視頻編解碼技術的定義及原理　 



　　定義：編碼是將一組字符轉換為一個字節序列的過程。解碼則是一個反向操作過程，即將一個編碼字節序列轉換為一組字符。
　　原理：視頻是由一幅幅圖像組成，所以視頻的編解碼首先要從圖像的編解碼開始。我們常見的電視圖像是由多個光點組合而成，電視機利用R(紅)、G(綠)、B(藍)三色不同比例的混合來表示各種色彩，從而實現視頻信號點對點的轉化。然而在實際中，我們將RGB信號按一定比例組合成為Y(亮度)、色度(U、V)信號。RGB到YUV的轉換關系為：Y=0.3R+0.59G+0.11B、U=B- Y、V=R-Y。由此轉換關系可以看出，色度信號比亮度信號在水平和垂直方向各少傳一半的傳輸量，這就是我們常說的4∶2∶2圖像壓縮格式。通過這次壓縮實現了視頻信號的數字化。當模擬信號數字化后其頻帶大大加寬，一路6MHz的普通電視信號數字化后，其數碼率高達162MHz以上。因此未壓縮的數字視頻信號只能用于本地設備之間的數據交換，不適合傳輸和存儲。只有采用數字壓縮技術才能很好地解決傳輸帶寬和存儲空間被大量占用的難題。數字圖像壓縮技術就是利用視頻圖像在空間和時間上的冗余度很大的特性，將空間和時間中冗余的信息去除，只保留非相關信息進行傳輸，大大節省了傳輸頻帶。接受利用這些非相關信息，按照一定的解碼算法，可以在保證一定圖像質量的前提下恢復原始圖像。這就是視頻壓縮編解碼技術的原理。
　　從信息論的觀點來看，描述信源的數據是信息和數據冗余之和，即：數據=信息+數據冗余。數據冗余有許多種，如空間冗余、時間冗余、視覺冗余、統計冗余等。將圖像作為一個信源，視頻壓縮編碼的實質是減少圖像中的冗余。
 
　 H.26X系列視頻編碼國際標準 
 
　　H.261 編碼標準
　　H.261是1990年ITU-T制定的一個視頻編碼標準，屬于視頻編解碼器。采用了運動補償預測和離散余弦變換相結合的混合編碼方案，具有很好的壓縮效果，是其他圖像壓縮標準的核心和基礎，實質上說，之后的所有的標準視頻編解碼器都是基于它設計的。
　　它解決了三個問題：，解決了編解碼算法的問題。確立了一種合理的、保證圖像質量的、為各通信編碼專家所認可的統一算法;，解決了PCM標準的互換問題。中國和歐洲PCM一次群為2.048Mbit/s的碼率，即32個時隙，而北美和日本采用1.544Mbit/s的一次群，即24個時隙。應用PCM信道傳輸時，編解碼碼率不一致。H.261 建議不涉及到PCM標準問題，編碼器工作于64～1920Kbit/s的速率覆蓋N-ISDN或PCM一次群的通道;第三，為編碼器設定了一種公共的圖像格式，解決了電視的PAL制與NTSC制的互通問題。兩種制式的視頻信號都能轉變成公共中間格式(CIF)，這樣解決了收發端與電視制式無關的問題。

　　H.261編碼算法具有如下特點：
　　(1)采用通用的中間格式(CIF);
　　(2)圖像按視頻的整數倍速率抽取，與數字網絡時鐘同步;
　　(3)視頻編碼器提供一組獨立的數字比特流;
　　(4) 采用混合編碼算法，幀間預測用來降低圖像信號的時間冗余度，而變換編碼用于降低空間域的冗余度;
　　(5)視頻的編碼速率從40kb/s到2Mb/s;
　　(6)傳輸比特流包含BCH (511，493)前向糾錯碼。

　　H.261的編解碼算法，視頻多路按這種算法結構組織視頻復合編碼，將同步信號、定址信息及其他信息加到視頻信息中，并對視頻數據做變字長編碼、輔助信號壓縮控制等進一步處理，最終達到適于傳輸的理想的視頻信號。
　　H.263 編碼標準
　　　 H.263是由ITU-T制定的視頻會議用的低碼率視頻編碼標準，屬于視頻編解碼器。在H.261標準的基礎上發展，其圖像編碼的核心算法仍然是H.261標準中采用的混合編碼，但是H.263建議的是低碼率下的圖像傳送，在技術上是H.261的改進和擴充，支持碼率小于64Kbit/s的應用。實質上，H.263 以及后來的H.263+和H.263++已發展成為支持全碼率應用的建議，支持眾多圖像格式，如SQCIF、QCIF、CIF、4CIF甚至16CIF等格式。改進后的H.263 標準下的圖像效果在384K碼率情況下比H.261標準的圖像有了很大改善。　
　　H.264 編碼標準
　　　 H.264是ITU-T的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC的MPEG(活動圖像編碼專家組)的聯合視頻組(JVT)開發的一個新的數字視頻編碼標準。H.264 和以前的標準一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設計，不用眾多的選項，獲得比H.263好得多的壓縮性能。加強了對各種信道的適應能力，采用“ 網絡友好 ”的結構和語法，有利于對誤碼和丟包的處理。應用目標范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸(存儲)場合的需求。在技術上，H.264標準中有多個閃光之處，如統一的VLC符號編碼，高精度、多模式的位移估計，基于4×4塊的整數變換、 分層的編碼語法等。這些措施使H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質量下，能夠比H.263節約50%左右的碼率。H.264的碼流結構網絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網絡的應用。

　　H.265編碼標準
　　　 H.265是ITU-T VCEG 繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著現有的視頻編碼標準H.264，保留原來的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質量、延時和算法復雜度之間的關系，達到最優化設置。具體的研究內容包括：提高壓縮效率、提高魯棒性和錯誤恢復能力、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度等。H.264由于算法優化，可以低于1Mbps的速度實現標清數字圖像傳送;H.265則可以實現利用1~2Mbps的傳輸速度傳送720P(分辨率1280*720)普通高清音視頻傳送。
　　H.265/HEVC的編碼架構大致上和H.264/AVC的架構相似，但在HEVC編碼架構中，整體被分為了三個基本單位，分別是：編碼單位(coding unit,CU)、預測單位(predict unit,PU) 和轉換單位(transform unit,TU )。在編碼單位上可以選擇從最小的8x8到最大的64x64。相比于H.264，在相同的圖象質量下，通過H.265編碼的視頻大小將減少大約39-44%;在碼率減少51-74%的情況下，H.265編碼視頻的質量還能與H.264編碼視頻近似甚至更好，其本質上說是比預期的信噪比(PSNR)要好。