视频编码技术的应用与发展

牛继来

摘 要：视频编码技术是视频编辑的基础技术，编码技术的发展推动了视频技术行业的进步。H.261第一版本在1988年发布，确定了基于块的混合编码框架，包括帧内预测、帧间预测、变换编码以及编码技术，该框架成为后续视频编码标准的基础。目前应用广泛的编码技术是H.265，它是目前最新一代视频编码标准，在2013年初一经发布就获得了行业的极大重视。

关键词：编码技术，H.265，标准

一、视频编码技术的应用

1、视频流量的加大。这是最为直观的一个提升元素，我们可以通过下面的表格进行了解，表格中只是简单的提出了“视频源”的流量对比，但其实高清视频的“不同格式”更决定了流量的不同。

可以看出，DVD视频的数据流量只有約9.5Mb/s，但是最高的蓝光可以达到40Mb/s以上，提升了4倍以上，无疑这是硬件配置提升的一个主要原因，因为需要处理的数据量增大了很多。

2、编码格式的复杂度。我们知道每种编码格式都有其自身的算法，优秀的算法可以将视频压缩到更小的体积，但是还原这种算法却需要更强的计算能力。H.265高清编码格式就是典型的代表。也许会碰到一些高清视频，但是播放要求并不高，那可能它就是采用一些简单的算法，比如Mpeg2的高清编码格式，但是遇到类似H.265编码格式，就会出现无法流畅播放的情况。

H.265因为优秀的算法取得了广泛的支持，它的算法虽然复杂，但是能获得最高的压缩同时视频细节损失很小，因此想要在流畅的播放高清视频，H.265编码视频是必须通过的一个考验。当然我们也不能忽视VC-1编码，它是微软力推的编码格式，也受到了广泛的支持，其要求虽然略低，但同样造成了目前很多主流电脑的“播放困难”。至于Mpeg2高清编码，其要求很低，未来发展的前景也不突出。

现在硬件发展速度飞快，用户可以采用高档四核处理器把软解播放高清的CPU占用率控制在50%以下，但这类处理器的价格却很高，装机成本大幅增加。双核处理器虽然便宜了不少，但软解播放的CPU占用率又可能会很高，甚至高到无法流畅播放的程度，如果想要减轻CPU的负担，则必须有另一个配件来接手编码处理工作，显卡自然成为了最佳选择，也就是用显卡里的引擎替代CPU完成视频解码的处理任务，从而释放CPU的负载，CPU作为通用处理器，进行视频解码这类事效率有限，但是显卡却可以直接硬件集成视频解码引擎，从而达到极高的功效。

3、高清解码资源消耗分析

对比的视频包括Mpeg2和H.265（AVC），其中上面四个步骤都有涉及。显而易见，“流处理”是所有编码格式中最为消耗处理器运算的部分，但是Mpeg2视频的这部分还并不会造成很大的困扰，因为CPU的占用率还不到2%。

但是对于H.265来说，问题就出现了，20Mb/s编码率的视频流处理过程就会达到不小的CPU占用率，40Mb/s的高编码率视频更为夸张，流处理的过程CPU占用率上升极快，加上别的处理，总CPU占用率很高毫不奇怪。

这四个步骤的处理配件不同，主要是CPU和显卡。CPU因为处理了更多的步骤，所以占用率高居不下，因此如果显卡能承担越多的解码步骤，CPU就能释放更多的负载，以保证视频播放的流畅。

如果显卡不承担任何步骤，那么CPU占用率很高，甚至根本无法流畅播放；如果显卡能实现后两个步骤的解码处理，CPU可以获得部分解放，但是对于比较关键的、负载最大的“流处理”，部分显卡还不能实现，所以CPU占用率有所下降，但是仍然偏高。

通过具有H.265硬件解码引擎的显卡，就可以完成H.265编码的全部4个处理步骤，也就是实现全程解码，这就是它们能让H.265高清视频播放的CPU占用率大幅度下降的根本原因。既然显卡完成了所有的高清解码处理，那么CPU自然就空闲了。所谓的部分解码，就是CPU仍然承担一定的处理任务，因此占用率仍然要高出不少。

二、视频编码技术的发展

下一代标准的制定进度有可能加快。视频标准制定基本遵循10年一代的进度，从MPEG-2到H.264、从H.264到H.265差不多间隔都是10年。在H.265标准发布以后，业界相关单位和组织开始新的一轮技术研究，视频标准的竞争趋势加剧，有可能缩短新一代标准的制定时间。随着互联网企业的发展，谷歌推出开源免费的视频压缩标准VP8和VP9，旗下Youtube的视频大部分采用VP9压缩方式。2015年，谷歌进一步联合思科、微软、因特尔、亚马逊等巨头，成立开放媒体联盟（Alliancefor Open Media），简称AOM，目的是针对互联网的应用，开发免费开源的编码标准，预计在2017年初发布。技术上，该标准将结合谷歌VP10、思科THor、Mozilla支持的开源组织XipH.org的Daala中的技术，将压缩性能在VP9的基础上再提升一倍。AOM成立不久，MPEG和VCEG组织成员成立JVET（Joint Video Exploring Team）小组，对新一代编码技术进行研究，三星和高通是JVET的活跃成员。2015年底，JVET组织披露了一次性能测试报告，在H.265编码的基础上再获得20%以上的性能增益。AOM的成立，将与MPEG、VCEG组织展开竞争，如果AOM的标准能够在2017年初如期发布，性能明显优于H.265，对MPEG、VCEG组织将是威胁。AOM和JVET的成立，在加剧竞争的同时，也加快了技术的发展速度，有望缩短下一代标准的制定时间。

传统的基于块的混合编码框架从H.261一直沿用到H.265，在下一代标准中，MPEG、VCEG组织有可能仍然采用该框架。JVET小组的技术探索，将压缩性能进一步提升，其探索的技术主要包括三类：一类是对H.265现有技术的扩展，比如更大的编码CTU单元、更多的帧内预测方向、更大的变换块；另一类是将H.265制定过程中没有采纳的技术进行改进，比如利用亮度分量预测色度分量技术、二次变换技术；第三类技术是新引入的技术，比如OBMC。从这些技术来看，都没有突破基于块的混合编码框架，只是在该框架上进一步改进、精细化。

三、总结

视频编码标准的发展一直是视频应用领域关注的重点，H.265新编码技术的应用可以降低码率，从而降低存储成本和带宽成本。在技术方面，视频编码方面巨头都在积极布局，进行下一代标准的储备。随着互联网公司的壮大和加入，成立了AOM组织，与MPEG、VCEG展开竞争，进一步促进了视频编码技术的发展，更多的应用于我们所熟知的如VR，短视频，视频云，智能视频等方面，可以预见今后视频编码技术愈来愈重要。

参考文献：

[1]下一代视频编码标准关键技术[J]. 蔡晓霞，崔岩松，邓中亮，常志峰.电视技术. 2012（02）

[2]基于H.265的安全高效的指数哥伦布编解码方案[J]. 郭芳，张家树.计算机应用与软件. 2013（10）

[3]关于视频编码压缩技术的探讨[J]. 张海深.数字技术与应用. 2013（02）