壓縮效率，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定組織正在大力開展下一代高性能視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，相信在不久的將來一定會有性能優(yōu)于當(dāng)前先進(jìn)編碼方法的新一代圖像視頻編碼技術(shù)。

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Status and Prospects of Digital Video Compression Coding Technology Standard

RUAN Ruolin1，HU Ruimin2

（1.School of Electronic and Information Engineering，Hubei University of Science and Technology，Hubei Xianning 437100，China;2.Computer School，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The rapid development of information technology and computer internet technology changes the people's way of life，the video has become a main source of information，and efficient video encoding technology has become the multimedia technology research hotspot.The current popular video encoding technology standards framework and its key technologies are introduced in this paper.And then，the relationship between these standards of efficiency and complexity are discussed.Lastly，the trends of the future video coding technology are analyzed in this paper.

digital video;compression encoding;technology standard;perceptual coding

TP391

A

【本文獻(xiàn)信息】阮若林，胡瑞敏.數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與展望［J］.電視技術(shù)，2014，38（3）.

國家自然科學(xué)基金項目（61271256;61231015）;國家“973”計劃項目（2009CB320906）;國家科技重大項目（2010ZX03004－003）;湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（D20132802）

阮若林（1974— ），博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，CCF、ACM會員，主要研究方向?yàn)闊o線視頻編解碼與通信;

胡瑞敏（1964— ），博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w信息處理、安防信息技術(shù)等。

責(zé)任編輯:時 雯

2013－04－01