H3C 多媒体培训教材-基础知识-视频编码v1

杭州华三通信技术有限公司H3C多媒体培训教材

－视频编码培训对象:内部人员,合作伙伴,客户前言了解当前视频编码领域的主要发展情况了解常用视频编码的主要特点及应用领域培训目标:学习完本课程，您应该能够：目录MPEG系列和H.26X系列视频编码概述H.264简介其他常见视频编码原理引入：关于视频编码定义：所谓多媒体编辑码方式就是指通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件的方式。

意义：视频编码最主要的目的是为了对数字视频信息进行压缩，从而降低数字视频的存储（容量）与传输（带宽）的成本。原理：视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息；通过压缩技术，可将数据中的冗余信息去掉（去除数据之间的相关性）；压缩技术包含帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。视频编码技术的主要标准组织在视频编解码技术定义方面主要有两大标准机构：

国际电信联盟(ITU)

：ITU-T视频编码工作组的视频编码研究主要是面向视频通信，如会议电视、可视电话等视频通信应用，推出的视频压缩标准为H.26x系列，包括H.261、H.262、H.263与H.264；

国际标准化组织(ISO)

：ISO下属的运动图像工作组（MPEG，MotionPictureExpertGroup）也对视频编码进行研究，推出的标准为MPEG系列，主要针对消费类数字视频应用，如广播电视、VCD/DVD等视频存储，已经针对运动图像压缩定义了的MPEG标准包括MPEG1、MPEG2与MPEG4等。注意：除了ITU与ISO两个主要的标准组织以外，还有很多厂商、和组织也进行视频编码技术研究，并提出了相应的技术标准，如微软提出WMV9（并经美国电影电视工程协会(SMPTE)标准化为VC-1标准），中国数字音视频编解码技术标准工作组提出AVS标准等。（这两个标准组织的工作并非完成独立，有时会相互合作，进行联合研究。随着视频应用的日益广泛，两个标准组织之间的重合交叉部分会越来越多）视频编码编码标准概述：MPEG系列标准标准名称发布时间主要内容主要应用MPEG-11993年正式推出包括系统（system）、视频（Video）、音频（Voice）、一致性（compliance）和参考软件（Software）五个部分编码高至1.5Mbit/s，编码分辨率为SIF（StandInputFormat：320×240），主要应用为VCD。

MPEG-21994年1）前五部分与MPEG1相同，在MPEG-1的基础上附加了一些特征帧格式和编码选项。2）相对于MPEG-1，可支持更高的分辨率和传输率，支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机访问、分级编码、比特流编辑等功能。MPEG-2主要用于数字存储媒体、高清晰度电视和数字视频广播等领域（SVCD，HDTV，DVD，DVB等），能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2是迄今为止最成功的视频编码技术MPEG-41999年1月第一版1）标准中规定适应的3段比特率范围分别为：低于64kbit/s；64kbit/s~384kbit/s；384kbit/s～4Mbit/s。2）MPEG-4标准定义了一种框架而不是具体的算法，采用基于对象的方式，通过对不同的视听对象（自然的或合成的）独立进行编码实现较高的压缩效率，同时可实现基于内容的交互功能，满足了多媒体应用中人机交互的需求。MPEG-4定位于多媒体业务在各个领域的应用，不同的应用对应的码率、分辨率、质量和服务也不同。目前MPEG-4标准的主要应用领域有：数字电视、实时多媒体监控、互联网视频通信、低比特率下的移动多媒体通信等。视频编码编码标准概述：MPEG系列标准标准名称发布时间主要内容主要应用MPEG-7

MPEG-7（ISO/IEC15938）一般称为多媒体内容描述接口，主要是为了图像、声音信息的有效管理和迅速搜索问题。MPEG-7定义了一个关于内容描述方式的可互操作的框架，对多媒体内容进行描述和检索，使多媒体信息查询更加智能化。目前已经实现了的应用包括数字图书馆、广播媒体选择、多媒体目录服务、多媒体编辑、电子商务、家庭娱乐等。MPEG-21

正式名称是多媒体框架，重点是为从多媒体内容发布到消费所涉及的所有标准建立一个基础体系，支持各种多媒体设备之间的互操作。

MPEG系列国际标准已经成为影响最大的多媒体技术标准，对数字电视、视听消费电子产品、广播电视、多媒体通信等产业都有重大影响视频编码编码标准概述：MPEG系列标准注意：1、MPEG-4标准定义的是一种框架，而不是具体的编码算法，这使得视频产品具备更大的灵活性和可扩展性。按照MPEG4标准，设备厂商采用MPEG-4标准进行产品开发时，可根据应用需求的不同，适当选择标准工具的子集。2、这同时也是导致MPEG4产品之间兼容性差的一个重要原因。视频编码编码标准概述：H系列标准标准名称发布时间主要内容主要应用H.261

最早的运动图像压缩标准，主要针对ISDN上的双向视频通信应用（如视频会议、可视电话）设计，支持CIF（352×288）及QCIF(176×144)分辨率，编码速率为64kb/s的倍数（P*64）。由于主要用于对延迟敏感的双向视频，因此H.261仅允许采用I与P帧，而不允许B帧。H.261已经过时，基本没有应用H.2621994年与MPEG2相同

H.263

H.263是ITU-T为低于64kb/s的窄带通信信道制定的视频编码标准。它是在H.261基础上发展起来的，其标准输入图像格式可以是S-QCIF、QCIF、CIF、4CIF或者16CIF的彩色4∶2∶0亚取样图像。其基本原理与H.261大同小异。随后出现的第二版(H.263+)及H.263++增加了许多选项，使其具有更广泛的适用性。H.263及其附件构成了MPEG-4中许多编码工具的核心。H.263主要用于可视电话和视讯会议系统H.2642003.07H.264是视频编码技术在过去几年最重要的发展之一,由ITU和ISO/IEC的联合视频小组(JVT)开发，具备比以往各种视频编码标准更高的压缩效率。（更详细情况参考后面的介绍）H.264是目前应用前景最广泛的视频编码，目前已经广泛应用于视讯会议、视频监控、可视电话、IPTV等领域，此外，DVD、数字电视、移动视频等领域也开始采用H.264视频编码编码标准概述：两大系列标准的关系MPEG2(也叫H.262)和H.264（也叫MPEG-4AVC或MPEG-4part10）都是ITU-T和ISO两个标准组织合作的结果目录MPEG系列和H.26X系列视频编码概述H.264简介其他常见视频编码关于H.264

H.264是两大标准组织合作的最新、最重要的成果：

H.264是ITU-T对该标准的称呼，在ISO的MPEG方面就称其为MPEG-4Part10（第10部分，也叫ISO/IEC14496-10），有时也叫MPEG-4AVC（AdvancedVideoCoding）H.264是当前最炙手可热的视频编码标准！H.264的主要优势1、压缩效率更高：在相同的视频质量下，H.264与MPEG2相比节约超过50％的带宽2、对信道时延的适应性较强：既可工作于低时延模式以满足实时业务，如会议电视等；又可工作于无时延限制的场合，如视频存储等；

3、更好的网络适应性：H.264提供更多的容错工具，加强对误码和丢包的处理，提高解码器的差错恢复能力；4、在编/解码器中采用复杂度可分级设计：在图像质量和编码处理之间可分级，以适应不同复杂度的应用。H.264的几个等级

基本类（BaseLineProfile）：降低了计算及系统内存需求，而且针对低时延进行了优化，所以BaseLine中不包括B帧的处理；适合于可视电话应用以及其他需要低成本实时编码的应用；主类（MainProfile）：相比于基本类，压缩效率提高了很多，但其要求的处理能力也比基本类高许多，适合于广播与内容存储应用，如SDTV/HDTV、DVD等；扩展类（ExtendProfile）：扩展类支持除CABAC外所有H.264/AVC特性，更适合于用于各种网络视频流传输，主要定位于网络流媒体应用等；

高级类（HighProfile）：H.264HP是后来又新推出一个版本，主要是保真度范围扩展(FRExt)

，H.264中添加了一整套工具，大幅提升H.264的性能，主要应用于高清广播与DVD等应用。TempeteCIF30Hz25262728293031323334353637380500100015002000250030003500Bit-rate[kbit/s]QualityY-PSNR[dB]MPEG-2H.263MPEG-4H.264几种常用编码算法的压缩效率比较可见，H.264的编码压缩性能最高，在相同的图象质量下，H.264所需带宽约为MPEG-2的36%、H.263的51％、MPEG-4的61％几种常用编码算法对性能的要求比较单片TIDM6446平台处理D130fps(480）、YUV4:2:0性能所需要频率典型值。1、不同编码算法的压缩率不同，复杂度也不同，对编码/解码设备的性能要求也不同2、H.264算法是最复杂的，对编码器/解码器的系统要求最高，同样的清晰度要求时，H.264BP编码对CPU的性能要求是H.263/MPEG4的1.6，H.264解码对CPU的性能要求是H.263/MPEG-4的3倍；（该数据仅供参考）目录MPEG系列和H.26X系列视频编码概述H.264简介其他常见视频编码中国自己的视频编码标准-AVS据一些测试显示：AVS的优势体现在算法复杂度低和易于实现，在清晰度略低于甚至接近H.264的前提下，AVS解码复杂度相当于H.264的30%，AVS编码复杂度相当于H.264的70%；另外一个很重要的优势就是标准使用费用低。1、AVS视频编码标准（AudioVideocodingStandard）是中国数字音视频编解码技术标准工作组制定的数字音视频编码标准。AVS国家标准包括9个部分，其中《第2部分视频》（简称AVS视频）于2006年2月颁布，3月正式实施。2、AVS在具体的实现技术上与H.264有很多相似之处，如采用了变换、量化、帧内预测、帧间预测、环路滤波、熵编码等流行的压缩技术，同时在帧内预测时AVS将时间域和空间域相结合。3、AVS目前已经在IPTV等领域开始应用（如网通采用AVS作为IPTV的视频标准），此外，在视频监控、手机电视等领域的应用也在不断推进中，并将为这些应用推出专用的AVS版本，如为视频监控推出AVS-S。JPEG、JPEG2000、MJPEG1、JPEG：JPEG（JointPhotographicExpertsGroup，联合图像专家组)，是一种有损压缩格式。由于可以做到压缩比例和图像质量之间较好的平衡，JPEG成为目前最流行的图像压缩格式之一。JPEG压缩比率通常在10：1到40：1之间可调。2、JPEG2000：JPEG2000作为JPEG的升级版，其压缩率比JPEG高约30％左右，同时支持有损和无损压缩。JPEG2000最重要的改进之一在于它能实现渐进传输，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，让图像由朦胧到清晰显示，这点非常适合互联网应用。此外，JPEG2000还支持所谓的“感兴趣区域”特性，可以任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩。3、MJPEG：MJPEG（MotionJPEG）压缩技术是在JPEG基础发展起来的动态图像压缩技术，它的特点是全部采用帧内编码，而基本不考虑视频流中不同帧之间的变化。但是可灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。在有些国家，只有采用帧内编码的视频录像才可作为法律证据，这也是MJPEG在视频监控中应用的优势之一。主要问题：1）对系统的性能要求高，一般很难做到满帧率，同时实时性较差。2）压缩效率低，占用存储空间较大。其他编码技术除了上述标准外，还有很多厂商、和组织也进行视频编码技术研究，并提出了相应的技术解决方案，尤其是在互联网视频应用领域，如RealNetworksRealVideo(RV10)、WMV（MicrosoftWindowsMediaVideo）系列等。其中比较受关注的是WMV9。1、WMV是微软创立的视频压缩技术标准，WMV是在微软的ASF（AdvancedStreamFormat）格式升级而来，WMV文件一般同时包含视频和音频部分。视频部分使用WMV编码，音频部分使用WindowsMediaAudio编码。2、WMV9是微软WMV系列中的最新版本。在同等视频质量下，WMV格式的体积较小，因此比较适合在网络传输和播放。其中WMV-HD，基于WMV9标准，目前已经通过美国电影电视工程协会(SMPTE)标准化为VC-1标准。WMV9（VC-1）目前主要用于网络视频传输和播放，但是微软正努力推广该标准的应用常见视频应用领域的标准进展情况

主要视频应用领域中的标准情况（仅供参考）应用主要需求当前应用的主要编码近期发展趋势视频监控

MPEG2、MPEG4、MJPEG、H.264H.264、AVS可视电话、会议电视低时延、低比特率H.261、H.264H.264互联网流媒体