视频压缩技术的系统考虑

1.前言

数字视频产品需求近些年出现猛增。主流应用包括视频通信、安全监控与工业自动化，而最热门的要算娱乐应用，如 DVD、HDTV、卫星电视、高清 (HD) 机顶盒、因特网视频流、数码相机与 HD 摄像机、视频光盘库 (video jukebox)、高端显示器（LCD、等离子显示器、DLP）以及个人摄像机等。众多精彩的新应用目前也处于设计或前期部署中，例如针对家庭与手持设备及地面／卫星标准（DVB-T、DVB-H、DMB）的高清 DVD（蓝光／HD-DVD）和数字视频广播、高清视频电话、数码相机以及 IP 机顶盒。由于手持终端计算能力的提高以及电池技术与高速无线连接的发展，最终产品的移动性与集成性也在不断提高。

视频压缩是所有令人振奋的、新型视频产品的重要动力。压缩－解压（编解码）算法可以实现数字视频的存储与传输。典型的编解码器要么采用行业标准，如 MPEG2、MPEG4、H.264/AVC 与 AVS，要么采用专有算法，如 On2、Real Video、Nancy与Windows Media Video (WMV) 等。WMV 是个例外——它最初是微软公司的专有算法，而现在则以 VC-1 的新名称在业界实现了标准化。编解码技术在过去十年中不断改进。最新的编解码技术（H.264/AVC 与 VC-1）代表着第三代视频压缩技术。这两种编解码技术利用如可编程 DSP 与ASIC 等低成本 IC 的处理能力，都能够达到极高的压缩比。不过，为具体应用选择正确的编解码器并优化其实时处理仍然是一项巨大的挑战。最佳的设计必须权衡压缩效率及可用的计算能力。此外，如何在计算能力有限的情况下获得最佳压缩效率也是一门大学问。

在本文中，我们首先概述视频编码的主要概念，同时介绍传统压缩标准。然后我们重点介绍其中包括 H.264/AVC、WMV9/VC-1与AVS 等在内的最新编解码技术的功能，此外，还将深入探讨压缩能力与复杂性之间的权衡。最后，讨论市场中可能会影响主流视频编解码器未来的实时处理与主要趋势。

数字视频的主要挑战在于原始或未压缩的视频需要存储或传输大量数据。例如，标准清晰度的 NTSC 视频的数字化一般是每秒 30 帧速率，采用 4:2:2 YcrCb 及 720(480，其要求超过 165Mbps 的数据速率。保存 90 分钟的视频需要 110GB 空间，或者说超过标准 DVD-R 存储容量的 25 倍。即使是视频流应用中常用的低分辨率视频（如：CIF：352x288 4:2:0、30 帧/秒）也需要超过 36.5Mbps 的数据速率，这是 ADSL 或 3G 无线等宽带网络速度的许多倍。目前的宽带网可提供 1～10Mbps 的持续传输能力。显然数字视频的存储或传输需要采用压缩技术。

视频压缩的目的是对数字视频进行编码——在保持视频质量的同时占用尽可能少的空间。编解码技术理论依据为信息理论的数学原理。不过，开发实用的编解码技术需要艺术性的精心考虑。

3. 压缩权衡

在选择数字视频系统的编解码技术时需要考虑诸多因素。主要因素包括应用的视频质量要求、传输通道或存储介质所处的环境（速度、时延、错误特征）以及源内容的格式。同样重要的还有预期分辨率、目标比特率、色彩深度、每秒帧数以及内容和显示是逐行扫描还是隔行扫描。压缩通常需要在应用的视频质量要求与其他需求之间做出取舍。首先，用途是存储还是单播、多播、双向通信或广播？对于存储应用，到底有多少可用的存储容量以及存储时间需要多久？对于存储之外的应用，最高比特率是多少？对于双向视频通信，时延容差或容许的端到端系统延迟是多少？如果不是双向通信，内容需要在脱机状态提前完成编码还是需要实时编码？网络或存储介质的容错能力如何？根据基本目标应用，不同压缩标准以不同方式处理这些问题的权衡。

另一方面是需要权衡编解码实时处理的成本。如 H.264/AVC 或 WMV9/VC-1等能够实现较高压缩比的新算法需要更高的处理能力，这会影响编解码器件的成本、系统功耗以及系统内存。