超高清數字電視視頻壓縮編碼技術

戴 雨

（長沙廣播電視技術中心，湖南 長沙 410000）

0 引 言

2012年，國際電信聯盟首次發布了超高清電視的國際標準，預示著超高清電視進入了人們的視野。由于其具有比傳統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，國內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的熱點。超高清顯示為人們帶來更加細膩和逼真的視覺效果，給人們帶來更強的臨場感，這為后期超高清電視技術的發展提供了條件[1]。

1 超高清數字電視視頻壓縮編碼技術

視頻壓縮編碼技術借助新型壓縮技術有效處理原始傳輸數據，使數據可以適應多種網絡技術傳輸要求。例如，在處理4K超高清電視信號時，原始數據碼率為2.78 Gb·s-1，如果將其轉化為8K信號，則碼率將達到11 Gb·s-1。如果按照原始的H.264視頻壓縮處理模式，可實現將4K原始數據壓縮為20 Mb·s-1，仍會給當前帶寬帶來較大壓力。因此，需要采用更加高效的壓縮技術，在提高傳輸效率的同時，緩解當前帶寬的壓力。由ITU-T視頻編碼組與移動視頻專家組組成的聯合編碼小組，共同提出新的高效率視頻編碼標準（High Efficiency Video Coding，HEVC）。與傳統的H.264視頻壓縮標準相比，HEVC的壓縮效率大大提升。HEVC主要包含編碼單元、預測單元以及變換單元，三者相互獨立且功能完善，能夠實現塊像素的解碼與重構[2]。HEVC預測單元有多種幀內部預測方式，在提升數據精準度的基礎上，有效保留了H.264濾波器，并在其基礎上增設高效濾波器，提升過濾效果的同時，也拓寬了過濾范圍。

2 超高清數字電視視頻壓縮編碼關鍵技術

超高清數字電視壓縮編碼關鍵技術的種類多樣，本文選擇幾種具有代表性的技術作為主要的分析對象進行闡述。

2.1 HEVC編碼結構

HEVC的編碼結構是一種四叉樹結構，能夠借助內部單元實現對視頻圖像的壓縮、分割以及預測，進而以最大塊結構對遞歸進行劃分。這是HEVC編碼結構最大的特點。最大塊像素為64×64，最小像素為8×8，保證整個圖像為正方形。在此過程中，為了得到精準的編碼單元值，最大計算次數達85次，將失真值降為最低。變換單元預測整個編碼單元，其大小比編碼單元更大，形狀不僅可為正方形也可為長方形，按照對稱與否，將其分為對稱分割和非對稱分割兩類[3]。HEVC編碼結構如圖1所示。

圖1 HEVC編碼結構

2.2 HEVC幀內預測編碼技術

HEVC的幀內預測與H.264技術相似，都是在空域內對視頻進行壓縮處理。為了提升幀內效率，HEVC將預測模式擴展為35種，比傳統的H.264標準多8種。在這35種預測模式中，有33種模式是為了強化幀內預測的精度，另外兩種非線性預測模式的主要對象為平滑區域。每一個預測單元都實施全方位的預測，非方向預測的數量保持不變，方向性預測的數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精度，但卻增加了預測的復雜性，對單元大小和數量的設置也將由預測單元的大小決定。這是目前HEVC幀內預測編碼技術研究面臨的一大難題。

2.3 HEVC環路濾波技術

2.3.1 自適應樣點補償濾波器

為進一步降低重建圖像的失真，運用樣點補償濾波器，逐步對各個像素應用特征進行分類，進而有針對性地補償。補償一般分為帶狀補償和邊緣補償兩種。帶狀補償將像素劃分為多個條帶，使像素之間分離，補償范圍處于0到最大范圍，間隔32個強度，為每一個間隔分配相應的補償值。如果將這32個間隔分組，則其中一組作為能夠節省比特數的傳輸介質。邊緣補償對比兩個間隔像素，進而對當前像素進行分類和識別，解碼過程需要結合標識碼給予相應補償。

2.3.2 自適應環路濾波器

自適環路濾波器以像素狀態為基礎，有效明確塊狀的色度分量和亮度分量。在色度分量中，自適環路濾波器是一個對稱的濾波器；但是在色度分量中，它是一個5×5對稱矩陣的濾波器。在實際的視頻壓縮編碼處理過程中，HEVC將自適應環路濾波器分為兩種類型，一種以像素為基礎，一種以區域為基礎。像素濾波器結合實際需求將圖像劃分為16組，確保每一組都能被相應的濾波器處理；區域濾波器則將圖像分為16塊，對比最大編碼單元對每一塊做處理，最后運用濾波器對其做整體處理。

3 超高清數字電視視頻壓縮編碼技術的發展展望

目前，超高清數字視頻的應用已經不再局限于數字影院以及廣播電視行業。通信技術的更新與發展，有效解決了電視信號的傳輸問題，促使超高清電視在其他領域獲得了空前的發展和應用[4]。例如，現階段應用較為廣泛的智能手機，其像素分辨率已經達到了4K標準，但是受信號傳輸限制，手機觀看的視頻像素與普通電視相似。很多大型電視生產廠家已經率先研發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[5]，但是價格比較昂貴。目前觀眾對超高清電視的需求在不斷擴大，但是信號傳輸限制在一定程度上阻礙了超高清電視的發展。在今后超高清電視的研發中，應加大對視頻壓縮編碼技術的研究，并努力突破信號傳輸給超高清電視發展帶來的限制。

4 結 語

新時期，超高清數字電視視頻壓縮編碼技術為電視行業的發展帶來了契機。要使其得到大規模的生產和推廣，還需要在一些技術上突破限制，不斷完善編碼技術，進而為我國廣播電視行業的持續發展奠定扎實的基礎。