视频基础知识

1、视频基础知识（四）高海鹏 /编译视频经过压缩还能保持原来的质量么?通过以上分析我们了解了视频数字化所带来的问题，而这些问题的产生归结为一点就是数字视频的数据量太大。解决之道无非有两点，一是增加存储载体的容量，一是减少数字视频的数据量。目前作为数字视频主要存储载体的光盘和硬盘的技术发展得相当快，容量也大幅度提高，尤其是硬盘容量以几十个 G 的速度增长。 但即使这样， 也难以承载数字视频巨大的数据量，而且这样做很不经济。在这种情况下，我们可以换一种思路，即减少数字视频的数据量。那么如何减少数字视频的数据量呢？减少了数据量是否会影响到图像质量呢 ?这涉及到一个问题： 即数字视频的数据量并不等于它所携

2、带的信息量。就是说数据量大未必包含更多的画面信息，它们并非呈正比的对应关系。更具体地说，视频信息本身具有如下特点：数字视频中有许多数据是多余的，图像数据是密切相关的。比如一幅图像内或一段视频的相邻图像之间有着大量的重复内容，在空间和时间上存在着相关性。视频信息的这个特点给我们以启示：并不是数据越多越好，人们真正需要的是信息。既然数据中有冗余，那就可以对数据进行压缩。于是数字视频的压缩就有了可能性，这是由数字视频自身的特点决定的。而另一方面，数字视频可以进行压缩而不影响或较少影响画面质量，这种可能性也建立在人类视听系统的特点上。视频图像的最终接收者是人，眼睛是图像信息的接收端，耳朵是声音信息的接

3、收端。图像、声音数据压缩的可能性既建立在数据本身中含有冗余信息的基础上，也建立在人类听觉、视觉的非线性的特点上。这种视听的非线性表现在两方面：一是人的感官对信号的时间变化和幅度变化的感受能力有一个极限，对超过或低于某一极限的幅度变化就无法感知。比如人耳只能听到 20Hz 20KHz 范围内的声音，对于超声波就听不到了；另一方面人的视觉系统对亮度敏感，对色彩不太敏感：对空间频率低的能量敏感性强，对空间频率高的能量敏感性差。还有从视觉心理上说当人在关心画面的某一重要的特征时，往往会忽略其它次要的信息。根据人的视听系统的非线性特点，就可以把超过人类视听辨认极限的部分去掉，对人不敏感的信息用较少数据来

4、描述，这样就可以相应地减少这部分信息的数据量，就能达到数据压缩的目的。通过以上分析知道没有必要存储全部的数字视频数据。我们以舍弃一部分信息为代价，保留最重要的、最本质的信息，用新的编码方法既减少重复信息同时又保证质量来重构原来的画面，以达到更高的数据压缩比。这就是视频压缩的实质。压缩是如何进行的?数据压缩的实现就是对数据进行重新编码，它的理论基础是信息论。从信息论的角度看，压缩基本上是这样一个过程：通过消除信息中的冗余成分来减少数据量。即保留不确定的信息，去除确定的、可推知的信息，也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有的描述，这涉及到信息的重新编码。1图像压缩编码活动图像的压缩实质上是将数

5、字化的视频信息重新编码成一种数据流。 图像的数字编码是指在保持原图像质量( 即解码后的图像质量等同于编码前的图像质量)前提下来减少需要存储和传送的图像或视频数据。根据视频压缩的可能性通常利用两种基本原理，一种是减少图像信号中多余的信息，即时间冗余信息和空间冗余信息，以减少存储和传送无用的信息，这可以通过分析视频信号来实现。这些基于数据统计(去掉数据冗余 )的编码方法属于第一代即低层的编码方法，总的来说就是要识别并去除冗余信息，从而减少存储量和所需带宽。另一种是利用人类视觉心理特性的编码方法，一方面考虑了人眼的视觉特性，另一方面也考虑到图像传递的景物特征。其实人眼视觉系统本身就是一种最优的图像编

6、码系统，这种编码方法属于第二代即中、高层的编码方法。具体来说压缩过程涉及到空间和时间两个方面，利用视频信息在空间上存在冗余成分进行编码的方法称为空间冗余编码；利用视频信息在时间上存在冗余成分进行的编码的方法称为时间冗余编码。2.空间冗余编码空间冗余编码也常常被称为帧内压缩或空间压缩，就是说数据的压缩是发生在同一帧内，仅仅考虑本帧内的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息。一般来说在同一幅图像中，规则物体和规则背景的在形状、颜色上具有相似之处。更具体来说一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的，因此一个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系，呈渐变状。这种关系称为空间相关性；一幅

7、图像中或连续运动的图像之间都有可能存在着大量的色彩或亮度相同、相近的像素块。这些相关性在数字化图像中就表现为数据的空间冗余。比如一幅画面表现的是蓝天白云间飞翔着一架飞机 (如图 1)，分析画面我们可以得到这样的结论：画面中绝大部分表示天空背景的像素都是蓝色的 (假设这天晴空万里 )，表现飞机和云朵的那部分像素是不同于蓝色，但其中表现云朵的像素之间像素是相近的颜色，表现飞机的像素之间是相近的颜色。这样在存储这幅图像时，就没有必要去存储图像中每一点颜色的数据，可以用一种代码来记录：比如用一种代码来描述画面中的蓝色像素，用另一种代码描述白色像素，等等，这样就可以记录下图像的特征，就可以完全重现蓝天、

8、白云、飞机的画面。而这种代码的数据量是很小的。因此说图像中相邻像素间或数个相邻像素块间存在的高度相关性是空间冗余编码的依据。帧内压缩的编码效率较低，压缩比只有两三倍。但是由于帧内压缩时各个帧之间没有相互关系，所以压缩后的视频文件可以以帧为单位进行编辑，它适用于电视节目制作。3.时间冗余编码时间冗余编码也常常被称为帧间压缩或时间压缩。它的依据是活动图像之间存在着时间上的相关性。电影电视等活动影像的一段画面常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成，一般来说，图像序列中相邻帧的图像内容变化不大，也存在一定的关系，这种关系称为时间相关性，或可称为时间冗余度。而在传统的模拟电视系统中，记录、传输时是将每帧

9、图像的数据都传输出去，而不管相邻帧的内容是相同、相似还是不同，这样造成的数据率的增加。降低时间冗余度的有效方法是只记录和传送相邻图像之间变化的部分，即差值，它代表了图像的运动部分和变更部分。一幅图像与其前一幅和后一幅都是相关的，或者说一幅图像可以通过前一幅图像和后一幅图像描述出来，是可以推知的。在编码时只要描述一幅基础的画面和表示图像之间差别的数据就可以表示出连 续的画面来。如果用一种代码描述一幅画面，再用包含更少的数据量的代码来描述当前画面与后继画面之间的差别，同样可以还原出活动图像。这种冗余编码是发生在相邻帧或连续帧之间的，这种压缩类型也被称为帧间压缩。帧间压缩可以获得较高的压缩比，但由于

10、它采用预测技术对画面相邻画面进行分析而得出其它的画面，它的缺点是对于内容变化不大的画面预测性能较好，画面还很流畅；而对于内容变化较大的画面，预测性能就较差， 画面就不连续。压缩方法分为哪些类型?以上我们介绍了两种压缩的基本原理，实际上还有其它根据统计学或心理学特征开发的压缩方法，我们就不介绍了。综合以上压缩方法，我们可以将其归类为无损压缩与有损压缩、对称压缩和不对称压缩等类型。1.无损压缩与有损压缩编码的方法很多，其分类的方法也很多。从信息在压缩过程中是否有丢失来划分，视频压缩可分为有损压缩和无损压缩。无损压缩：无损压缩是在解码后还原出来的数据与原始数据完全一致，不存在任何差别，也就是说在压缩

11、中没有丢失任何信息，能够精确地重构原始图像，也称为是可逆的编码方法。这种既能压缩信息量又不对信息造成任何影响的无损压缩方法最符合视频制作的要求。但是这种压缩方法有一定的适用条件：即它对那些内容重复比较多的信息压缩倍率最大，而对没有重复信息或重复信息很少的文件压缩比较小。这就限制了它在数字视频领域中的应用。有损压缩：这种方法在压缩过程中会丢失视频中的一些信息，解码后的图像与原始图像存在一定的误差，而且丢失的信息不能恢复，也称为不可逆编码方法。作为高质量的视频压缩，尽量丢掉一些人眼视觉功能不需要的信息，或者人眼不敏感的信息，使解压缩后的信息与原始信息没有多大差别，在视觉效果上是可以被接受的。这种压

12、缩方法既保持了视频信号的高质量，压缩程度有很高。目前数字非线性编辑系统大都采用有损压缩的方式，而且压缩程度(即压缩比 )可调，可以适应视频制作中不同的要求。2.对称压缩和不对称压缩对称性是压缩编码的一个关键特征。所谓对称压缩，就是压缩与解压缩所需要的处理时间和处理能力是相同的。在节目制作中常用到这种方法。对称压缩适合于实时压缩和传送视频。所谓不对称压缩，就是在压缩和解压缩的过程中所需的处理能力不一样，当然所需时间也不一样。一般来说在这种情况下需要很强的压缩处理能力进行压缩。而一旦压缩完成，解压缩过程就很简单、快速，而且可以多次使用。例如，制作一部2 个小时的DVD 影视节目，为了使制作的节目质量高一点，压缩可以花几天时间，这往往也能忍受。但解压缩即播放这部DVD 影视节目必须要在2 个小时内完成，既不能加长，也不能缩短。压缩设备需要采用档次较