圖像編碼標準的進展

朱曉蓉

[摘要]首先對圖像編碼標準的發展作了分析；然后介紹圖像編碼原理；最后簡單地介紹圖像編碼新標準。

[關鍵詞]圖像編碼標準 ISO/IEC ITU MPEG H.264 H.265 AVS

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220018－03

1948年，信息論提出，奠定了圖像數據壓縮技術的基礎。直至今日，圖像編碼已走過了整60年的歷程。

一、制定圖像編碼標準的國際組織

（一）ISO/IEC

國際標準化組織（International Organization for Standardizati

on，簡稱ISO）是目前世界上最大、最具權威性的國際標準化專門機構。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，簡稱IEC）是世界上最早的國際性電工標準化機構。負責制定MPEG系列編碼壓縮標準。

（二）ITU

國際電信聯盟（International Telecommunication Union，簡稱ITU），是國際電信界最權威的標準修訂組織。1972年12月起，電信標準化部、無線電通信部和電信發展部承擔著ITU的實質性標準制訂工作。其中，電信標準化部門由原來的國際電報電話咨詢委員會(CCITT)和國際無線電咨詢委員會(CCIR)的標準化部門合并而成。負責制定H系列編碼壓縮標準。ISO/IEC與ITU有時又聯合一起制定編碼壓縮標準。這可從圖1中看出。

二、圖像編碼標準及所采用的技術

（一）MPEG系列標準

ISO/IEC制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2)以及MPEG4(10)標準。主要用于電視廣播和消費類電子產品。

（二）H系列標準

ITU制定了H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263++、H.264標準。主要用于通信類電子產品。

（三）兩個系列標準的對應關系

表1示出了視頻編碼標準發展歷程，分別由ISO/IEC與ITU制定的編碼壓縮標準，以及由ISO/IEC與ITU聯合制定的編碼壓縮標準。

由表1可見，圖像壓縮標準可分為兩大系列：MPEG-X；H.26X。它們在數據壓縮技術和輸出碼率之間有如表2所示的對應關系。

（四）中國的AVS標準

我國是ISO/IEC組織的正式成員國，國家信標委下屬的多媒體分委員會與ISO/IEC JTC1/SC29直接對口。從2000年5月開始，我國開始跟蹤并參與JVT標準的制定工作，目前已有多項技術提案遞交到JVT標準，有些技術已經被JVT標準所接收。

基于我國專家多年參與MPEG國際標準制定的經驗，2002年6月成立的“數字音視頻編解碼技術標準工作組”聯合國內從事數字音視頻編解碼技術研發的科研機構和企業，提出了我國自主的數字音視頻編解碼技術標準AVS(Audio Video coding Standard)。于2003年年底完成的AVS 1.0標準具有四個特點：①性能高，與H.264基本相同；②算法的復雜度比H.264低；③軟件和硬件實現成本都比H.264低；④專利授權費用低。

（五）目前業界最看好的二三種主要標準的對比

1．3種編碼標準的基本功能

3種編碼標準的基本功能對比如表3。

這三種主要編碼技術各有優缺點，MPEG-4(2)發布較早，產業化程度較高，產品相對成熟，價格也較低，同時算法復雜度較低，但是編碼效率也相對較低，速率較高，對網絡要求較高。對于H.264標準，已經有多家廠商提供H.264芯片和機頂盒，產品成熟，而且因為采用了多項提高圖像質量和增加壓縮比的技術措施，在不影響視頻效果的情況下能夠比MPEG-4(2)節約39%的碼率。例如要達到標清質量，MPEG-4(2)編碼需要1.5～2Mbit/s的碼率，而H.264只需要1.2～1.5Mbit/s碼率即可；對于高清圖像質量，MPEG-4(2)編碼的視頻碼率需要6～8Mbit/s，而H.264只需要4～6Mbit/s。因此在信道總容量相同的情況下能夠覆蓋更多的用戶。同時，由于H.264是由ITU-T和ISO/IEC聯合制定的，所以對解碼兼容性有著明確的定義，具有較強的抗誤碼能力，容易獲得穩定的圖像，適用于丟包率高、干擾嚴重的信道傳輸。不過H.264的算法復雜度較高，系統開銷也比較大。

AVS是近幾年才提出的視頻標準，產業化進程落后于H.264。但是AVS的編碼效率與H.264相當，而算法復雜度比H.264明顯低，其編碼復雜度相當于H.264的30%；解碼復雜度相當于H.264的70%，軟硬件實現成本都低于H.264；由于具有自主知識產權，專利費用低，可以預期AVS標準將會是支撐國家數字音視頻產業發展的重要標準。

2．專利費用對比

3種標準對應的專利費用如表4所示。

可以看出在專利費方面AVS占有絕對的優勢。MPEG-4和H.264不僅要收軟硬件的專利費，而且還要收取節目點播費用等，中國龐大用戶群將給運營商帶來每年數以億計的巨大專利費負擔；而AVS只收取1元人民幣的象征性費用，對于運營商來講非常具有吸引力。

3．應用情況對比

從目前情況看，MPEG-4和H.264在中國市場應用較普遍，兩者已應用在中國電信和中國網通開展的手機電視試驗及商用網中。由于AVS推出較晚，還處于上下游產業鏈的完善階段，在市場的推廣和開拓方面還有待加強，真正商用有待驗證其圖像質量、是否滿足商用要求和產業鏈的逐漸成熟。目前3種標準常見的應用場景列舉如表5。

（六）截至目前為止圖像壓縮編碼所采用的技術

截至2008年國內外所有圖像信源壓縮標準都是采用混合編碼壓縮方法。它包括內插法、預測編碼、變換編碼和熵編碼等技術，統稱為混合編碼壓縮方法。所有標準都可用圖1所示的“混合型”編碼方案的框圖描述。從圖1可以看出，在編碼器的虛線框內實際上就是解碼器，所以說編碼器中包括了解碼器。

之所以有新舊標準的差異，是因為每個框圖中所采用的技術不同，較早提出的標準技術較簡單，新標準的技術較精細，帶來壓縮倍數的不斷提高。該方案中用運動補償幀間預測去除圖像在時間域的冗余度，然后用變換變換編碼去除空間域的冗余度，最后再用熵編碼去除經量化后的變換系數中所含的統計冗余度。變換系數的量化利用了人眼的視覺特性，量化器的精度還受到輸出緩存器狀態的控制。輸出緩存器是為了適應恒定碼率信道的要求，平滑變字長編碼器輸出的不均勻碼流而設置的。當緩存器接近上溢和下溢時，通過反饋控制量化器的精度調整緩存器的輸入碼流，保持輸出數碼率的恒定。但現在很多標準編碼器都不加緩存器，采用變速率輸出，有利于統計復用，提高圖像質量。圖1的信源編碼方案，是積60年圖像編碼經驗之總結。

三、圖像數據格式

（一）幾種典型數字電視設備數據格式

表6列出了幾種典型的數字電視設備的數據格式。

注：QCIF：Quarter Common Intermediate Format（四分之一公用中間隔式）；CIF：Common Intermediate Format（公用中間隔式）；SIF：Source Input Format（源輸入格式）；VCD：Video Compact Disk（視頻光盤）；DVD：Digital Video Disk（數字視頻光盤）；HDTV：High Definition Television（高清晰度電視）；D：Definition（分辨率）。H.264標準由于采用4×4整數變換，上表應采用(4×4)數據格式。

（二）極高清晰度成像(HRI)格式

ITU-R BT.1201建議書提出了極高清晰度成像(HRI)格式和規范。該建議的提出主要考慮到超高清晰度圖像能夠在諸如計算機圖形、印刷、醫療、數碼相機和電視電影等領域的圖像系統中使用。HRI典型空間分辨率的級別的建議如表7所示。

四、圖像編碼的未來

（一）圖像編碼壓縮遵循的規律

圖像編碼壓縮算法的壓縮比由下式決定。

壓縮技術層出不窮，圖像數據壓縮比不斷提高。著名圖像專家德國Musmann教授2006年在北京主持了“圖象編碼的過去與未來”專題討論會，并首先發言，對圖像編碼壓縮技術的過去幾十年工作作了總結，認為：達到廣播質量的視頻編碼的壓縮比大約每5年翻一番，并畫出了圖3曲線。后來被公認稱為Musmann定律。

（三）未來的圖像編碼標準

1．新標準H.265

據報導，約于2012年推出的H.265新標準也是采用“混合型”編碼方案，也可用圖2框圖來描述。壓縮比是H.264的兩倍。其技術主要在對H.264的改進和增強。可概述如下：

（1）提高壓縮效率；具有魯棒性，提高錯誤恢復能力（如用于手機通信）；

（2）減少時延（實時時延、信道獲取時間、隨機接入時延）；

（3）減少復雜度等。

采用的主要算法有：

（1）自適應插值濾波器，編碼增益約提高1dB；

（2）1/8像素精度運動補償預測，可使比特率減少3～14%；

（3）運動矢量競爭機制，將預測塊的集合由原來的空間域擴展到了時間域及空時混合域。可得到平均為6.1%的壓縮增益（對復雜運動這一增益可達20%）；

（4）迭取自適應量化矩陣，對于每個宏塊基于率失真函數選擇最優的量化矩陣；

（5）空域和頻域自適應預測殘差編碼，采用這一方法，與H.264相比，在相同比特率時，PSNR可提高到0.02～1dB。

2．暢談未來

從上述可知，即使推出H.265新標準，其壓縮比也不會超過400。筆者認為，如果繼續采用圖2所示“混合型”編碼方案，壓縮比再要得到大幅度提高，很難了。必須改換一種思維、改換一種方案來考慮。幸而，已有不少學者在探討壓縮比高達1000～10000的技術，只不過目前還不能實時實現。隨著技術的進步，圖像數據壓縮編碼方法方興未艾。

參考文獻：

[1]ITU-T Rec.H.264.

[2]ITU-T VCEG H.265.

[3]余兆明等，圖像編碼標準H.264技術，人民郵電出版社.