视频编码的基本原理

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视频编码的意义

• 原始视频数据存储空间大，一个 1080P 的 7 s 视频需要 817 MB
• 原始视频数据传输占用带宽大，10 Mbps 的带宽传输上述 7 s 视频需要 11 分钟
  而经过 H.264 编码压缩之后，视频大小只有 708 k ,10 Mbps 的带宽仅仅需要 500 ms ，可以满足实时传输的需求，所以从视频采集传感器采集来的原始视频势必要经过视频编码。

基本原理

为什么巨大的原始视频可以编码成很小的视频那？核心思想就是去除屯余思想

• 空间屯余：相邻元素之间有较强的相干性
• 时间屯余：视频帧之间的相邻图像之间有相似性
• 编码屯余：不同像素值出现的概率不同
• 视觉屯余：人的视觉系统对某些细节不敏感
• 知识屯余：规律性的结构可有先验知识和背景得到

视频本质上讲是一系列图片连续快速的播放，最简单的压缩方式就是对每一帧图片进行压缩，例如比较古老的 MJPEG 编码就是这种编码方式，这种编码方式只有帧内编码，利用空间上的取样预测来编码。形象的比喻就是把每帧都作为一张图片，采用 JPEG 的编码格式对图片进行压缩，这种编码只考虑了一张图片内的冗余信息压缩，如图 1，绿色的部分就是当前待编码的区域，灰色就是尚未编码的区域，绿色区域可以根据已经编码的部分进行预测（绿色的左边，下边，左下等）。

图一

但是帧和帧之间因为时间的相关性，后续开发出了一些比较高级的编码器可以采用帧间编码，简单点说就是通过搜索算法选定了帧上的某些区域，然后通过计算当前帧和前后参考帧的向量差进行编码的一种形式，通过下面两个图 2 连续帧我们可以看到，滑雪的同学是向前位移的，但实际上是雪景在向后位移，P 帧通过参考帧（I 或其他 P 帧）就可以进行编码了，编码之后的大小非常小，压缩比非常高。

图二

除了空间冗余和时间冗余的压缩，主要还有编码压缩和视觉压缩，下面是一个编码器主要的流程图：

图三

图四

图 3、图 4 两个流程，图 3 是帧内编码，图 4 是帧间编码，从图上看到的主要区别就是第一步不相同，其实这两个流程也是结合在一起的，我们通常说的 I 帧和 P 帧就是分别采用了帧内编码和帧间编码。