數字視頻壓縮技術研究

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0引言

現如今,視頻技術在我國應用的范圍非常廣泛。無論是教育、醫療還是市政等方面都有視頻技術應用的身影。 但是以上所有視頻技術的應用都需要通過數字視頻壓縮技術來實現。 視頻本身傳輸所需的數據量較大,倘若不利用數字視頻壓縮技術,那么就無法切實地傳播相關數據。

1相關概念界定

1. 1數字視頻以及應用

隨著我國計算機技術以及信息技術的高速發展,數字化技術與各個領域的融合為人們的生活提供了便利。 以多媒體為例,無論是圖像還是文字,通過數字化處理能夠更好地便于人們進行存儲、共享以及利用。數字視頻有以下特點:(1)數字視頻方便存儲。 管理人員只需在計算機平臺上輸入關鍵詞就可按照內容搜索出數字化視頻。 (2) 數字化視頻具有良好的交互性。交互性是指傳統的電視只能支持使用者快速搜索或改變播放速度。 而數字化視頻能夠調整清晰度,人們可以選擇多個視角觀看[1]。

1. 2數字視頻壓縮的必要性

視頻壓縮是指技術人員結合實際需求,通過多樣化的壓縮技術去除數字視頻中的冗余信息,從而使得視頻資源能夠快速、便捷地進行傳輸,方便人們觀看。數字視頻壓縮前,每一個視頻都具有巨大的數據量。倘若這一階段的視頻需要進行存儲和傳播,通常需要較長的時間,并且還會為系統帶來一定的負擔。 在實際傳輸過程中,要想保障較高的數據傳輸率,就不得不通過降低視頻的質量來實現,例如顏色、采樣格式或空間分辨率等。 因此,數字視頻壓縮對于人們日常生活以及相關工作具有重要意義[2]。從數字視頻冗余信息結構角度來看,數字視頻冗余信息主要分為 4 種:首先是時間上的冗余信息,其次是空間上的冗余信息,再次是統計上的冗余信息,最后是感知上的冗余信息。 以時間上的冗余信息為例,數字視頻中相鄰的幀之間具有很強的關聯性,而這種關聯性就是時間上的冗余。 信息空間上的冗余信息是指在數字視頻的同一幀中,相鄰像素之間具有很強的關聯性,這種關聯性就是空間上的冗余信息。 統計上的冗余信息是指數字視頻冗余信息,將要編碼的符號分布概率不均勻。 而感知上的冗余信息是指數字視頻冗余 信 息 無 法 被 正 在 觀 看 視 頻 的 人 們 用 肉 眼 所 察覺到[3]。視頻經過壓縮處理之后,其傳輸存儲速率會遠遠比視頻壓縮之前便捷許多。 在多數情況下,經過壓縮處理后的圖像質量并不會降低太多,通常肉眼無法感受到視頻質量的降低。 因為在實際生活中,人們的眼睛只能辨別大概將近 1 024 種顏色,而世界上有數十億種顏色,人們在觀影過程中,即便一種顏色與另一種顏色相接近,而這兩種顏色是獨立的顏色,技術人員沒必要將每一種顏色都保留下來。 人們在觀看視頻過程中,肉眼通常只會觀察到一部分東西,而另一部分東西對于人們來說是可有可無的,所以壓縮視頻的過程就是將那一部分東西去掉[4]。如何能夠分辨數字視頻壓縮技術的好壞,主要可以從算法的復雜度以及壓縮后視頻圖像質量角度來看。 以運算復雜度為例,高性能的編碼器能夠保障視頻壓縮過程中運算復雜度更低,也使得整個視頻壓縮效率越來越快。 以壓縮品質角度來看,數字視頻壓縮后,技術人員必須考慮壓縮后的視頻與壓縮前視頻比特率和失真程度之間的差距。 一般來講,壓縮后的比特率和失真程度要比壓縮前的比特率與失真程度之間的差距越小越好,這樣才能夠保障數字視頻壓縮后依舊能以高質量的方式呈現給技術人員。 從實際角度來看,編碼器運算復雜度與壓縮品質之間也存在一定的聯系。 例如,技術人員如若將視頻信息的應用方式以存儲為主,那么就需要選擇壓縮品質較高的編碼方案,如果是該視頻信息主要用于視頻通話等領域,那么就需要選擇運算復雜度較低的壓縮編碼方案。 人們是用肉眼觀察視頻的,因此數字視頻壓縮處理后,它的失真標準應由人類的視覺感知來衡量。 例如結構相似性指標等,人們可以利用這些指標來觀察數字視頻壓縮后的影像品質是如何的[5]。

1. 3視頻壓縮編碼原理

數字電視是我國電視技術發展的新里程碑,數字電視和移動通信網絡以及下一代因特網是我國未來發展的主要方向之一。 數字電視就是將傳統的模擬電視信號轉變為二進制數字信號,再通過相關傳輸、存儲等方式讓計算機技術進行處理。 相比于模擬視頻信號,數字信號無論是性能還是質量都要比模擬視頻信號具有一定的優勢。 數字視頻信號的傳輸速率要高于模擬視頻信號。 從實際傳輸角度來看,數字電視需要在信道中逐幀地傳輸數字視頻,但是這一過程需要的碼率非常巨大。 因此,必須通過視頻壓縮編碼技術才能夠提高傳輸效果。 視頻壓縮編碼技術的原理有兩個,首先是通過相關技術去掉信息編碼的冗余度,其次是結合人眼的視覺特性實現圖像壓縮這一功能。 結合當前視頻編碼不同標準的數據來看。 在不同的應用下,視頻可以編碼成幾十千位和幾十兆位。 為了更好地實現網絡傳輸,數字視頻壓縮技術能夠符合各種視頻的標準,這樣人們能夠更加便捷地獲取或共享各類視頻數據。 當今社會,人們之所以能夠用 4G 或 5G 網絡通過手機觀看各種視頻,或利用電視機上網觀看、瀏覽視頻,是因為數字視頻壓縮技術能夠實現各個類型的視頻在各種設備之間的傳輸。 從實際角度來看,不光是視頻,文本、圖片、聲音等都是視頻內在的元素,他們的壓縮處理方式不相同。 視頻是最難進行壓縮處理的,如何能夠高效壓縮并快速處理,是數字視頻壓縮領域重要的發展方向[6]。

1. 4改進視頻處理算法的重要性

MPEG-2 標準的提出使得視頻存儲方式發生了變革,通過這種標準能夠實現長視頻的存儲,大多數節目都采取這種編碼方式來交換。 從實際情況來看,要想科學合理地壓縮視頻,首先需要考慮以下幾個問題:一是運算量的問題,二是視頻處理后視頻質量的問題,三是處理效果的問題,四是存儲器容量的問題。 以運算量問題為例,傳統的處理方式都是先將壓縮視頻進行解碼,隨后根據像素的方法進行處理,最后將圖像通過重新編碼的方式壓縮成視頻。這一方式雖然較為正規,但運算量較大,因為這一過程需要編碼與解碼。 編碼與解碼在處理視頻過程中通常需要消耗大量的計算量。 傳統的處理方式是先將壓縮視頻進行解碼,隨后根據像素的方法進行處理,將圖像通過重新編碼的方式壓縮成視頻。 處理效果是當今數字視頻壓縮過程需要重點考慮的問題。 雖然我國現在壓縮視頻使用較廣,但是視頻壓縮后視頻本身應保障不會發生較為明顯的變化。 這一過程依舊會導致視頻壓縮過程中需要處理的數據量過大,而技術人員利用壓縮域的方法能夠顯著減輕自己的重量。利用視頻壓縮技術后,較大容量的視頻可在普通的空間中進行存儲,但是倘若該視頻需要進行恢復,那么當前存儲空間就不具備相關約束需求。 基于此,工作人員需要尋找既能夠滿足復雜數字處理技巧任務,又能夠提升視頻質量、存儲容量等數字視頻壓縮技術。此外,先進的視頻處理技術能夠在我國教育、醫療以及企業培訓等方面開展。 以遠程教育為例,遠程教育、電子圖書館都能夠實現完美地切合數字視頻壓縮技術。因此,通過落實數字視頻壓縮技術,能夠有助于操作人員搜 尋、 整 合 多 媒 體 數 據 庫 資 源 以 及 進 行 圖 像分析[7]。

1. 5非線性編輯系統概述

非線性編輯系統是數字視頻后期制作系統,它結合了數字視頻后期制作設備,能夠實現多媒體計算機的各種基本功能,還能夠保障數字視頻具備高畫質的性能。 非線性編輯系統具備傳統線性電視編輯系統的功能,并且在他們原有基礎之上進行了創新。 因此非線性編輯系統能夠為數字視頻領域帶來巨大的變革。相比于傳統編輯技術,非線性編輯技術提高了編輯效率。 非線性編輯技術在實際應用過程中,技術人員能夠結合相關要求通過多元化的方式剪切和編輯視頻內容,同時還能夠實現多元化的數字特效處理功能。 這種技術使得工作人員在處理數字視頻過程中,不再以傳統的方式開展作業,而是結合自身思維認知創作數字視頻,有利于我國電視后期制作領域的發展[8]。從非線性編輯系統結構來看,非線性編輯系統主要包括多媒體素材接口單元、中央處理單元、信號輸出接口單元以及信號輸入接口單元。 當音視頻傳輸到非線性編輯系統中,首先該視頻進入的是非線性編輯系統的信號輸入單元,隨后信號輸入單元就會將音視頻傳輸到多媒體素材接口單元,通過中央處理單元進行一系列操作后。 再由多媒體素材接口單元將音視頻傳輸至信號輸出接口單元,以此來完成整個音視頻輸入、輸出過程。

2數字視頻壓縮技術

2. 1數字視頻壓縮技術分析

視頻數字壓縮就是將數字視頻按照某種規律進行壓縮,遵循的標準主要有 MPEG-2 等。 從實際應用角度來看,對于非公開的壓縮技術,他們一般存在標準不全面的現象,而眾多壓縮標準也使得不同廠家之間無法用同一種壓縮技術設備進行互聯。 采取不同視頻壓縮技術的設備要想實現互聯具有相當的難度。 當前,我國電視廣播領域以及視頻監控領域通常采取 MPEG-2 視頻壓縮技術。 不同種類的視頻壓縮技術在處理圖像質量、帶寬以及算法復雜度等領域有不同的特征。 以MPEG-2 為例,MPEG-2 在圖像質量、復雜度以及帶寬3 個指標中,位于中等水平,如圖 1 所示。圖像質量即模擬視頻圖像的還原度。 圖像質量越高,說明利用該數字視頻壓縮技術,能使得壓縮后的視頻更接近初始視頻的畫質。 帶寬是指利用該數字視頻壓縮技術處理視頻時需要占有的網絡帶寬。 同樣,這需要計算機硬件性能達到相應的要求。 不同實際情況以及不同的行業,對數字視頻壓縮技術有不同的需求例如某行業更注重圖像質量,而對于延時等性能則沒有過高的要求。 我國監控行業對于延時具有較高的要求,相比于圖像,視頻需要更低的延時。

2. 2MPEG-2 數字視頻格式

以國際最廣泛應用的數字視頻格式為例,MPEG-2標準的兼容性最強,并且能夠被多個領域采用,無論是從技術上還是生命力的角度來看,MPEG-2 已經逐漸取代其他數字視頻格式,當前存在一種先進的視頻格式。 這種視頻格式能夠實現圖像質量較高的情況下達到最大壓縮比,但是這種視頻格式并沒有與之對應的芯片,所以 MPEG-2 數字視頻格式比其他數字視頻格式更為成熟,具有較強的兼容性。

2. 3圖像的調用

以某地鐵監控中心為例,該監控中心的監控設備采用的是二次編解碼方式,但是從實際運轉角度來看,該城市監控中心能看到的圖像只是存在于監控中心正在監控的圖像,也就是說,技術人員不能通過操作實現任意車站的監控觀看。 當前,大部分采用的視頻編解碼延時范圍主要在 300 ms 以內,但是利用二次編碼的方式能夠使得編解碼延時降低至 100 ms 以內,使得該城市的監控中心延時范圍為 400 ms 以內。

3結語

 綜上所述,隨著人們對視頻的需求越來越大,科學合理的數字視頻壓縮技術能夠有效實現視頻資源的傳輸與共享,能夠極大豐富人們的視野。 數字視頻壓縮技術是新型的科技領域,能夠為我國社會發展提供一定的動力。

作者:王治 單位:江蘇省泰州廣播電視臺