音视频基础知识---视频编码格式

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1.为什么要进行视频编码

• 未经编码的数据数字视频的数据量很大
• 存储困难
• 传输困难

例如：一张大小为1080*720的图像，帧率25FPS，一个像素用12位表示，那么可以作如下计算：

一帧图像的数据大小1080*720*12/8/1024 = 1139KB 约1MB

一秒图像的数据大小1MB*25 = 25MB

一分钟图像的数据大小25MB*60 = 1500MB 约1.6GB

 

完整的计算：

1080*720*12*25*60 = 1399680000bit

1399680000/8/1024/1024 = 1668MB

从上面的计算就可以看出未经编码的视频数据是有多么的庞大。所以必须经过编码压缩之后，视频数据才方便存储，方便在网络上传输。

 

2.常见的编码格式

2.1 MPEG1

VCD编码格式。

MPEG1编码标准制定于1992年，可适用于不同带宽的设备，如CD-ROM，Video-CD、CD-i。它用于传输1.5Mbps数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码，经过MPEG-1标准压缩后，视频数据压缩率为1/100～1/200，影视图像的分辨率为360×240×30（NTSC制）或360×288×25（PAL制），它的质量要比家用录像系统（VHS-Video Home System）的质量略高。音频压缩率为1/6.5，声音接近于CD-DA的质量。MPEG-1允许超过70分钟的高质量的视频和音频存储在一张CD-ROM盘上。

VCD采用的就是MPEG-1的标准，该标准是一个面向家庭电视质量级的视频、音频压缩标准。MPEG-1的编码速率最高可达4-5Mbits/sec，但随着速率的提高，其解码后的图象质量有所降低。MPEG-1也被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路(ADSL)，视频点播(VOD)，以及教育网络等。同时，MPEG-1也可被用做记录媒体或是在INTERNET上传输音频。MPEG1标准占用的网络带宽在1.5M左右。

MPEG1的视频压缩算法对运动不激烈的视频信号可获得较好的图像质量，但当运动激烈时，图像会产生马赛克现象。

 

2.2 MPEG2

DVD编码格式

MPEG-2制定于1994年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间，其在 NTSC制式下的分辨率可达720X486，MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕 声道,以及一个加重低音声道，和多达7个伴音声道(这就是DVD可有8种语言配音的原因)。

MPEG-2标准中规定了两种输出码流，MPEG2-TS和MPEG2-PS：

• MPEG-TS（Transport Stream（传输流））主要应用于实时传送的节目，比如实时广播的电视节目。 其特点是从视频流的任一片段开始都是可以独立解码。电视节目是任何时候打开电视机都能解码（收看）的
• MPEG2-PS（Program Stream（程序流））主要应用于存储的具有固定时长的节目，如DVD电影，可添加字幕等一些程序操作。PS流其包长不固定，且较长，一旦失去同步信息，接收机无法确定下一包的同步位置，会造成失步，导致严重的信息丢失。PS流适用于误码小、信道较好的环境，如演播室、家庭环境和存储介质中。

 

2.3 MPEG4

MPEG-4制定于1998年,全称为Moving Picture Experts Group 4,是为了播放流式媒体的高质量视频而专门设计的，它可利用很窄的带度，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求使用最少的数据获得最佳的图像质量。

MPEG-4标准是面向对象的压缩方式，不是像MPEG-1和MPEG-2那样简单地将图像分为一些像块，而是根据图像的内容， 其中的对象（物体、人物、背景）分离出来，分别进行帧内、帧间编码，并允许在不同的对象之间灵活分配码率，对重要的对象分配较多的字节，对次要的对象分配 较少的字节，从而大大提高了压缩比，在较低的码率下获得较好的效果， MPEG-4支持MPEG-1、MPEG-2中大多数功能，提供不同的视频标准源格 式、码率、帧频下矩形图形图像的有效编码。

总之，MPEG-4有三个方面的优势：

• 具有很好的兼容性；
• MPEG-4有很好的压缩比，最高达200：1；
• MPEG-4在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。所以，MPEG-4的应用能大幅度的降低录像存储容量，获得较高的录像清晰度，特别适用于长时间实时录像的需求，同时具备在低带宽上优良的网络传输能力。

 

2.4 H264/AVC

H.264是一种高性能的视频编解码技术。目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联（ITU-T）”，它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是“国际标准化组织（ISO）”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组（JVT）共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码（Advanced Video Coding，AVC），而且它将成为MPEG-4标准的第10部分。因此，不论是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10，还是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。

H.264最具价值的部分是更高的数据压缩比，在同等的图像质量，H.264的数据压缩比能比DVD系统中使用的 MPEG-2高2～3倍，比MPEG-4高1.5～2倍。举个例子，原始文件的大小如果为100GB，采用MPEG-2压缩标准压缩后变成4GB，压缩比为25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为1GB，从100GB到1GB，H.264的压缩比达到惊人的100∶1。尤其值得一提的是，H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。

正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。在MPEG-2需要6Mbps的传输速率匹配时，H.264只需要1Mbps～2Mbps的传输速率。

 

2.5 WMV/WMV-HD//VC-1

WMV（Windows Media Video）是微软公司开发的一组数字影片编解码格式的通称，它是Windows Media架构下的一部分。

WMV最初是为低速率流媒体应用作为专有编解码开发出来的。

WMV-HD也是微软公司所创立的一种视频压缩格式。其压缩率远高于MPEG-2标准，同样是2小时的HDTV节目，如果使用MPEG-2最多只能压缩至30GB，而使用WMV-HD这样的高压缩率编码器，在画质丝毫不降的前提下都可压缩到15GB以下。虽然WMV-HD是微软的独有标准，在开放性和兼容性上没有其他几种格式好，但由于目前大家都在使用微软的操作系统，因此推出之后仍然迅速普及。

除了WMV-HD以外，微软WMV第九版(WMV9)编码技术叫做VC-1，2003年正式提出，于2006年正式成为国际标准，是微软开发的视频压缩技术系列中的最新版本。VC-1结合几种编码格式的优点于一身，在压缩比率上介于H.264与MPEG-2之间，画质表现方面与H.264接近，且在编码算法的复杂度上只为H.264的一半，处于一个中间的平衡点位置，对硬件要求较低、高压缩率、高画质、低耗时等特点使得VC-1成为一种比较理想的编码方式，发展前景较为可观。

 

2.6 DivX/XviD

DivX是由MPEG-4衍生出的一种视频编码(压缩)标准，也即我们通常所说的DVDrip格式， 它采用了MPEG4的压缩算法，同时又综合了MPEG-4与MP3各方面的技术，说白了就是使用DivX压缩技术对DVD盘片的视频图像进行高质量压缩， 同时用MP3或AC3对音频进行压缩，然后再将视频与音频合成，并加上相应的外挂字幕文件而形成的视频格式。其画质直逼DVD，而体积只有DVD的数分之 一。

Xvid（旧称为XviD）是一个开放源代码的MPEG-4影像编解码器，是由一群原OpenDivX开发者在OpenDivX于2001年7月停止开发后自行开发的。

Xvid支持量化（Quantization）、范围控制的运动侦测（Motion Search）、码率曲线分配（Curve）、动态关键帧距（I-frame interval）、心理视觉亮度修正、演职员表选项、外部自定义控制、运动向量加速（Hinted ME）编码、画面优化解码等众多编码技术，对用户来说功能十分强大。

Xvid的主要竞争对手是DivX。但Xvid是开放源代码的，而DivX则只有免费（不是自由）的版本和商用版本。

 

2.7 M-JPEG

Motion JPEG（M-JPEG或MJPEG，Motion Joint Photographic Experts Group，FourCC:MJPG）是一种影像压缩格式，其中每一帧图像都分别使用JPEG编码。M-JPEG常用在数字相机和摄像头之类的图像采集设备上，非线性剪辑系统也常用这种格式。QuickTime播放器和包括Mozilla Firefox，Google Chrome，Safari在内许多网页浏览器原生支持M-JPEG。

M-JPEG只使用帧内压缩（区别于算法更复杂的帧间压缩），只单独的对某一帧进行压缩，而不考虑影像画面中不同帧之间的变化。因此压缩效率比较低，一般低于1:20，而使用了帧间压缩的现代影像压缩格式（如MPEG1、MPEG2和H.264/MPEG-4 AVC）一般能超过1:50.由于各帧直接是相互独立的，M-JPEG的编解码在对运算能力和内存的要求较低。