探索视频流媒体技术（4）：视频压缩与编解码器

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这个系列文章我们来介绍一位海外工程师如何探索视频流媒体技术，对于想要开始学习音视频技术的朋友，这些文章是份不错的入门资料，这是第 4 篇：视频压缩与编解码器。

在视频流媒体的世界里，高效的视频压缩对于在最小化带宽使用的同时传递高质量内容至关重要。了解视频压缩的工作原理以及不同编解码器的作用，可以帮助你在开发流媒体解决方案时做出明智的决策。在本文中，我们将探索视频压缩的基础知识，研究常见的编解码器，并展望该领域的未来趋势。

1、视频压缩的基础知识

1.1、为何需要视频压缩

视频文件本质上是很大的，因为它们由一系列高分辨率的图像快速连续显示而成。例如，一分钟未压缩的 1080p 视频可以占用数 GB 的存储空间。通过互联网传输如此庞大的文件是不切实际的，因为带宽有限且存储成本高昂。这就是视频压缩发挥作用的地方。

• 减小文件大小：压缩显著减小了视频文件的大小，使其更易于存储和传输。
• 高效利用带宽：压缩后的视频需要的带宽更少，使得流媒体体验更加流畅，尤其是在网络容量有限的情况下。
• 成本效益的存储：较小的文件降低了存储成本，这对于托管大量内容库的服务来说至关重要。

1.2、视频压缩的工作原理

视频压缩涉及两种主要技术：空间压缩和时间压缩。

• 空间压缩：减少单个帧内的冗余。离散余弦变换（DCT）等技术被用来将空间域数据转换为频率域数据，使其更容易去除无关信息。
• 时间压缩：利用连续帧之间的冗余。不是存储每一帧的完整内容，而是只记录连续帧之间的差异。关键帧（I 帧）会定期存储，而中间帧（P 帧和 B 帧）只包含变化。

2、常见的编解码器

2.1、H.264（AVC - 高级视频编码）

• 概述：H.264 是最广泛使用的编解码器之一，因为它在质量和压缩效率之间取得了平衡。
• 关键特性：
  • 高压缩效率：在保持良好视频质量的同时显著减小文件大小。
  • 广泛的兼容性：几乎所有设备和流媒体平台都支持。
• 用例：适用于直播和视频点播（VOD），在 YouTube 和 Netflix 等平台广泛使用。

2.2、H.265（HEVC - 高效视频编码）

• 概述：H.265 是 H.264 的继任者，提供了改进的压缩效率。
• 关键特性：
  • 更好的压缩：在相同质量下，比 H.264 压缩效率高约 50%。
  • 高质量：支持高达 8K 的分辨率。
• 用例：适用于高分辨率流媒体，如 4K 和 8K 内容，越来越多的流媒体服务采用。

2.3、VP9

• 概述：由谷歌开发，VP9 是一种开源且免版税的编解码器，与 H.265 竞争。
• 关键特性：
  • 高效的压缩：与 H.265 相似的压缩效率。
  • 开源：无需许可费用，对于开放平台具有吸引力。
• 用例：被 YouTube 广泛用于 4K 视频流媒体。

2.4、AV1

• 概述：AV1 是由开放媒体联盟（AOMedia）开发的一种较新的编解码器，旨在提供卓越的压缩效率和质量。
• 关键特性：
  • 卓越的压缩：比 H.265 和 VP9 压缩效率高约 30%。
  • 免版税：无需许可成本，促进更广泛的采用。
• 用例：作为下一代视频流媒体的首选，得到 Netflix 和 YouTube 等主要参与者的支持。

3、编解码器如何影响流媒体质量和带宽

编解码器的选择显著影响流媒体质量和带宽消耗。

• 压缩效率：更高效的编解码器（如 H.265 和 AV1）更有效地减小文件大小，使得在更高分辨率下以更少的带宽进行流畅流媒体成为可能。
• 质量：先进的编解码器在较低比特率下保持更高的视频质量，这对于在各种设备和网络条件下提供良好的观看体验至关重要。
• 兼容性：较旧的设备和软件可能不支持较新的编解码器，因此需要在效率和广泛的兼容性之间取得平衡。

4、视频编解码器的未来趋势

随着流媒体技术的发展，为了满足对更高质量和更高效压缩的不断增长的需求，新的编解码器正在开发中。

4.1、VVC（多功能视频编码）

• 概述：也称为 H.266，VVC 被设计为 H.265 的继任者，为广泛的应用提供改进的压缩和多功能性。
• 关键特性：
  • 改进的压缩：比 H.265 压缩效率高约 50%。
  • 多功能性：支持各种内容类型，包括 360 度和虚拟现实（VR）视频。

4.2、EVC（基本视频编码）

• 概述：EVC 旨在提供高效的压缩，同时在性能和免版税使用之间取得平衡。
• 关键特性：
  • 基线配置文件：免版税，适用于广泛使用。
  • 主配置文件：添加了专利技术，以提高效率。

4.3、LCEVC（低复杂度增强视频编码）

• 概述：LCEVC 通过添加额外的压缩层来增强现有的编解码器。
• 关键特性：
  • 低复杂度：增加的计算开销最小。
  • 兼容性：与现有编解码器一起工作，提高它们的效率。

5、结论

了解视频压缩和各种可用的编解码器对于优化视频流媒体至关重要。每种编解码器都有其优势和特定的用例，选择取决于期望的质量、可用带宽和兼容性要求等因素。随着 AV1、VVC 和 EVC 等新编解码器的不断发展，它们承诺提供更好的压缩效率和流媒体质量，为视频技术的未来发展铺平了道路。请继续关注我们即将发布的文章，探索这些进步。