超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)

戴 雨

（長(zhǎng)沙廣播電視技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引 言

2012年，國(guó)際電信聯(lián)盟首次發(fā)布了超高清電視的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)示著超高清電視進(jìn)入了人們的視野。由于其具有比傳統(tǒng)電視更高的清晰度和分辨率，因此受到人們的青睞。在這種背景下，國(guó)內(nèi)外商家紛紛推出不同尺寸的超高清電視，使超高清電視成為電視行業(yè)的熱點(diǎn)。超高清顯示為人們帶來(lái)更加細(xì)膩和逼真的視覺(jué)效果，給人們帶來(lái)更強(qiáng)的臨場(chǎng)感，這為后期超高清電視技術(shù)的發(fā)展提供了條件[1]。

1 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)

視頻壓縮編碼技術(shù)借助新型壓縮技術(shù)有效處理原始傳輸數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)可以適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸要求。例如，在處理4K超高清電視信號(hào)時(shí)，原始數(shù)據(jù)碼率為2.78 Gb·s-1，如果將其轉(zhuǎn)化為8K信號(hào)，則碼率將達(dá)到11 Gb·s-1。如果按照原始的H.264視頻壓縮處理模式，可實(shí)現(xiàn)將4K原始數(shù)據(jù)壓縮為20 Mb·s-1，仍會(huì)給當(dāng)前帶寬帶來(lái)較大壓力。因此，需要采用更加高效的壓縮技術(shù)，在提高傳輸效率的同時(shí)，緩解當(dāng)前帶寬的壓力。由ITU-T視頻編碼組與移動(dòng)視頻專家組組成的聯(lián)合編碼小組，共同提出新的高效率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（High Efficiency Video Coding，HEVC）。與傳統(tǒng)的H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，HEVC的壓縮效率大大提升。HEVC主要包含編碼單元、預(yù)測(cè)單元以及變換單元，三者相互獨(dú)立且功能完善，能夠?qū)崿F(xiàn)塊像素的解碼與重構(gòu)[2]。HEVC預(yù)測(cè)單元有多種幀內(nèi)部預(yù)測(cè)方式，在提升數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，有效保留了H.264濾波器，并在其基礎(chǔ)上增設(shè)高效濾波器，提升過(guò)濾效果的同時(shí)，也拓寬了過(guò)濾范圍。

2 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼關(guān)鍵技術(shù)

超高清數(shù)字電視壓縮編碼關(guān)鍵技術(shù)的種類多樣，本文選擇幾種具有代表性的技術(shù)作為主要的分析對(duì)象進(jìn)行闡述。

2.1 HEVC編碼結(jié)構(gòu)

HEVC的編碼結(jié)構(gòu)是一種四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，能夠借助內(nèi)部單元實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的壓縮、分割以及預(yù)測(cè)，進(jìn)而以最大塊結(jié)構(gòu)對(duì)遞歸進(jìn)行劃分。這是HEVC編碼結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)。最大塊像素為64×64，最小像素為8×8，保證整個(gè)圖像為正方形。在此過(guò)程中，為了得到精準(zhǔn)的編碼單元值，最大計(jì)算次數(shù)達(dá)85次，將失真值降為最低。變換單元預(yù)測(cè)整個(gè)編碼單元，其大小比編碼單元更大，形狀不僅可為正方形也可為長(zhǎng)方形，按照對(duì)稱與否，將其分為對(duì)稱分割和非對(duì)稱分割兩類[3]。HEVC編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HEVC編碼結(jié)構(gòu)

2.2 HEVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼技術(shù)

HEVC的幀內(nèi)預(yù)測(cè)與H.264技術(shù)相似，都是在空域內(nèi)對(duì)視頻進(jìn)行壓縮處理。為了提升幀內(nèi)效率，HEVC將預(yù)測(cè)模式擴(kuò)展為35種，比傳統(tǒng)的H.264標(biāo)準(zhǔn)多8種。在這35種預(yù)測(cè)模式中，有33種模式是為了強(qiáng)化幀內(nèi)預(yù)測(cè)的精度，另外兩種非線性預(yù)測(cè)模式的主要對(duì)象為平滑區(qū)域。每一個(gè)預(yù)測(cè)單元都實(shí)施全方位的預(yù)測(cè)，非方向預(yù)測(cè)的數(shù)量保持不變，方向性預(yù)測(cè)的數(shù)量則在最大值和最小值之間變化，即64×64到4×4之間，但是取得的精度一致。盡管這種模式能夠有效提升幀內(nèi)精度，但卻增加了預(yù)測(cè)的復(fù)雜性，對(duì)單元大小和數(shù)量的設(shè)置也將由預(yù)測(cè)單元的大小決定。這是目前HEVC幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼技術(shù)研究面臨的一大難題。

2.3 HEVC環(huán)路濾波技術(shù)

2.3.1 自適應(yīng)樣點(diǎn)補(bǔ)償濾波器

為進(jìn)一步降低重建圖像的失真，運(yùn)用樣點(diǎn)補(bǔ)償濾波器，逐步對(duì)各個(gè)像素應(yīng)用特征進(jìn)行分類，進(jìn)而有針對(duì)性地補(bǔ)償。補(bǔ)償一般分為帶狀補(bǔ)償和邊緣補(bǔ)償兩種。帶狀補(bǔ)償將像素劃分為多個(gè)條帶，使像素之間分離，補(bǔ)償范圍處于0到最大范圍，間隔32個(gè)強(qiáng)度，為每一個(gè)間隔分配相應(yīng)的補(bǔ)償值。如果將這32個(gè)間隔分組，則其中一組作為能夠節(jié)省比特?cái)?shù)的傳輸介質(zhì)。邊緣補(bǔ)償對(duì)比兩個(gè)間隔像素，進(jìn)而對(duì)當(dāng)前像素進(jìn)行分類和識(shí)別，解碼過(guò)程需要結(jié)合標(biāo)識(shí)碼給予相應(yīng)補(bǔ)償。

2.3.2 自適應(yīng)環(huán)路濾波器

自適環(huán)路濾波器以像素狀態(tài)為基礎(chǔ)，有效明確塊狀的色度分量和亮度分量。在色度分量中，自適環(huán)路濾波器是一個(gè)對(duì)稱的濾波器；但是在色度分量中，它是一個(gè)5×5對(duì)稱矩陣的濾波器。在實(shí)際的視頻壓縮編碼處理過(guò)程中，HEVC將自適應(yīng)環(huán)路濾波器分為兩種類型，一種以像素為基礎(chǔ)，一種以區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)。像素濾波器結(jié)合實(shí)際需求將圖像劃分為16組，確保每一組都能被相應(yīng)的濾波器處理；區(qū)域?yàn)V波器則將圖像分為16塊，對(duì)比最大編碼單元對(duì)每一塊做處理，最后運(yùn)用濾波器對(duì)其做整體處理。

3 超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展展望

目前，超高清數(shù)字視頻的應(yīng)用已經(jīng)不再局限于數(shù)字影院以及廣播電視行業(yè)。通信技術(shù)的更新與發(fā)展，有效解決了電視信號(hào)的傳輸問(wèn)題，促使超高清電視在其他領(lǐng)域獲得了空前的發(fā)展和應(yīng)用[4]。例如，現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的智能手機(jī)，其像素分辨率已經(jīng)達(dá)到了4K標(biāo)準(zhǔn)，但是受信號(hào)傳輸限制，手機(jī)觀看的視頻像素與普通電視相似。很多大型電視生產(chǎn)廠家已經(jīng)率先研發(fā)和制造了超高清電視，在視頻效果方面受到使用者的一致好評(píng)[5]，但是價(jià)格比較昂貴。目前觀眾對(duì)超高清電視的需求在不斷擴(kuò)大，但是信號(hào)傳輸限制在一定程度上阻礙了超高清電視的發(fā)展。在今后超高清電視的研發(fā)中，應(yīng)加大對(duì)視頻壓縮編碼技術(shù)的研究，并努力突破信號(hào)傳輸給超高清電視發(fā)展帶來(lái)的限制。

4 結(jié) 語(yǔ)

新時(shí)期，超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)為電視行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)。要使其得到大規(guī)模的生產(chǎn)和推廣，還需要在一些技術(shù)上突破限制，不斷完善編碼技術(shù)，進(jìn)而為我國(guó)廣播電視行業(yè)的持續(xù)發(fā)展奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。