超高清數字電視視頻壓縮編碼技術與發展趨勢

范成軍

（國家新聞出版廣電總局廣播電視衛星直播管理中心，北京，100866）

1 超高清數字電視視頻壓縮編碼技術概述

所謂超高清數字電視視頻壓縮編碼技術，簡單概括一下就是采用新的壓縮技術來處理原始信號數據，使其能夠適應當前網絡傳輸的條件。例如當處理4K模式的超高清數字電視信號時，其原始數據率為(3840×2160pixel/frame)×(12bit/pixel)×(30frame/s),即約為 2.78Gbit/s(30frame/s)，如果是8K模式的話，那么原始數據率就會達到約1lGbit/s；即使采用了標準的H.264的視頻壓縮方法，將4K模式的原始數據率壓縮至20Mbit/s以內，仍然會給當前的帶寬形成巨大壓力。因此必須使用更加高效的壓縮技術，以緩解帶寬壓力，提高傳輸效率。ITU-T視頻編碼專家組和ISO/IEC移動視頻專家組聯合成立了視頻編碼聯合小組，目標就是研究出新型的視頻編碼標準，即HEVC。與標準的H.264的視頻壓縮方法相比，HEVC在處理同樣的視頻圖像時壓縮效率提高了一倍，且編碼結構更加靈活，包括編碼單元、預測單元和變換單元三個部分；這三個單元彼此獨立且功能完善，在對塊像素進行解碼和重構時效率更加出眾。同時，HEVC的預測單元還具有數十種幀內預測模式，大大提高了幀內預測的精度；濾波技術中除了保留標準H.264的去塊效應濾波器外，還使用了若干個更加高效的濾波器，不僅有效提高了過濾效果，還擴大了過濾對象的范圍。正是這些關鍵技術的應用，使得HEVC在超高清數字電視視頻壓縮編碼中具備了巨大的優勢。

2 超高清數字電視視頻壓縮編碼關鍵技術

超高清數字電視視頻壓縮編碼關鍵技術種類繁多，這里選擇其中最具有代表性的三項，編碼結構、幀內預測編碼技術和環路濾波技術作為主要分析對象。

2.1 HEVC編碼結構

HEVC的編碼結構是超大尺寸的四叉樹編碼結構，利用編碼單元、預測單元和變換單元來完成視頻圖像的分割和預測編碼。最具有特色的地方在于，HEVC采用了更大的塊結構，最大的編碼單元為64X64像素。編碼單元采用四叉樹遞歸的方式進行像素塊的劃分，下圖即為編碼單元結構示意圖，其中最大塊為64X64，最小塊為8X8，且必須保證形狀為正方形。為了得到編碼單元的最優值，每個最大塊需要進行高達85次的計算來得到失真值的最小率。

變換單元用來完成編碼單元的預測過程，其大小能超過所屬的編碼單元的大小，形狀可以是正方形或矩形。通常有對稱分割和不對稱分割兩種類型，即將塊劃分為正方形與正方形或正方形與矩形。

2.2 HEVC幀內預測編碼技術

HEVC的幀內預測與標準的H.264仍然一樣，即在空域中進行壓縮。但是為了提高幀內壓縮效率，HRVC提供了多達35種的預測模式，遠遠超過了H.264的8種預測模式。在35中預測模式中，有33種方向性預測是為了增加幀內預測的精細度，還有兩種非方向性預測是為了預測紋理比較平滑的區域。當然并不是對于每個預測單元都采用全方向預測，通常情況下非方向性預測個數不變，方向性預測個數會隨著預測單元的大小而靈活變化，從最大的64X64到最小的4X4，方向性預測都不同，但是插值精度都是一致的。

雖然這種預測模式能夠很好地提高幀內預測的精度，但是也使得預測模式變得十分復雜。有時候HEVC會根據預測單元的大小設置方向性預測個數的范圍，但是仍然不能解決預測的復雜程度，這也是幀內預測研究中的一個難題。

圖1 HEVC編碼結構

2.3 HEVC環路濾波技術

2.3.1 自適應樣點補償濾波器

在去塊效應濾波器完成處理之后，自適應樣點補償濾波器會根據每個像素應用的特征進行分類，然后采取有針對性的補償。通常有兩種補償方式，帶狀補償和邊緣補償。帶狀補償是將某個區域內的所有像素分成多個條帶，每個條帶所包含的像素的強度間隔是相同。帶狀補償在0到最大強度的范圍內，平均分為32個強度間隔，每個間隔有一個補償值；32個間隔被平均分為兩組，使用其中一組用于編碼傳輸以節省比特數。邊緣補償是將當前像素與相鄰的像素進行對比，然后對當前像素進行分類標識，這樣在解碼時就可以根據標識進行對應的補償。

2.3.2 自適應環路濾波器

自適應環路濾波器為了減少編碼圖像的解碼噪聲，會根據塊像素的實際情況來決定是否將其應用到塊中的亮度分量和色度分量上。在亮度分量中，自適應環路濾波器是一個點對稱的二維FIR濾波器；而在色度分量中，它就成為了一個5×5抽頭點對稱的矩形二維FIR濾波器。通常HEVC將自適應環路濾波器分為兩種，基于像素的濾波器和基于區域的濾波器。像素濾波器會將圖像分成16組，每組使用一種濾波器來進行處理；區域濾波器稍有不同，它會將圖像分為大致相等的16塊，每塊都與編碼單元的最大塊進行對齊，然后在由濾波器對每個塊進行處理。

3 超高清數字電視視頻壓縮編碼技術的發展

3.1 超高清數字電視視頻壓縮編碼技術的發展歷程

2003年，通過H.264的壓縮編碼技術，衍生出了藍光光盤和數字電視等傳輸手段，使得高清信號逐漸普及到了普通家庭當中。然而隨著人們觀看需求的提升，普通高清圖像已經不能滿足人們的要求，視頻圖像開始向著更大的分辨率發展，如單波段電視和4K電視。但是由于網絡帶寬不足以及信號失真問題，所呈現出的圖像效果并不令人滿意。在這個背景下，超高清數字電視應運而生。它完美實現了4K電視信號的壓縮傳輸，使得人們擺脫了視覺空間對于觀感的限制；同時還輕松達到了8K電視信號的壓縮傳輸，向觀眾展示出了最真實的效果。但是超高清數字電視也存在缺陷，那就是信號傳輸問題。這個問題不僅影響了圖像質量的進一步提高，甚至關系到超高清數字電視未來的發展方向。這是因為傳輸距離的變化會直接影響到圖像的清晰度，簡單來說，如果在電視臺內進行面對面的超高清數字信號傳輸，不僅毫無失真，甚至都不需要進行壓縮；然而想要在普通家庭中觀看超高清數字電視，就一定要經過網絡線路甚至是衛星中轉來進行信號傳輸，這時不僅會對線路的通信能力造成不利影響，也會降低超高清數字電視的觀感。許多國家都在積極進行傳輸實驗，目前可行的方案主要光纖、無線和IP網絡。

3.2 超高清數字電視視頻壓縮編碼技術的發展趨勢

雖然目前超高清數字電視僅在數字影院、廣播電視等特殊行業中得到了廣泛應用，但是隨著通信技術的不斷發展，在解決了傳輸問題的瓶頸之后，超高清數字電視能夠在其他領域獲得更大的發展。例如現在十分普及的智能手機，其分辨率早已達到了4K的標準，但是由于傳輸信號的限制，手機觀看到的圖像和視頻與普通電視并沒有差別。還有就是很多一流的電視生產廠家，已經率先研制出了超高清的電視，盡管其價格略顯昂貴，卻在市場上收獲了相當多的好評。這也在一定程度上反映出了群眾對于超高清圖像的期待和需求。然而現實狀況卻是，由于傳輸信號的限制，超高清數字電視也只能接受普通高清的電視節目，導致超高清數字電視陷入了“英雄無用武之地”的尷尬境地。因此，各國都在積極采取各種措施，加快超高清數字電視視頻壓縮編碼技術的研發，努力解決信號傳輸問題帶來的影響。

4 總結

本文通過介紹超高清數字電視視頻壓縮編碼技術的內容，對其關鍵技術進行了詳細的分析和說明，并就超高清數字電視視頻壓縮編碼技術的發展歷程和發展趨勢進行了簡單的討論。經過研究可以看出，盡管超高清數字電視視頻壓縮編碼技術已經相對成熟，在很多行業中已經得到了穩定的應用，但是想要實現大規模的生產和推廣，還需要突破一些技術瓶頸，如預測模式的精簡和傳輸能力的提高。

[1]秦雷.超高清數字電視新進展和展望[J].電視技術.2014.38(4).

[2]王子微.淺析超高清數字電視視頻壓縮編碼技術[J].電視技術.2013.37(13).