第3章  视频编码方案

视频编码就是去除视频数据中的冗余信息，本章将要对H263编码方案、H264编码方案和MPEG-4编码方案中的相关技术进行介绍，三种编码方案中H263编码方案中最为基础，其技术可以被后两种编码编码方案用到，本章在介绍H264和MPEG-4两种编码方案时将着重介绍其特色技术。

3.1  视频编码分析

本节将要对视频编码一般过程，常用的视频编码及编码编码标准的引用进行总体的介绍，另外还介绍了数据冗余的几种情况。

视频（这里所说的是数字视频）是指在一定时间内连续的播放静止图像，这里面每一张静止的图像都被称之为一帧（frame）。由人眼的视觉特点决定，每秒要播放25帧到30帧的图像，人们才能感觉到视频是连续的。
随着计算机网络技术、多媒体技术的飞速发展，桌面视频会议系统、可视电话、高清晰度数字电视、视频点播、数字存储媒体等领域的发展，人们迫切需要将庞大的视频数据进行压缩，以减少磁盘空间的浪费及提高视频在网络上的传输速度。视频压缩编码就这样在近二十年里得到了飞速发展。

视频编码是对一个数字视频信号的编码和解码的过程，视频压缩编码方案主要由ISO/IEC和ITU-T这两大组织不断的推出，其中包括ISO/IEC的MPEG系列和ITU-T的H.26x系列。现在普遍应用得视频编码方案有H.263、MPEG-2、MPEG-4、H.264等，每一种编码方案都有它独特的应用方向。例如：H.263主要应用于IP视频以及多媒体通信终端；MPEG-4主要应用于数字电视、交互式图形及Internet等领域；H.264主要应用于电视电话及电视会议。

各编码方案都有许多共性的地方，例如，每个编码方案都包括三个主要的功能模块，即变换编码、运动补偿、以及熵编码；每个编码方案中都需要将帧图像分割成块，以便进行离散余弦变换及进行块匹配。运动补偿、熵编码、离散余弦变换这些都是视频编码的关键技术，每种压缩算法都会在这些地方下许多功夫。

视频压缩主要就是减少空间冗余、时间冗余、以及统计冗余。

空间冗余是指视频信号中同一幅图像内相邻或相近像素之间具有的相关性。变换编码的目的就是去除这种冗余度，一般来说，所选择的变换应具有较好的能量集中特性，使得变换之后图像的能量集中在少数几个系数中。KLT变换是目前能量集中性最好的一种变换，但是由于KLT变换的矩阵是内容相关的，计算复杂度较大，因此目前大多数视频编码器中采用的是DCT变换。与KLT变换相比，DCT变换的能量集中性稍差，但是计算简便，有快速算法，因此得到了广泛的应用。

时间冗余是指视频信号中不同图像的像素之间具有的相关性，特别是在运动幅度比较小的序列中这种相关性更加明显。运动补偿用来消除这种时间冗余度，它基于差分编码的思想，只对当前信号与参考信号之间的差值进行编码。即使一帧图像中原始像素的能量很高，经过运动补偿后得到的残差信号的能量也可以显著降低，有利于降低码率。
统计冗余主要指数据重复出现的概率，对于消除统计冗余最常用方法的就是使用霍夫曼编码。霍夫曼编码可以缩短数据的总长度，减少数据占用的空间，提高了压缩比率。在霍夫曼编码的基础上还有可变长编码方案（VCL）、基于上下文的自适应变长编码（CAVLC）、基于上下文的自适应二进制算术编码（CABAC）。

每种编码方案中都提到了宏块这一概念，宏块主要指一幅图像中被分为若干个大小相同的单元中的一个，一般宏块的大小都为16x16，运动估计过程就是对每个宏块单独进行处理的。

下面对视频压缩编码方案H.263、H.264及MPEG-4进行详细的介绍。