摘要：靈活的塊劃分對(duì)編碼性能提升最大，塊劃分包括編碼單元預(yù)測(cè)單元和變換單元。視頻解碼的意義視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)是一種解決視頻發(fā)送端與接收端兼容性問題的技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)不同的視頻標(biāo)準(zhǔn)視頻分辨率視頻幀率和視頻碼率等之間的相互轉(zhuǎn)換。

作者：圖鴨科技 微信公眾號(hào)：tucodec

當(dāng)大家看電影追劇時(shí)，是看的高清還是標(biāo)清？

圖鴨君覺得只要網(wǎng)速夠得上的小伙伴應(yīng)該沒有人愿意再看標(biāo)清了吧！畢竟高清視頻的高分辨率和清晰畫質(zhì)觀影體驗(yàn)更好。

伴隨著用戶對(duì)高清視頻需求量的增加，視頻多媒體的視頻數(shù)據(jù)量也越來越大。如果不經(jīng)過壓縮，這些視頻將很難應(yīng)用于實(shí)際的存儲(chǔ)和傳輸。視頻壓縮解碼技術(shù)可以有效地去除視頻數(shù)據(jù)中的冗余信息，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)中的快速傳輸和離線存儲(chǔ)。因此，視頻壓縮解碼技術(shù)是視頻應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

在過去的幾十年中，一系列視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)被推出并廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)就有很多種，包括國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization, ISO）/國際電工技術(shù)委員會(huì)（International Electrotechnical Commission, IEC）制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)；國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（International Telecommunication Union-Telecom, ITU-T）制定的H.261、H.263等。

2003年3月，ITU-T和ISO/IEC 正式公布了H.264/MPEG-4 AVC視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.264作為目前應(yīng)用最為廣泛的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，在提高編碼效率和靈活性方面取得了巨大成功，使得數(shù)字視頻有效地應(yīng)用在各種各樣的網(wǎng)絡(luò)類型和工程領(lǐng)域。為了在關(guān)鍵技術(shù)上不受國外牽制、節(jié)約專利費(fèi)用支出，中國制定了AVS系列標(biāo)準(zhǔn)，可以提供與H.264/AVC相當(dāng)?shù)木幋a效率。

近年來隨著用戶要求的不斷提升，高清（1920x1080）和超高清（3840x2160）視頻的應(yīng)用越來越廣泛。相比于標(biāo)清視頻，高清視頻分辨率更大更清晰，但是相應(yīng)的數(shù)據(jù)量也隨之增加。在存儲(chǔ)空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況下，現(xiàn)有的視頻壓縮技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需求。為了解決高清及超高清視頻急劇增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)率給網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)帶來的沖擊，ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合制定了具有更高壓縮效率的新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)HEVC（High Efficiency Video Coding）。

HEVC基于傳統(tǒng)的混合視頻編碼框架，采用了更多的技術(shù)創(chuàng)新，包括靈活的塊劃分、更精細(xì)的幀內(nèi)預(yù)測(cè)、新加入的Merge模式、Tile劃分、自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償?shù)?。靈活的塊劃分對(duì)編碼性能提升最大，塊劃分包括編碼單元（CU）、預(yù)測(cè)單元（PU）和變換單元（TU）。這些技術(shù)使得HEVC編碼性能比H.264/AVC提高了一倍。但是，這些技術(shù)也使得HEVC編碼器的復(fù)雜度大大增加，不利于HEVC編碼器的實(shí)時(shí)應(yīng)用和推廣。

HEVC高性能的獲得是以巨大的計(jì)算復(fù)雜度為代價(jià)的：HEVC是通過遞歸對(duì)每個(gè)編碼單元進(jìn)行率失真優(yōu)化過程（RDO）來選擇最優(yōu)的模式劃分，這種方法的復(fù)雜度很高。因此，降低HEVC編碼復(fù)雜度的研究工作具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)是一種解決視頻發(fā)送端與接收端兼容性問題的技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)不同的視頻標(biāo)準(zhǔn)、視頻分辨率、視頻幀率和視頻碼率等之間的相互轉(zhuǎn)換。釆用視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)只需要改變發(fā)送端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或者在網(wǎng)關(guān)處增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)碼器即可，無需對(duì)接收端做任何修改。

視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)不僅能調(diào)整視頻流的分辨率、幀率、碼率等各種屬性去適應(yīng)不同的終端用戶和網(wǎng)絡(luò)帶寬，還可以對(duì)視頻流的壓縮格式、語法結(jié)構(gòu)等進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)應(yīng)用廣泛。

總體來說，該技術(shù)研究實(shí)用價(jià)值非常高，它將用來滿足更多領(lǐng)域的數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換需求，不僅覆蓋包括媒體網(wǎng)管多會(huì)議單元、視頻監(jiān)控、視頻廣播轉(zhuǎn)碼和醫(yī)療設(shè)備等商用產(chǎn)品中，還可以用于包括高清視頻會(huì)議終端數(shù)字媒體適配器、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、視頻電話和高級(jí)數(shù)字機(jī)頂盒等產(chǎn)品。

近年來，伴隨著HEVC編碼標(biāo)準(zhǔn)在開發(fā)過程中一步步的完善，國內(nèi)外相關(guān)組織和科研機(jī)構(gòu)在HEVC編碼算法方面也給出了很多有效的建議，陸續(xù)有科研論文發(fā)表于視頻圖像領(lǐng)域頂級(jí)期刊和會(huì)議，包括IEEE Trans. CSVT、IEEE Trans. Multimedia、ICIP、ICME、PCS、VCIP等。

靈活的數(shù)據(jù)劃分方式，是HEVC標(biāo)準(zhǔn)非常顯著的特點(diǎn)之一。借助于遍歷搜索確定CU，PU和TU劃分方式等編碼參數(shù)，HEVC的率失真性能顯著優(yōu)于之前的編碼標(biāo)準(zhǔn)，但這也引入了大量的計(jì)算復(fù)雜度。幀間CU快速選擇算法是根據(jù)相鄰CU深度信息或編碼中間參數(shù)等對(duì)CU大小和幀間PU模式進(jìn)行提前判斷，從而降低編碼復(fù)雜度的過程。根據(jù)利用的信息不同，幀間CU的快速選擇方法可以分為基于相鄰CU深度信息、基于編碼中間參數(shù)、基于率失真代價(jià)的快速選擇方法。

幀內(nèi)CU的快速選擇算法是對(duì)CU的紋理復(fù)雜程度進(jìn)行評(píng)估或根據(jù)相關(guān)CU深度信息等，實(shí)現(xiàn)CU尺度和幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式的快速選擇，從而降低編碼復(fù)雜度的過程。根據(jù)使用信息的不同，幀內(nèi)CU的快速選擇方法可以分為基于紋理復(fù)雜度、基于相鄰CU信息、基于子CU信息和基于率失真代價(jià)的快速選擇方法。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，傳輸帶寬通常都是有限的，如何在有限的帶寬下盡可能保證視頻的質(zhì)量，即碼率控制，是視頻編碼技術(shù)需要解決的一個(gè)重要問題。對(duì)于以高清、超清視頻作為主要編碼對(duì)象的HEVC標(biāo)準(zhǔn)來說，如何在有限的帶寬資源下合理分配碼率，使視頻質(zhì)量達(dá)到最佳，也就成為了編碼時(shí)需要考慮的重要問題。

目前碼率控制模型可以分為三大類：Q域，ρ_域和λ_域。此外，還有很多相關(guān)碼率控制方面的算法，包括針對(duì)幀層比特分配問題提出的改進(jìn)算法、通過調(diào)整拉格朗日因子來改進(jìn)碼率控制的算法、根據(jù)初始量化參數(shù)選取問題提出新的初始量化參數(shù)預(yù)測(cè)算法、針對(duì)場(chǎng)景切換問題提出新的算法、考慮圖像復(fù)雜度以建立更準(zhǔn)確的碼率控制等等。還有一些針對(duì)特定應(yīng)用所提出的碼率控制算法，例如無線應(yīng)用、高清應(yīng)用等。對(duì)新一代的H.265/HEVC，如何有效的從各個(gè)方面來改進(jìn)碼率控制也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)更高分辨率視頻的需求越來越大，高質(zhì)量視頻服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中占據(jù)比例越來越高，雖然網(wǎng)絡(luò)帶寬在不斷增加，依然無法滿足用戶對(duì)于視頻質(zhì)量的需求，使得更高壓縮效率的編碼技術(shù)成為工業(yè)級(jí)和學(xué)界研究的熱點(diǎn)。

在這種背景下，HEVC應(yīng)運(yùn)而生，雖然HEVC保持了高壓縮比，但是其復(fù)雜運(yùn)算也限制了其推廣和應(yīng)用。所以在保持轉(zhuǎn)碼視頻質(zhì)量的前提下，大幅度優(yōu)化轉(zhuǎn)碼過程的復(fù)雜度是一個(gè)值得大家共同研究的課題。