數字視頻編解碼技術回顧及展望

電影、電視隨著數字化、網絡化、云計算等技術的快速發展和多樣化個人消費電子多媒體產品的普及，已不僅僅依賴傳統的銀幕和屏幕呈現。運動視覺信息可隨時、隨處獲取，運動視覺感知信息被以多樣化媒體形態呈現，人們也更多地依賴運動視覺感知來獲取信息。（引用“運動視覺感知”是因為電影、電視、視頻等詞義不能完整涵蓋）運動視覺感知技術進步是信息技術進步的體現，其前提是人們對運動視覺圖像數字視頻編解碼技術的研發。一個運動視覺感知效果的優劣直接與數字視頻編解碼器的基礎理論研究成果相對應。

　　目前數字電影、數字電視、交互式個人智能終端等都離不開數字視頻編解碼技術。數字視頻編解碼技術不僅在影視、通訊、網絡等多專業技術領域廣泛應用，也容易地在個人消費電子產品終端上實現，而且這些設備上有可能同時實現多種數字視頻信號的編解碼應用。

　　數字視頻編解碼技術領域的特點是種類繁多、多類型并存、新舊共存、研發成果日新月異。目前沒有那種數字視頻編解碼技術可以替代其它所有的數字視頻編解碼技術。系統了解數字視頻編解碼技術是認識運動視覺感知技術現狀及未來的很好途徑，我們通過按數字視頻編解碼技術開發時間順序及研發機構的分類來了解常見的數字視頻編解碼技術。

　　1. H.261標準由ITU-T（ITU Telecommunication Standardization Sector中文：國際電信聯盟遠程通信標準化組）的前身CCITT（International consultative committee on telecommunications and Telegraph中文： 國際電報電話咨詢委員會）下屬T VCEG小組（Video Coding Experts Group中文：視頻編碼專家組）于1988起開發、ITU-T（VCEG）于1990制定的。H.261主要在老的視頻會議和視頻電話產品中使用，H.261是第一個使用的數字視頻壓縮國際標準。H.261標準使用混合編碼框架，包括了基于運動補償幀間預測。它使用了常見的YCbCr顏色空間，4:2：0的色度抽樣格式，8位的抽樣精度，16x16的宏塊，分塊的運動補償，按8x8分塊進行的離散余弦變換，量化，對量化系數的Zig-zag 掃描，run-level符號影射以及霍夫曼編碼。H.261只支持逐行掃描視頻輸入。雖然H.261目前已很少使用。但它是視頻編解碼領域的鼻祖，之后的所有的標準視頻編解碼器都是基于它設計的。

　　2. MPEG-1標準由ISO/IEC（International Organization for Standards / International Electro-Technical Commission中文：國際標準化組織/：國際電工委員會） 下屬MPEG小組（moving pictures experts group中文：動態圖像專家組）制定的第一個視頻和音頻有損壓縮標準。MPEG-1（Part2）視頻壓縮算法，ISO / IEC（MPEG）于1990年定義完成MPEG-1視頻編碼標準。1992年底，MPEG-1（Part2）正式被制定為國際標準。其原來的主要目標是在音頻CD（Compact Disc）光盤上記錄圖像，MPEG-1（Part2）視頻壓縮標準是VCD（Video Compact Disc）光盤的技術核心。有些在線視頻也使用MPEG-1（Part2）這種格式。MPEG-1（Part2）編解碼器的質量大致上和原有的VHS錄像帶相當， VCD應用約定MPEG-1（Part2）的分辨率約為352×240，數字視頻信號編碼使用固定的比特率（1.15Mbps）。雖然只要輸入視頻源的質量足夠好，編碼的碼率足夠高，MPEG-1（Part2）可獲得更大的畫幅尺寸、更高的運動視覺感知質量。但是考慮到要讓所有商業化的VCD播放機有一個統一的技術標準及硬件處理能力的限制，規定高于1.15Mb/s的視頻碼率或者高于352x288的視頻分辨率都不被單體的VCD播放機（包括一些DVD 播放機）使用。這樣使得VCD在播放快速動作的視頻時，由于數據量不足，令壓縮時宏區塊無法全面調整，視頻畫面出現模糊的方塊。MPEG- 1（Part2）視頻壓縮算法具體實用在VCD時對運動視覺感知效果欠佳，這也許是VCD在發達國家未獲成功的原因。而MPEG-1 Layer 3則是目前廣泛使用的mp3音頻壓縮技術。如果考慮通用性的話，MPEG-1的視頻/音頻編解碼器可以說是通用性最高的編解碼器，幾乎世界上所有的計算機都可以播放MPEG-1格式的文件。幾乎所有的DVD機也支持VCD的播放。從技術上來講，比起H.261標準，MPEG-1增加了對半像素運動補償和雙向運動預測幀。和H.261一樣，MPEG-1只支持逐行掃描的視頻輸入。

　　3. H.262視頻壓縮標準，是ITU-T（VCEG）于1994年升級H.261后制定的視頻壓縮標準，它與ISO / IEC（MPEG）制定的視頻壓縮標準MPEG-2（ISO/IEC13818-2）內容上相同，使用在DVD、SVCD和大多數數字視頻廣播系統和有線分布系統（cable distribution systems）中。當使用在標準DVD上時，它支持較高的圖像質量和寬屏；當使用在SVCD時，它的質量不如DVD但是比VCD高出許多。MPEG- 2（ISO/IEC13818-2）也被使用在新一代DVD標準、HD-DVD 和 Blu-ray（藍光光盤）上。從技術上來講，比起MPEG-1，MPEG-2（ISO/IEC13818-2）最大的改進在于增加了對隔行掃描視頻的支持。MPEG-2（ISO/IEC13818-2）雖然是一個相當老的視頻編碼，但是它具有很大的普及度和市場接受度。ISO / IEC（MPEG）原先打算開發MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3和MPEG-4四個版本，以適用于不同帶寬和數字影像質量的要求。繼MPEG- 2之后打算開發的MPEG-3編碼和壓縮標準最初是為HDTV開發的編碼和壓縮標準，但由于MPEG-2已能適用于HDTV，使得原打算為HDTV設計的 MPEG-3，還沒出世就被拋棄了。

　　4. H.263視頻壓縮標準，制定于1995年，主要用在視頻會議、視頻電話和網絡視頻上。在對逐行掃描的視頻源進行壓縮的方面，H.263比它之前的視頻編碼標準在性能上有了較大的提升。尤其是在低碼率端，它可以在保證一定質量的前提下大大的節約碼率，對網絡傳輸具有更好的支持功能。與之前的視頻編碼國際標準（H.261，MPEG-1和H.262／MPEG-2）比較H.263的性能有了革命性的提高。1998年增加了新的功能的第二版H.263+，或者叫H.263v2，與初始版比較H.263+顯著的提高了編碼效率并提供了其它的一些能力，在2000年又完成的第三版H.263++，即H.263v3 它是在H.263+的基礎上增加了更多的新的功能。

　　5. MPEG-4（ISO/IEC 14496-2）于1999年初正式成為國際標準。有時候也被叫做“ASP”。 它們可以使用在網絡傳輸、廣播和媒體存儲上。比起MPEG-2