视频编码技术的专利状况分析

蒋一明，李 鹏，林清源

（国家知识产权局专利局 专利审查协作北京中心，北京 100190）

责任编辑:任健男

数字视频技术在通信、计算机以及广播电视等领域的广泛应用大力推动了视频编码技术的快速发展，由运动图像专家组MPEG和国际电信联盟的视频编码专家组VCEG分别制定的MPEG-x和H.26x两个系列的视频编码标准构成目前视频编码技术领域的主流编码协议。随着编码标准在技术领域的产业化实现，属于标准组织成员的各大企业，纷纷加大自己的专利申请量，以形成自身的专利战略部署，使得涉及视频编码技术的专利申请量近年来增长迅速。本文就涉及视频编码技术的专利进行统计分析，介绍该领域专利技术的现状，分析该领域专利技术的发展趋势。

1 视频编码技术概述

视频信号数字化之后所面临的一个问题，是巨大的数据量给存储和传输带来的压力，单纯用扩大存储容量、增加通信信道的带宽的办法是不现实的，而视频编码技术是个行之有效的方法；以压缩编码的形式存储、传输，既节约了存储空间，又提高了通信信道的传输效率，同时也可使计算机实时处理视频信息，保证播放出高质量的视频节目[1]。

视频图像数据存在着极强的相关性，与静态图像相比不仅在空间上存在冗余，而且在时间上存在冗余。视频编码技术就是将视频图像数据中的冗余信息去除，以减少表示视频图像所需的数据量，进而在保证重建图像质量一定的前提下，以尽量少的比特数表征视频信息。

目前，常用的国际视频编码标准有：由运动图像专家组MPEG开发的MPEG-4，以及由国际电信联盟的视频编码专家组VCEG联合MPEG共同开发的H.264/AVC[2]。其中，MPEG-4标准提出了基于内容的交互方式，允许用户根据系统能力和信道带宽进行分级解码，同每一个视频对象进行交互；而H.264/AVC标准主要采取帧间预测编码和帧间变换编码的混合编码方式，采用可变尺寸的运动估计、4×4块的整数变换、统一的可变长编码表等技术，具有更高的数据压缩比和更好的信道适应性。

2 视频编码专利的总体分析

2.1 在中国申请的专利数量逐年变化情况

根据视频编码的主要技术特征，选用视频、电视、图像、编码、压缩、解码、解压缩、编解码等关键词，将检索时间限定在2000年以后，在中国专利数据库中获得己经公开的专利申请，统计其申请数量随年代的变化情况结果如图1所示。

从图1可以看到，视频编码领域的专利申请量总体上呈现逐年上升的趋势，尤其是从2005年开始，增长速度明显加快，当年申请1072件，是上一年申请量的1.25倍，可见当年的视频编码技术正处于迅速发展时期，随后基本上每年的申请量也都在此基础上继续增长，2009年的申请量1480件达到了历年来的峰值。

2.2 在中国申请专利的申请人国别分布状况

对提交涉及视频编码技术专利的申请人所属国家进行统计可见，在中国申请专利保护的申请人以国内申请人为主，其专利数量约占全部专利的46.5%，其次分别是日本、韩国、美国、法国、荷兰等，其分布百分比情况如图2所示。这与中国在近几年对视频编码技术的需求迅猛增加密不可分，对技术的需求强有力地推动着中国申请人注重技术创新，注重保护发明创造，增强企业的核心竞争力。

2.3 各技术主题在全球范围内的专利分布情况

从视频编码器的构成来看，视频编码包括如下关键技术：DCT变换、量化、熵编码和运动估计与补偿等。从面向网络的应用前景来看，视频编码技术主要包括转码、可伸缩编码等。各技术主题在全球范围内的专利申请量比较如图3所示。

从统计数据不难发现，涉及运动估计与补偿和可伸缩编码的专利申请量远远高于其他编码技术的专利申请数量。

从视频编码技术领域来看：1）作为编码过程中运算量最大的部分，运动估计与补偿在整个视频压缩系统中具有极其重要的作用，其执行速度决定了编码的效率，并在一定程度上决定了整个视频压缩编码系统的性能和效率[3]；2）在当前的视频会议、视频点播等面向网络流媒体的应用环境下，要求视频编码器能够提供具有不同速率、不同质量的视频信息，能够实现特定使用环境下的最优编码，使得编码后的码流可以灵活的适应不同网络用户的需求，因此可伸缩编码的重要性更加凸显[4]。可见，运动估计与补偿和可伸缩编码作为视频编码技术领域的核心内容，一直是本领域技术人员致力于改进的重要方面。

3 视频编码技术主要专利申请人的专利特点

据统计，视频编码领域的专利申请人中，拥有专利申请较多的外国申请人包括：三星、松下、汤姆逊、索尼、乐金、飞利浦、诺基亚等，这些申请人主要集中在日本、韩国、荷兰、芬兰等国，且多为国际电信联盟电信标准化部门ITU-T的成员；国内申请人主要分为两大主体：以华为、中兴等为代表的通信公司，和以清华大学、浙江大学为代表的高等院校。这些主要专利申请人在中国申请的专利数量如图4所示。下面将通过分析三星电子株式会社、华为技术有限公司、诺基亚公司以及索尼公司近年来的相关专利申请情况，探寻上述4家公司的专利申请特点。

3.1 三星电子株式会社

韩国三星电子株式会社作为国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）的成员，在视频编码技术领域的研究处于世界领先水平，其在中国申请的专利申请量位居各主要申请人之首，其中，2006年的申请量达到峰值150件，虽然近两年申请量呈现下降趋势，但总体上仍然保持较高水平。

此外，三星电子株式会社的申请内容主要涉及运动估计与补偿算法的改进，包括运动矢量精细化、亚像素运动估计与补偿、帧内预测模式选择等。下面给出3件三星电子株式会社专利申请的实例。

CN101009831A涉及运动估计与补偿中的运动矢量精细化，在现有技术的基础上，根据用于运动估计的当前块的运动向量以及相邻于当前块的至少一个相邻块的运动向量来设置预定大小的搜索范围，并通过针对基于当前块的所述搜索范围应用块匹配算法来估计当前块的最终运动矢量，从而使用精确的运动矢量进行运动估计与补偿。

CN101401437A涉及运动画面编码中预测模式的选择，在现有技术的基础上，基于预定图像的特征选择被确定为对于当前图像的每个色彩分量的块最优的预测模式，并根据选择的预测模式产生当前图像的预测图像，从而提高运动画面的编码效率。

CN101641960A涉及亚像素运动估计与补偿，通过产生用于多个块中的每一个的内插滤波器并且执行运动预测补偿，能够减小运动补偿值与原始图像数据之间的差值，从而减小了残差数据的大小并且增加了图像压缩效率。

3.2 华为技术有限公司

华为技术有限公司作为世界著名的通信公司，其在视频编码领域的研究虽然起步较晚，但其申请量却在2006年开始呈现快速上升趋势，其中，2008年的申请量达到峰值72件。由此也可以看出，华为技术有限公司在视频编码技术方面的发展速度之快。

此外，华为技术有限公司的申请内容主要涉及运动估计与补偿算法的改进，包括帧间预测编码、多参考帧选择、多视点图像和立体视频编码等，其解决的技术问题包括减少预测误差、提高编码效率、以及立体视频的分级编码。下面给出3件华为技术有限公司专利申请的实例。

CN101420609A涉及立体视频的分级编码方法，在现有技术的基础上，通过提取第一层预测信息和若干层预测信息增量，并进行增强层编码，实现了对立体视频的分级编码，满足了连接在不同网络下各种立体显示设备不同显示级别的立体视频显示需求；且由于对若干层预测信息增量进行增强层编码，减小了网络传输带宽，提高了传输效率。

CN101557514A涉及运动估计与补偿过程中的多参考帧选择，在现有技术的基础上，通过计算当前编码块的模板区域与多个参考帧中的多个匹配模板的失真，获取多个匹配模板所对应编码块的多个假设预测值，并根据该多个假设预测值计算当前编码块的模板匹配预测值，从而提高了预测编码系统的预测性能，提高了编码效率。

CN101873500A涉及一种帧间预测编码方法，其充分利用了帧间的内容相关性来进行编码宏块的划分，提高了宏块划分的准确性，从而减少了预测误差，提高了宏块的帧间运动估计值的精确性。

3.3 诺基亚公司

诺基亚公司作为国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）的成员，在视频编码技术领域的研究起步较早，其专利申请内容主要涉及可伸缩编码算法的改进，包括时间可伸缩编码、空间可伸缩编码、以及质量可伸缩编码（例如精细粒度可伸缩编码）。此外，其专利申请内容还涉及多视点图像和立体视频编码算法的改进。下面给出2件诺基亚公司专利申请的实例。

CN101180884A涉及用于视频数据的有效精细粒度伸缩（FGS）编码方法，在现有技术的基础上，取消了FGS条带必须与其“基本层图像”中对应条带覆盖相同空间区域的约束，使得FGS条带覆盖更为重要的感兴趣区域，并且以高于不重要区域的质量被编码。

CN101558652A涉及对多视点视频编码应用单循环解码，其中，对于N个编码的视点，只在需要时对其中将要显示的M个视点进行完全解码并将其存储在缓冲器中，而其他视点只是部分解码或者简单地解析，从而极大地降低了设备的复杂度，降低了设备成本。

3.4 索尼公司

在视频通信领域处于领先地位的索尼公司，长期致力于视频编码算法的研究，其在中国申请的涉及视频编码技术的专利申请量虽然在2006年至2007年出现了小幅下滑，却在2008年至2010年呈现强势反弹，其中，2008年47件，2009年52件，2010年83件。从上述数据可以看出，索尼公司在视频编码领域的研究至今仍然处于高速发展时期。下面给出1件索尼公司专利申请的实例。

CN101345876A涉及最佳预测模式的选择，在现有技术的基础上，通过从在不同预测值生成单元中检测到的最佳预测模式中检测适合于进行帧内预测的预测模式来进行编码处理，降低了选择最佳预测模式所需的计算复杂性。

4 视频编码专利的发展趋势

综上所述，涉及视频编码技术的专利申请的数量多且仍呈现逐年上升的趋势，其包含的关键技术分支广。下面简要分析视频编码领域今后的专利发展方向，包括以下2个方面：

1）可伸缩视频编码。随着计算机网络的不断发展和应用需求的多样化，对于视频编码技术的研究不再仅仅局限于压缩特性，而渐渐开始向网络适应性、用户交互性等方面转移[5]。可伸缩视频编码因为具有良好的网络适应性和灵活性，不仅特别适合网络传输，而且应用到视频监控领域中还能满足监控视频资料的存储、检索、分析等方面的特殊需求。可以预见，可伸缩视频编码在例如视频监控等产业上的应用将越来越多，使其成为未来专利发展的趋势。

2）多视点编码。随着3D立体显示研究不断深入，多视点编码算法也在不断成熟[6]。多视点编码算法的研究会为自由视点电视、立体电视和沉浸感视频会议的应用提供技术支持。可以预见，随着3D电视的快速产业化和商业化，多视点编码也将成为未来专利发展的趋势。

[1]卢官明，宗昉.IPTV技术及应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2]RICHARDSON I.H.264和MPEG-4视频压缩——新一代多媒体的视频编码技术[M].湖南：国防科技大学出版社，2004.

[3]朱江.基于DCT的可伸缩视频编码的研究[D].北京：北京邮电大学，2007.

[4]魏伟.视频压缩编码的运动估计与补偿技术[D].天津：天津大学，2009.

[5]余和初.数字视频编解码技术标准及其发展趋势[J].技术与应用，2011（5）：33-37.

[6]王一刚.数字视频编解码技术标准的现状分析[J].信息技术与标准化，2010（7）：39-42.