二、主流视频编码标准的发展：H.261\H.263\MPEG-1\MPEG-2\MPEG-4

一、发展历程：

频编码标准主要由两个国际组织负责制定：国际电信联盟ITU-T和国际标准化组织ISO

除了上述两个组织之外，其他比较有影响力的标准还有：

• Google：VP8/VP9;
• Microsoft : VC-1;
• 国产自主标准：AVS/AVS+/AVS2

  

二、H.261标准

1、简介

• 第一种采用“块结构的混合编码”方案的编码标准
• 目的：视频会议，可视电话等低码率视频图像传输
• 数据格式：公共中间格式
  • 各国电视制式不统一，无法互通
  • 在使用H.261进行编码之前，首先转换为CIF格式然后再编码
  • 每一帧分辨率（亮度）： cif:352 * 288 qcif:176 * 144

2、编解码系统图

流程中关键点：信源编码器

H.261的信源编码器奠定了后续视频编码的标准，后续的MPEG、264、265基本上都是通过这个结构来改进的，大体流程不变，只是针对每个模块技术的提高。

3、H.261信源编码器主要用到的技术

1. 帧内编码/帧间编码判定：根据帧与帧之间的相关性判定——相关性高使用帧间编码，相关性低使用帧内编码。
2. 帧内编码：对于帧内编码帧，直接使用DCT编码8×8的像素块。
3. 帧间编码/运动估计：使用以宏块为基础的运动补偿预测编码；当前宏块从参考帧中查找最佳匹配宏块，并计算其相对偏移量(Vx,Vy)作为运动矢量；编码器使用DCT、量化编码当前宏块和预测宏块的残差信号；
4. 环路滤波器：实际上是一个数字低通滤波器，滤除不必要的高频信息，以消除方块效应；

4、H.261复合编码器输出的码流格式

H.261复合编码器将H.261不同层次的语法格式编码为H.261格式的码流，复合编码格式可以分为4层：

每一层按照不同的封装格式包含了头信息和下一层的结构

• 帧层： 由帧首和块组数据构成；帧首包括帧起始码（ PSC）、帧计数码（ TR）、帧类型（ PTYPE）等；
• 块组层： 由块组首和宏块数据组成；块组首包括组起始码（ GBSC）、块组编号码（ GN）、块组量化步长等；
• 宏块层(Macroblock,MB)： 由宏块首和块数据构成；宏块首包括宏块地址码、宏块类型、宏块量化步长、运动矢量数据、编码模式等；
• 块层： 包括每个8×8块的DCT系数按之字形扫描后的熵编码码流，以块结束符结尾

  

三、H.263标准

同样以低码率视频通信为目标，但是具有更好的压缩效率

相对于H.261的改进：

• 运动矢量：相比于H.261，H.263的运动矢量分配更加灵活。在H.261中，每一个MB分配一个运动矢量；H.263中支持对每一个8×8像素块各自使用一个运动矢量。
• MV精度：H.261只支持整数像素的运动矢量，在H.263中运动矢量精度为1/2像素。
• 双向预测模式：H.263的帧间编码帧除了P帧之外，也支持B帧，使用前后双向预测模式。
• 熵编码：采用了算术编码，以较高的运算复杂度换取更高的编码效率；码率相同的情况下显示出的图像效果更好
• 支持了更多的图像格式：

  

四、MPEG-1标准

1、简介

• 作用：在CD/VCD介质中存储音视频信息
• 码率：1.2~1.5Mb/s
• 图像类型：支持I、P、B帧类型
  • I帧：帧内编码帧，采用帧内编码，可作为P/B帧的参考帧；
  • P帧：前向预测帧，采用帧间编码，以I/P帧作为参考帧；
  • B帧：双向预测帧，参考前后两个方向的参考帧；
• 图像显示顺序：

  

2、码流结构

相对于H.261增加了条带层，每一个宏块所有的编码操作只能在一个条带内实现，条带层可以有效防止编码错误在一帧内扩散

五、MPEG-2标准

1、简介

• 应用场景：MPEG-2标准在数字电视广播和音视频媒体容器等场合得到了广泛应用，常见的DVD视盘采用的就是MPEG-2视频编码方法（兼容MPEG-1，所以DVD也可以放VCD盘）
• MPEG-2格式的主要改进之处之一是支持支持逐行或者隔行扫描视频，使用基于帧或场的编码
• MPEG-2的码流分为三层：
  • 基本流：ES，由视频编码的视频基本流和音频编码的音频基本流构成
  • 打包基本流：PES，为音视频ES分别打包
  • 传输流、节目流：TS/PS，若干个PES进行复用后输出，分别用于传输和存储
• 档和级
  • 根据不同的编码工具定义了5个Profile：简单SP、主要MP、SNR可分级SNP、空间可分级SSP和高级HP。
  • 根据视频分辨率的不同定义了4个Level：低级LL、主级ML、高-1440级High1440和高级HL。

2、码流结构

• 在MPEG-2的ES流层中，其码流结构采用了类似MPEG-1码流结构的分层封装的方法：
  • 图像序列层：包括若干GOP，序列头包含起始码和序列参数等；
  • 图像组（GOP）层：包括若干图像，GOP头包括起始码、GOP标识等；
  • 图像层：包括若干个Slice，图像头中包括起始码和图像参数等；
  • 片（Slice）层：最小的同步单位，包括若干宏块，Slice头中包括起始码、片地址、量化步长等信息；
  • 宏块（Macroblock）层：由4个亮度块和2个色度块组成，宏块头包括地址、类型、MV等信息

六、MPEG-4标准

• 同前任的MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4更注重多媒体系统的交互性、灵活性和可扩展性
• MPEG-4的标准编号为ISO-14496，也包括多个部分，如系统、视觉信息、音频、一致性等。
• MPEG-4中最为显著的特点是采用了基于对象的编码。在MPEG-4中，一个视频对象主要定义为画面中分割出来的不同物体，每个物体由三类信息描述：运动信息、轮廓信息和纹理信息。MPEG-4通过编码这三类信息来实现对视频对象的编码。

由于MPEG-4运算复杂度过高，很难在实际应用中以一个合理的代价实现出来，所以在此之前还是使用mpeg2标准