数字视频压缩技术研究

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0引言

现如今,视频技术在我国应用的范围非常广泛。无论是教育、医疗还是市政等方面都有视频技术应用的身影。 但是以上所有视频技术的应用都需要通过数字视频压缩技术来实现。 视频本身传输所需的数据量较大,倘若不利用数字视频压缩技术,那么就无法切实地传播相关数据。

1相关概念界定

1. 1数字视频以及应用

随着我国计算机技术以及信息技术的高速发展,数字化技术与各个领域的融合为人们的生活提供了便利。 以多媒体为例,无论是图像还是文字,通过数字化处理能够更好地便于人们进行存储、共享以及利用。数字视频有以下特点:(1)数字视频方便存储。 管理人员只需在计算机平台上输入关键词就可按照内容搜索出数字化视频。 (2) 数字化视频具有良好的交互性。交互性是指传统的电视只能支持使用者快速搜索或改变播放速度。 而数字化视频能够调整清晰度,人们可以选择多个视角观看[1]。

1. 2数字视频压缩的必要性

视频压缩是指技术人员结合实际需求,通过多样化的压缩技术去除数字视频中的冗余信息,从而使得视频资源能够快速、便捷地进行传输,方便人们观看。数字视频压缩前,每一个视频都具有巨大的数据量。倘若这一阶段的视频需要进行存储和传播,通常需要较长的时间,并且还会为系统带来一定的负担。 在实际传输过程中,要想保障较高的数据传输率,就不得不通过降低视频的质量来实现,例如颜色、采样格式或空间分辨率等。 因此,数字视频压缩对于人们日常生活以及相关工作具有重要意义[2]。从数字视频冗余信息结构角度来看,数字视频冗余信息主要分为 4 种:首先是时间上的冗余信息,其次是空间上的冗余信息,再次是统计上的冗余信息,最后是感知上的冗余信息。 以时间上的冗余信息为例,数字视频中相邻的帧之间具有很强的关联性,而这种关联性就是时间上的冗余。 信息空间上的冗余信息是指在数字视频的同一帧中,相邻像素之间具有很强的关联性,这种关联性就是空间上的冗余信息。 统计上的冗余信息是指数字视频冗余信息,将要编码的符号分布概率不均匀。 而感知上的冗余信息是指数字视频冗余 信 息 无 法 被 正 在 观 看 视 频 的 人 们 用 肉 眼 所 察觉到[3]。视频经过压缩处理之后,其传输存储速率会远远比视频压缩之前便捷许多。 在多数情况下,经过压缩处理后的图像质量并不会降低太多,通常肉眼无法感受到视频质量的降低。 因为在实际生活中,人们的眼睛只能辨别大概将近 1 024 种颜色,而世界上有数十亿种颜色,人们在观影过程中,即便一种颜色与另一种颜色相接近,而这两种颜色是独立的颜色,技术人员没必要将每一种颜色都保留下来。 人们在观看视频过程中,肉眼通常只会观察到一部分东西,而另一部分东西对于人们来说是可有可无的,所以压缩视频的过程就是将那一部分东西去掉[4]。如何能够分辨数字视频压缩技术的好坏,主要可以从算法的复杂度以及压缩后视频图像质量角度来看。 以运算复杂度为例,高性能的编码器能够保障视频压缩过程中运算复杂度更低,也使得整个视频压缩效率越来越快。 以压缩品质角度来看,数字视频压缩后,技术人员必须考虑压缩后的视频与压缩前视频比特率和失真程度之间的差距。 一般来讲,压缩后的比特率和失真程度要比压缩前的比特率与失真程度之间的差距越小越好,这样才能够保障数字视频压缩后依旧能以高质量的方式呈现给技术人员。 从实际角度来看,编码器运算复杂度与压缩品质之间也存在一定的联系。 例如,技术人员如若将视频信息的应用方式以存储为主,那么就需要选择压缩品质较高的编码方案,如果是该视频信息主要用于视频通话等领域,那么就需要选择运算复杂度较低的压缩编码方案。 人们是用肉眼观察视频的,因此数字视频压缩处理后,它的失真标准应由人类的视觉感知来衡量。 例如结构相似性指标等,人们可以利用这些指标来观察数字视频压缩后的影像品质是如何的[5]。

1. 3视频压缩编码原理

数字电视是我国电视技术发展的新里程碑,数字电视和移动通信网络以及下一代因特网是我国未来发展的主要方向之一。 数字电视就是将传统的模拟电视信号转变为二进制数字信号,再通过相关传输、存储等方式让计算机技术进行处理。 相比于模拟视频信号,数字信号无论是性能还是质量都要比模拟视频信号具有一定的优势。 数字视频信号的传输速率要高于模拟视频信号。 从实际传输角度来看,数字电视需要在信道中逐帧地传输数字视频,但是这一过程需要的码率非常巨大。 因此,必须通过视频压缩编码技术才能够提高传输效果。 视频压缩编码技术的原理有两个,首先是通过相关技术去掉信息编码的冗余度,其次是结合人眼的视觉特性实现图像压缩这一功能。 结合当前视频编码不同标准的数据来看。 在不同的应用下,视频可以编码成几十千位和几十兆位。 为了更好地实现网络传输,数字视频压缩技术能够符合各种视频的标准,这样人们能够更加便捷地获取或共享各类视频数据。 当今社会,人们之所以能够用 4G 或 5G 网络通过手机观看各种视频,或利用电视机上网观看、浏览视频,是因为数字视频压缩技术能够实现各个类型的视频在各种设备之间的传输。 从实际角度来看,不光是视频,文本、图片、声音等都是视频内在的元素,他们的压缩处理方式不相同。 视频是最难进行压缩处理的,如何能够高效压缩并快速处理,是数字视频压缩领域重要的发展方向[6]。

1. 4改进视频处理算法的重要性

MPEG-2 标准的提出使得视频存储方式发生了变革,通过这种标准能够实现长视频的存储,大多数节目都采取这种编码方式来交换。 从实际情况来看,要想科学合理地压缩视频,首先需要考虑以下几个问题:一是运算量的问题,二是视频处理后视频质量的问题,三是处理效果的问题,四是存储器容量的问题。 以运算量问题为例,传统的处理方式都是先将压缩视频进行解码,随后根据像素的方法进行处理,最后将图像通过重新编码的方式压缩成视频。这一方式虽然较为正规,但运算量较大,因为这一过程需要编码与解码。 编码与解码在处理视频过程中通常需要消耗大量的计算量。 传统的处理方式是先将压缩视频进行解码,随后根据像素的方法进行处理,将图像通过重新编码的方式压缩成视频。 处理效果是当今数字视频压缩过程需要重点考虑的问题。 虽然我国现在压缩视频使用较广,但是视频压缩后视频本身应保障不会发生较为明显的变化。 这一过程依旧会导致视频压缩过程中需要处理的数据量过大,而技术人员利用压缩域的方法能够显著减轻自己的重量。利用视频压缩技术后,较大容量的视频可在普通的空间中进行存储,但是倘若该视频需要进行恢复,那么当前存储空间就不具备相关约束需求。 基于此,工作人员需要寻找既能够满足复杂数字处理技巧任务,又能够提升视频质量、存储容量等数字视频压缩技术。此外,先进的视频处理技术能够在我国教育、医疗以及企业培训等方面开展。 以远程教育为例,远程教育、电子图书馆都能够实现完美地切合数字视频压缩技术。因此,通过落实数字视频压缩技术,能够有助于操作人员搜 寻、 整 合 多 媒 体 数 据 库 资 源 以 及 进 行 图 像分析[7]。

1. 5非线性编辑系统概述

非线性编辑系统是数字视频后期制作系统,它结合了数字视频后期制作设备,能够实现多媒体计算机的各种基本功能,还能够保障数字视频具备高画质的性能。 非线性编辑系统具备传统线性电视编辑系统的功能,并且在他们原有基础之上进行了创新。 因此非线性编辑系统能够为数字视频领域带来巨大的变革。相比于传统编辑技术,非线性编辑技术提高了编辑效率。 非线性编辑技术在实际应用过程中,技术人员能够结合相关要求通过多元化的方式剪切和编辑视频内容,同时还能够实现多元化的数字特效处理功能。 这种技术使得工作人员在处理数字视频过程中,不再以传统的方式开展作业,而是结合自身思维认知创作数字视频,有利于我国电视后期制作领域的发展[8]。从非线性编辑系统结构来看,非线性编辑系统主要包括多媒体素材接口单元、中央处理单元、信号输出接口单元以及信号输入接口单元。 当音视频传输到非线性编辑系统中,首先该视频进入的是非线性编辑系统的信号输入单元,随后信号输入单元就会将音视频传输到多媒体素材接口单元,通过中央处理单元进行一系列操作后。 再由多媒体素材接口单元将音视频传输至信号输出接口单元,以此来完成整个音视频输入、输出过程。

2数字视频压缩技术

2. 1数字视频压缩技术分析

视频数字压缩就是将数字视频按照某种规律进行压缩,遵循的标准主要有 MPEG-2 等。 从实际应用角度来看,对于非公开的压缩技术,他们一般存在标准不全面的现象,而众多压缩标准也使得不同厂家之间无法用同一种压缩技术设备进行互联。 采取不同视频压缩技术的设备要想实现互联具有相当的难度。 当前,我国电视广播领域以及视频监控领域通常采取 MPEG-2 视频压缩技术。 不同种类的视频压缩技术在处理图像质量、带宽以及算法复杂度等领域有不同的特征。 以MPEG-2 为例,MPEG-2 在图像质量、复杂度以及带宽3 个指标中,位于中等水平,如图 1 所示。图像质量即模拟视频图像的还原度。 图像质量越高,说明利用该数字视频压缩技术,能使得压缩后的视频更接近初始视频的画质。 带宽是指利用该数字视频压缩技术处理视频时需要占有的网络带宽。 同样,这需要计算机硬件性能达到相应的要求。 不同实际情况以及不同的行业,对数字视频压缩技术有不同的需求例如某行业更注重图像质量,而对于延时等性能则没有过高的要求。 我国监控行业对于延时具有较高的要求,相比于图像,视频需要更低的延时。

2. 2MPEG-2 数字视频格式

以国际最广泛应用的数字视频格式为例,MPEG-2标准的兼容性最强,并且能够被多个领域采用,无论是从技术上还是生命力的角度来看,MPEG-2 已经逐渐取代其他数字视频格式,当前存在一种先进的视频格式。 这种视频格式能够实现图像质量较高的情况下达到最大压缩比,但是这种视频格式并没有与之对应的芯片,所以 MPEG-2 数字视频格式比其他数字视频格式更为成熟,具有较强的兼容性。

2. 3图像的调用

以某地铁监控中心为例,该监控中心的监控设备采用的是二次编解码方式,但是从实际运转角度来看,该城市监控中心能看到的图像只是存在于监控中心正在监控的图像,也就是说,技术人员不能通过操作实现任意车站的监控观看。 当前,大部分采用的视频编解码延时范围主要在 300 ms 以内,但是利用二次编码的方式能够使得编解码延时降低至 100 ms 以内,使得该城市的监控中心延时范围为 400 ms 以内。

3结语

 综上所述,随着人们对视频的需求越来越大,科学合理的数字视频压缩技术能够有效实现视频资源的传输与共享,能够极大丰富人们的视野。 数字视频压缩技术是新型的科技领域,能够为我国社会发展提供一定的动力。

作者:王治 单位:江苏省泰州广播电视台