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视频编码格式分类

2022-06-08 13 0
原文转自:https://www.toutiao.com/article/7101582136154866215

本文的转载得到了零声教育的QQ同意。

跟音频编码一样,视频编码最重要的目的也是为了进行数据压缩,以此来降低数据传输和存储成本。

以一路分辨率 720x1280(常说的 720P),帧率为 30 fps 的视频为例,如果不经过编码压缩,直接传输或存储原始的 RGB 数据,对应的码率是:720 * 1280 * 3 * 8 * 30 = 632.8125 Mbps (宽 * 高 * 像素字节数 * 字节比特数 * 帧数)。一分钟的时间所需要的数据量是:632.8125 Mbps * 60s = 4.63 GB。

这个数据量很大,需要很高的存储或传输成本,因此需要采用编码压缩技术以减少码率。

通常,对信息进行压缩,可以从这几个方面着手:

  • 1)信源包含的符号出现概率的非均匀性,使得信源是可以被压缩的。熵编码就利用信源的统计特性进行码率压缩的编码方式。比如著名的哈夫曼编码(也是熵编码的一种),就是当信源中各符号的出现概率都一样时编码效率最低。
  • 2)信源的相关性,使得信源是可以被压缩的。比如信息 A 和信息 B 的相关性,使得我们可以由信息 A 加残差 D(D = A - B) 来推导信息 B,这样只编码 A 和 D 来实现压缩,这就是所谓的差分编码技术。
  • 3)人的感知对不同信源的敏感度不一样,使得信源是可以被压缩的。对人感知不敏感的信息进行部分或全部忽略来实现压缩。

要对视频进行编码,则主要是研究视频数据中的冗余信息,并对其进行压缩。视频信息主要包括这几个方面的冗余:

  • 空间冗余:在同一张帧之中,相邻的像素之间通常有很强的关连性,这样的关连性即为空间上的冗余信息。
  • 时间冗余:在视频信息中,相邻的帧与帧之间通常有很强的关连性,这样的关连性即为时间上的冗余信息。
  • 编码冗余:视频中不同数据出现的概率不同,欲编码的符号的几率分布是不均匀的。
  • 视觉冗余:人的视觉系统对某些细节不敏感。视觉上的冗余信息是指在人在观看视频时,人眼无法察觉的信息。

现在常见的视频编码格式有 3 个大的系列,分别由不同的组织主导制定:

ISO-MPEG/ITU-T 系列

ISO-MPEG/ITU-T 系列:由国际标准组织机构(ISO)下属的运动图象专家组(MPEG)和国际电传视讯联盟远程通信标准化组织(ITU-T)开发的系列编码标准。

  • H.264,也被称为高级视频编码(Advanced Video Coding,简称 AVC),是一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式。该标准引入了一系列新的能够大大提高压缩性能的技术,并能够同时在高码率端和低码率端大大超越以前的诸标准。
  • H.265,也被称为高效率视频编码(High Efficiency Video Coding,简称 HEVC),是 H.264 的继任者。HEVC 被认为不仅提升图像质量,同时也能达到 H.264 两倍的压缩率(等同于同样画面质量下比特率减少了 50%),可支持 4K 分辨率甚至到超高画质电视,最高分辨率可达到 8192×4320(8K 分辨率),这是目前发展的趋势。
  • H.266,也被称为多功能视频编码(Versatile Video Coding,简称 VVC),是 H.265 的继任者。VVC 对 8K 超高清、屏幕、高动态和 360 度全景视频等新的视频类型以及自适应带宽和分辨率的流媒体和实时通信等应用有了更好的支持。根据最近的 JVET 官方主观测试结果,VVC 的平均编码性能相对 HEVC 的提高已经可以达到 49%。

AOM 系列

AOM 系列:前身是由 Google 主导的 VPx 系列的编码标准。后续由多家公司组件成立了开放媒体联盟(Alliance for Open Media,AOM)继续开发新的编码标准。

  • VP8,是一个开放的图像压缩格式,最早由 On2 Technologiesis 开发,随后由 Google 发布。同时 Google 也发布了 VP8 编码的实做库:libvpx,以 BSD 授权条款的方式发布,随后也附加了专利使用权。而在经过一些争论之后,最终 VP8 的授权确认为一个开放源代码授权。
  • VP9,是 Google 提供的开源的免费视频编码格式,是 VP8 的后续版本。
  • AV1,Alliance for Open Media Video 1 是由 AOM(Alliance for Open Media,开放媒体联盟)制定的一个开源、免版权费的视频编码格式,目标是解决 H.265 昂贵的专利费用和复杂的专利授权问题并成为新一代领先的免版权费的编码标准。此外,AV1 是 Google 制定的 VP9 标准的继任者,也是 H.265 强有力的竞争者。

AVS 系列

AVS 系列:AVS(Audio Video coding Standard)是中国具备自主知识产权的系列编码标准。

  • AVS2,第二代数字音视频编解码技术标准(AVS2),其首要应用目标是超高清晰度视频,支持超高分辨率(4K 以上)、高动态范围视频的高效压缩。
  • AVS3,AVS3 增加了对 8K 分辨率的支持,该技术将使用于中央广播电视总台 8K 超高清频道。

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