视频编码原理

Posted 2023-02-22 vector6_

视频编码原理

视频编码是对一帧帧图像来进行的。一般我们所熟知的彩色图像的格式是 RGB 的，即用红绿蓝三个分量的组合来表示所有颜色。但是，RGB 三个颜色是有相关性的，为了去掉这个相关性，减少需要编码的信息量，我们通常会把 RGB 转换成 YUV，也就是 1 个亮度分量和 2 个色度分量。另外，人眼对于亮度信息更加敏感，而对于色度信息稍弱，所以视频编码是将 Y 分量和 UV 分量分开来编码的。

而对于每一帧图像，又是划分成一个个块来进行编码的，这一个个块在 H264 中叫做宏块，而在 VP9、AV1 中称之为超级块，其实概念是一样的。宏块大小一般是 16x16（H264、VP8），32x32（H265、VP9），64x64（H265、VP9、AV1），128x128（AV1）这几种。这里提到的 H264、H265、VP8、VP9 和 AV1 都是市面上常见的编码标准。

图像一般都是有数据冗余的，主要包括以下 4 种：

• 空间冗余。比如说将一帧图像划分成一个个 16x16 的块之后，相邻的块很多时候都有比较明显的相似性，这种就叫空间冗余。
• 时间冗余。一个帧率为 25fps 的视频中前后两帧图像相差只有 40ms，两张图像的变化是比较小的，相似性很高，这种叫做时间冗余。
• 视觉冗余。我们的眼睛是有视觉灵敏度这个东西的。人的眼睛对于图像中高频信息的敏感度是小于低频信息的。有的时候去除图像中的一些高频信息，人眼看起来跟不去除高频信息差别不大，这种叫做视觉冗余。
• 信息熵冗余。我们一般会使用 Zip 等压缩工具去压缩文件，将文件大小减小，这个对于图像来说也是可以做的，这种冗余叫做信息熵冗余。

视频编码简单来说就是为了能够在最后熵编码的时候压缩率更高，我们希望送到熵编码（以行程编码为例）的“像素串”，是一串含有很多 0，并且最好连续为 0 的“像素串”。

为了达到这个目标，我们先通过帧内预测或者帧间预测去除空间冗余和时间冗余，从而得到一个像素值相比编码块小很多的残差块。之后我们再通过 DCT 变换将低频和高频信息分离开来得到变换块，然后再对变换块的系数做量化。由于高频系数通常比较小，很容易量化为 0，同时人眼对高频信息不太敏感，这样我们就得到了一串含有很多个 0，大多数情况下是一串含有连续 0 的“像素串”，并且人的观感还不会太明显。这样，最后熵编码就能把图像压缩成比较小的数据，以此达到视频压缩的目的。这就是视频编码的原理。

现在市面上常见的编码标准有 H264、H265、VP8、VP9 和 AV1。目前 H264 和 VP8 是最常用的编码标准，且两者的标准非常相似。H265 和 VP9 分别是他们的下一代编码标准，这两个标准也非常相似。AV1 是 VP9 的下一代编码标准。目前普通产品还是使用 H264 最多，而 H265 因为专利费使用得比较少。VP8 是 WebRTC 默认的编码标准，且 WebRTC 使用 VP8 最多。同时，WebRTC 也支持 VP9 和 AV1。YouTube 使用了 VP9 和 AV1。Netflix 也使用了 AV1。

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从上面表格中可以看到，标准越新，最大编码块就越大，块划分的方式也越多，编码模式也就越多。因此压缩效率也会越高，但是带来的编码耗时也越大。所以在选择编码器的时候需要根据自己的实际应用场景来选择，同时还需要考虑专利费的问题。还有一个就是考虑有没有硬件支持的问题。目前 H264 和 H265 的硬件支持已经很好了，AV1 才刚开始，硬件支持较少，之后会有更多硬编硬件支持。

一般相同码率下，AV1 清晰度稍好于 H265，而 H264 最差，但是编码耗时则相反，AV1 最高，H265 次之，H264 速度最快。

所以，如果是在性能比较差的机器上编码，最好使用 H264 和 VP8 等速度快的编码器。如果是在比较新的机器上，可以考虑 H265 编码。中等机器如果支持 H265 硬编也是可以考虑的。但有一个问题就是 H265 需要考虑专利费的问题，同时浏览器原生不支持 H265 编码，所以有这方面需求的，最好不要使用 H265，可以考虑使用 VP9，甚至可以考虑 AV1。另外，由于 AV1 原生标准就支持屏幕编码的优化，所以屏幕编码场景下可以考虑使用 AV1 编码。