視頻編碼技術的應用與發展

牛繼來

摘 要：視頻編碼技術是視頻編輯的基礎技術，編碼技術的發展推動了視頻技術行業的進步。H.261第一版本在1988年發布，確定了基于塊的混合編碼框架，包括幀內預測、幀間預測、變換編碼以及編碼技術，該框架成為后續視頻編碼標準的基礎。目前應用廣泛的編碼技術是H.265，它是目前最新一代視頻編碼標準，在2013年初一經發布就獲得了行業的極大重視。

關鍵詞：編碼技術，H.265，標準

一、視頻編碼技術的應用

1、視頻流量的加大。這是最為直觀的一個提升元素，我們可以通過下面的表格進行了解，表格中只是簡單的提出了“視頻源”的流量對比，但其實高清視頻的“不同格式”更決定了流量的不同。

可以看出，DVD視頻的數據流量只有約9.5Mb/s，但是最高的藍光可以達到40Mb/s以上，提升了4倍以上，無疑這是硬件配置提升的一個主要原因，因為需要處理的數據量增大了很多。

2、編碼格式的復雜度。我們知道每種編碼格式都有其自身的算法，優秀的算法可以將視頻壓縮到更小的體積，但是還原這種算法卻需要更強的計算能力。H.265高清編碼格式就是典型的代表。也許會碰到一些高清視頻，但是播放要求并不高，那可能它就是采用一些簡單的算法，比如Mpeg2的高清編碼格式，但是遇到類似H.265編碼格式，就會出現無法流暢播放的情況。

H.265因為優秀的算法取得了廣泛的支持，它的算法雖然復雜，但是能獲得最高的壓縮同時視頻細節損失很小，因此想要在流暢的播放高清視頻，H.265編碼視頻是必須通過的一個考驗。當然我們也不能忽視VC-1編碼，它是微軟力推的編碼格式，也受到了廣泛的支持，其要求雖然略低，但同樣造成了目前很多主流電腦的“播放困難”。至于Mpeg2高清編碼，其要求很低，未來發展的前景也不突出。

現在硬件發展速度飛快，用戶可以采用高檔四核處理器把軟解播放高清的CPU占用率控制在50%以下，但這類處理器的價格卻很高，裝機成本大幅增加。雙核處理器雖然便宜了不少，但軟解播放的CPU占用率又可能會很高，甚至高到無法流暢播放的程度，如果想要減輕CPU的負擔，則必須有另一個配件來接手編碼處理工作，顯卡自然成為了最佳選擇，也就是用顯卡里的引擎替代CPU完成視頻解碼的處理任務，從而釋放CPU的負載，CPU作為通用處理器，進行視頻解碼這類事效率有限，但是顯卡卻可以直接硬件集成視頻解碼引擎，從而達到極高的功效。

3、高清解碼資源消耗分析

對比的視頻包括Mpeg2和H.265（AVC），其中上面四個步驟都有涉及。顯而易見，“流處理”是所有編碼格式中最為消耗處理器運算的部分，但是Mpeg2視頻的這部分還并不會造成很大的困擾，因為CPU的占用率還不到2%。

但是對于H.265來說，問題就出現了，20Mb/s編碼率的視頻流處理過程就會達到不小的CPU占用率，40Mb/s的高編碼率視頻更為夸張，流處理的過程CPU占用率上升極快，加上別的處理，總CPU占用率很高毫不奇怪。

這四個步驟的處理配件不同，主要是CPU和顯卡。CPU因為處理了更多的步驟，所以占用率高居不下，因此如果顯卡能承擔越多的解碼步驟，CPU就能釋放更多的負載，以保證視頻播放的流暢。

如果顯卡不承擔任何步驟，那么CPU占用率很高，甚至根本無法流暢播放；如果顯卡能實現后兩個步驟的解碼處理，CPU可以獲得部分解放，但是對于比較關鍵的、負載最大的“流處理”，部分顯卡還不能實現，所以CPU占用率有所下降，但是仍然偏高。

通過具有H.265硬件解碼引擎的顯卡，就可以完成H.265編碼的全部4個處理步驟，也就是實現全程解碼，這就是它們能讓H.265高清視頻播放的CPU占用率大幅度下降的根本原因。既然顯卡完成了所有的高清解碼處理，那么CPU自然就空閑了。所謂的部分解碼，就是CPU仍然承擔一定的處理任務，因此占用率仍然要高出不少。

二、視頻編碼技術的發展

下一代標準的制定進度有可能加快。視頻標準制定基本遵循10年一代的進度，從MPEG-2到H.264、從H.264到H.265差不多間隔都是10年。在H.265標準發布以后，業界相關單位和組織開始新的一輪技術研究，視頻標準的競爭趨勢加劇，有可能縮短新一代標準的制定時間。隨著互聯網企業的發展，谷歌推出開源免費的視頻壓縮標準VP8和VP9，旗下Youtube的視頻大部分采用VP9壓縮方式。2015年，谷歌進一步聯合思科、微軟、因特爾、亞馬遜等巨頭，成立開放媒體聯盟（Alliancefor Open Media），簡稱AOM，目的是針對互聯網的應用，開發免費開源的編碼標準，預計在2017年初發布。技術上，該標準將結合谷歌VP10、思科THor、Mozilla支持的開源組織XipH.org的Daala中的技術，將壓縮性能在VP9的基礎上再提升一倍。AOM成立不久，MPEG和VCEG組織成員成立JVET（Joint Video Exploring Team）小組，對新一代編碼技術進行研究，三星和高通是JVET的活躍成員。2015年底，JVET組織披露了一次性能測試報告，在H.265編碼的基礎上再獲得20%以上的性能增益。AOM的成立，將與MPEG、VCEG組織展開競爭，如果AOM的標準能夠在2017年初如期發布，性能明顯優于H.265，對MPEG、VCEG組織將是威脅。AOM和JVET的成立，在加劇競爭的同時，也加快了技術的發展速度，有望縮短下一代標準的制定時間。

傳統的基于塊的混合編碼框架從H.261一直沿用到H.265，在下一代標準中，MPEG、VCEG組織有可能仍然采用該框架。JVET小組的技術探索，將壓縮性能進一步提升，其探索的技術主要包括三類：一類是對H.265現有技術的擴展，比如更大的編碼CTU單元、更多的幀內預測方向、更大的變換塊；另一類是將H.265制定過程中沒有采納的技術進行改進，比如利用亮度分量預測色度分量技術、二次變換技術；第三類技術是新引入的技術，比如OBMC。從這些技術來看，都沒有突破基于塊的混合編碼框架，只是在該框架上進一步改進、精細化。

三、總結

視頻編碼標準的發展一直是視頻應用領域關注的重點，H.265新編碼技術的應用可以降低碼率，從而降低存儲成本和帶寬成本。在技術方面，視頻編碼方面巨頭都在積極布局，進行下一代標準的儲備。隨著互聯網公司的壯大和加入，成立了AOM組織，與MPEG、VCEG展開競爭，進一步促進了視頻編碼技術的發展，更多的應用于我們所熟知的如VR，短視頻，視頻云，智能視頻等方面，可以預見今后視頻編碼技術愈來愈重要。

參考文獻：

[1]下一代視頻編碼標準關鍵技術[J]. 蔡曉霞，崔巖松，鄧中亮，常志峰.電視技術. 2012（02）

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[3]關于視頻編碼壓縮技術的探討[J]. 張海深.數字技術與應用. 2013（02）