音视频编码技术:探索视频压缩与音频编码的奥秘

发表时间: 2022-11-08 16:25

前述

音视频技术主要包含以下几点:封装技术,视频压缩编码技术和音频编码压缩技术。

如果解码本地视频,则不需要解协议:解封装->解码音视频->音视频同步

解协议的作用

将流媒体协议的数据解析为标准的响应的封装格式的数据,音视频在网络上传输时常常采用各种流媒体协议

  • 例如HTTP、RPMP和MMS等等,这些协议在传输音视频时也会传输一些信令数据,这些信令数据包含播放、暂停和停止等,或者对网络状态的描述

解协议的过程就是去掉这些信令指令,只保留音视频数据

  • 例如:采用RTMP协议发送的数据,经过解协议后,得到输出结果为flv的封装格式数据。

解封装的作用

将输入的封装格式的数据,分离成音频流压缩的数据和视频流压缩的数据,封装格式种类很多

  • 例如MP4,MKV,RMVB,TS,FLV,AVI等等。它的作用就是将已经压缩编码的视频数据和音频数据按照一定的格式放到一起。
  • 例如:FLV封装格式的数据解封装后,输出H264的视频码流和AAC的音频码流。

解码的作用

  • 将音频/视频的压缩编码数据,解码成为非压缩的音视/视频的原始数据。音频的压缩编码标准包含AAC,MP3,AC-3等,视频的压缩编码标准包含H264,MPEG2,VC-1等等
  • 解码的过程是整个系统中总重要和最复杂的一个环节,通过解码,压缩的视频数据输出为非压缩的颜色数据,例如YUV420P、RGB等等,压缩的音频数据输出为非压缩的音频抽样数据,例如PCM的数据。

音视频同步的作用

将解封装过程得到的参数信息和同步解码得到的音视频数据,推送到系统的显卡和声卡显示出来

现今主流视频编码算法

编码算法具有高计算量和受实现平台的影响等特点,所以技术一直在不断地完善,主流是 MPEG-4H.264。而且市场需求量也是很大的,但出现一个问题:就是每个领域都有几家特别牛逼的几家公司在哪里,人家大而不倒,你想跻身进入 500 强,没有强悍的身板(高质量的技术),你怕站不住啊!

MPEG-4 和 H.264 区别

  • MPEG-4 是 ISO 组织制定的音视频编解码算法,主要针对网络、视频会议和可视电话等低码率传输应用
  • H.264 是 ITU-T 和 ISO 联合组织 JVT 制定的视频编解码标准,在 MPEG-4 中是 Part-10,称为 AVC(Advanceel Video Ccoding),在 ITU 中称为 H.264

H.264 特点

H.264 算法还是基于块的混合编码技术,编码过程基本与以前的编码标准相同,只是每个功能模块都进行了技术更新,帧内预测、帧间预测、整数 DCT 变换、环路滤波、熵编码等模块都做了技术提升。

(1)NAL与VCL

网络适配层 NAL(Network Abstraction Layer)是 H.264 为适应网络传输应用而制定的一层数据打包操作。传统的视频编码算法编完的视频码流在任何应用领域下(无论用于存储、传输等)都是统一的码流模式,视频码流仅有视频编码层 VCL(Video Coding Layer)。而 H.264 可根据不同应用增加不同的 NAL 片头,以适应不同的网络应用环境,减少码流的传输差错。

(2)帧内预测

H.264 为能进一步利用图像的空间相关性,H.264 引入了多模式的帧内预测以提高压缩效率。简单地说,帧内预测编码就是用周围邻近的像素值来预测当前的像素值,然后对预测误差进行编码。预测是基于块的,亮度分量(Luma)块的大小可以在16×16和4×4之间选择,16×16块有4种预测模式,4×4块有9种预测模式;色度分量 (Chroma)预测是对整个8×8块进行的,预测模式同亮度16×16的4种预测模式。

(3)帧间预测

帧间预测即传统的运动估计 ME 加运动补偿 MC,H.264 的运动估计更精准、快速,效果更好

解码原理

首先解析码流的头数据,获取编码图像的有关参数:包括帧编码类型(I/P)、图像宽度或高度等,后续就是以宏块为单位循环解码,以宏块为处理单元循环执行。熵解码是可变长编码 VLC 的逆操作,即 VLD。H.263/MPEG-1/2/4 是 Huffman 熵解码,即通常意义上的 VLD,而 H.264 则是采用了算术解码,又包括 CAVLD、CABAD

另外

  • 对于帧间编码的宏块,解码器还要解析出当前宏块的运动向量。熵解码后是反量化操作,反量化就是量化结果乘以量化步长,对于不同的解码算法又有不同的反量化处理,H.263采用了32级的均匀量化,即宏块数据采取一个量化步长
  • MPEG-4除了支持H.263的均匀量化外,还增加了量化表的处理方式;H.264采用了52级的均匀量化方式
  • 反量化处理后,进行反变换IDCT,对H.263/MPEG-1/2/4采取了8×8块的浮点式IDCT,H.264采取了4×4的整数ICT。
  • 运动补偿是解码器中的重点,占用了约60%以上的计算负荷,这是因为码流统计中帧间编码为主要的编码类型,而与之对应的处理就是插值运动补偿,根据从码流中解析的运动向量信息,定位参考帧的确切位置,然后计算1/2、1/4像素精度的插值,最后把结果补偿(加)到重建帧中

解码器中的最后处理是可选的去除块效应(MPEG-4)、环路滤波(H.264)、图像扩展等。

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