摘要：靈活的塊劃分對編碼性能提升最大，塊劃分包括編碼單元預測單元和變換單元。視頻解碼的意義視頻轉碼技術是一種解決視頻發送端與接收端兼容性問題的技術，它能實現不同的視頻標準視頻分辨率視頻幀率和視頻碼率等之間的相互轉換。

作者：圖鴨科技 微信公眾號：tucodec

當大家看電影追劇時，是看的高清還是標清？

圖鴨君覺得只要網速夠得上的小伙伴應該沒有人愿意再看標清了吧！畢竟高清視頻的高分辨率和清晰畫質觀影體驗更好。

伴隨著用戶對高清視頻需求量的增加，視頻多媒體的視頻數據量也越來越大。如果不經過壓縮，這些視頻將很難應用于實際的存儲和傳輸。視頻壓縮解碼技術可以有效地去除視頻數據中的冗余信息，實現視頻數據在互聯網中的快速傳輸和離線存儲。因此，視頻壓縮解碼技術是視頻應用中的一項關鍵性技術。

在過去的幾十年中，一系列視頻編碼標準被推出并廣泛應用。現有的視頻壓縮標準就有很多種，包括國際標準化組織（International Organization for Standardization, ISO）/國際電工技術委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4標準；國際電信聯盟電信標準化部門（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視頻壓縮標準。H.264作為目前應用最為廣泛的視頻編碼標準，在提高編碼效率和靈活性方面取得了巨大成功，使得數字視頻有效地應用在各種各樣的網絡類型和工程領域。為了在關鍵技術上不受國外牽制、節約專利費用支出，中國制定了AVS系列標準，可以提供與H.264/AVC相當的編碼效率。

近年來隨著用戶要求的不斷提升，高清（1920x1080）和超高清（3840x2160）視頻的應用越來越廣泛。相比于標清視頻，高清視頻分辨率更大更清晰，但是相應的數據量也隨之增加。在存儲空間和網絡帶寬有限的情況下，現有的視頻壓縮技術已經不能滿足現實的應用需求。為了解決高清及超高清視頻急劇增長的數據率給網絡傳輸和數據存儲帶來的沖擊，ITU-T和ISO/IEC聯合制定了具有更高壓縮效率的新一代視頻壓縮標準HEVC（High Efficiency Video Coding）。

HEVC基于傳統的混合視頻編碼框架，采用了更多的技術創新，包括靈活的塊劃分、更精細的幀內預測、新加入的Merge模式、Tile劃分、自適應樣點補償等。靈活的塊劃分對編碼性能提升最大，塊劃分包括編碼單元（CU）、預測單元（PU）和變換單元（TU）。這些技術使得HEVC編碼性能比H.264/AVC提高了一倍。但是，這些技術也使得HEVC編碼器的復雜度大大增加，不利于HEVC編碼器的實時應用和推廣。

HEVC高性能的獲得是以巨大的計算復雜度為代價的：HEVC是通過遞歸對每個編碼單元進行率失真優化過程（RDO）來選擇最優的模式劃分，這種方法的復雜度很高。因此，降低HEVC編碼復雜度的研究工作具有重要的實際應用價值和廣泛的應用前景。

視頻轉碼技術是一種解決視頻發送端與接收端兼容性問題的技術，它能實現不同的視頻標準、視頻分辨率、視頻幀率和視頻碼率等之間的相互轉換。釆用視頻轉碼技術只需要改變發送端的系統結構或者在網關處增加相應的轉碼器即可，無需對接收端做任何修改。

視頻轉碼技術不僅能調整視頻流的分辨率、幀率、碼率等各種屬性去適應不同的終端用戶和網絡帶寬，還可以對視頻流的壓縮格式、語法結構等進行轉換，因此視頻轉碼技術應用廣泛。

總體來說，該技術研究實用價值非常高，它將用來滿足更多領域的數字視頻轉換需求，不僅覆蓋包括媒體網管多會議單元、視頻監控、視頻廣播轉碼和醫療設備等商用產品中，還可以用于包括高清視頻會議終端數字媒體適配器、高清網絡攝像機、視頻電話和高級數字機頂盒等產品。

近年來，伴隨著HEVC編碼標準在開發過程中一步步的完善，國內外相關組織和科研機構在HEVC編碼算法方面也給出了很多有效的建議，陸續有科研論文發表于視頻圖像領域頂級期刊和會議，包括IEEE Trans. CSVT、IEEE Trans. Multimedia、ICIP、ICME、PCS、VCIP等。

靈活的數據劃分方式，是HEVC標準非常顯著的特點之一。借助于遍歷搜索確定CU，PU和TU劃分方式等編碼參數，HEVC的率失真性能顯著優于之前的編碼標準，但這也引入了大量的計算復雜度。幀間CU快速選擇算法是根據相鄰CU深度信息或編碼中間參數等對CU大小和幀間PU模式進行提前判斷，從而降低編碼復雜度的過程。根據利用的信息不同，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、基于率失真代價的快速選擇方法。

幀內CU的快速選擇算法是對CU的紋理復雜程度進行評估或根據相關CU深度信息等，實現CU尺度和幀內預測模式的快速選擇，從而降低編碼復雜度的過程。根據使用信息的不同，幀內CU的快速選擇方法可以分為基于紋理復雜度、基于相鄰CU信息、基于子CU信息和基于率失真代價的快速選擇方法。

在實際應用場合，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量，即碼率控制，是視頻編碼技術需要解決的一個重要問題。對于以高清、超清視頻作為主要編碼對象的HEVC標準來說，如何在有限的帶寬資源下合理分配碼率，使視頻質量達到最佳，也就成為了編碼時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，還有很多相關碼率控制方面的算法，包括針對幀層比特分配問題提出的改進算法、通過調整拉格朗日因子來改進碼率控制的算法、根據初始量化參數選取問題提出新的初始量化參數預測算法、針對場景切換問題提出新的算法、考慮圖像復雜度以建立更準確的碼率控制等等。還有一些針對特定應用所提出的碼率控制算法，例如無線應用、高清應用等。對新一代的H.265/HEVC，如何有效的從各個方面來改進碼率控制也逐漸成為研究熱點。

隨著互聯網和移動網絡的快速發展，市場對更高分辨率視頻的需求越來越大，高質量視頻服務在網絡數據中占據比例越來越高，雖然網絡帶寬在不斷增加，依然無法滿足用戶對于視頻質量的需求，使得更高壓縮效率的編碼技術成為工業級和學界研究的熱點。

在這種背景下，HEVC應運而生，雖然HEVC保持了高壓縮比，但是其復雜運算也限制了其推廣和應用。所以在保持轉碼視頻質量的前提下，大幅度優化轉碼過程的復雜度是一個值得大家共同研究的課題。