1、引言

如今我們所處的時代，是移動互聯(lián)網(wǎng)時代，也可以說是視頻時代。從快播到抖音，從“三生三世”到“延禧攻略”，我們的生活，被越來越多的視頻元素所影響。

 

 

而這一切，離不開視頻拍攝技術(shù)的不斷升級，還有視頻制作產(chǎn)業(yè)的日益強大。

 

此外，也離不開通信技術(shù)的飛速進(jìn)步。試想一下，如果還是當(dāng)年的56K Modem撥號，或者是2G手機，你還能享受到現(xiàn)在動輒1080P甚至4K的視頻體驗嗎？

除了視頻拍攝工具和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)升級之外，我們能享受到視頻帶來的便利和樂趣，還有一個重要因素，就是視頻編碼技術(shù)的突飛猛進(jìn)。

視頻編碼技術(shù)涉及的內(nèi)容太過專業(yè)和龐雜，市面上的書籍或博客多數(shù)都只是枯燥的技術(shù)概念羅列，對于新手來說讀完依舊蒙逼是常態(tài)，本文將借此機會，專門給大家做一個關(guān)于視頻編碼的零基礎(chǔ)科普。

▼ 本文涉及概念較多，為了方便閱讀，本文的內(nèi)容目錄對應(yīng)如下：

1、引言

2、系列文章

3、圖像基礎(chǔ)知識  

3.1）什么是像素？

3.2）什么是PPI？

3.3）顏色在計算機里是如何表示的？

4、視頻編碼基礎(chǔ)知識

4.1）視頻和圖像和關(guān)系

4.2）未經(jīng)編碼的視頻數(shù)據(jù)量會有多大？

4.3）什么是編碼？

5、視頻編碼的實現(xiàn)原理   

5.1）視頻編碼技術(shù)的基本原理

5.2）視頻編碼技術(shù)的實現(xiàn)方法

6、視頻編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)

6.1）視頻編碼格式的標(biāo)準(zhǔn)化

6.2）視頻數(shù)據(jù)的封裝

（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-2840-1-1.html）

2、系列文章

本文是系列文章中的第19篇，本系列文章的大綱如下：

《即時通訊音視頻開發(fā)（一）：視頻編解碼之理論概述》

《即時通訊音視頻開發(fā)（二）：視頻編解碼之?dāng)?shù)字視頻介紹》

《即時通訊音視頻開發(fā)（三）：視頻編解碼之編碼基礎(chǔ)》

《即時通訊音視頻開發(fā)（四）：視頻編解碼之預(yù)測技術(shù)介紹》

《即時通訊音視頻開發(fā)（五）：認(rèn)識主流視頻編碼技術(shù)H.264》

《即時通訊音視頻開發(fā)（六）：如何開始音頻編解碼技術(shù)的學(xué)習(xí)》

《即時通訊音視頻開發(fā)（七）：音頻基礎(chǔ)及編碼原理入門》

《即時通訊音視頻開發(fā)（八）：常見的實時語音通訊編碼標(biāo)準(zhǔn)》

《即時通訊音視頻開發(fā)（九）：實時語音通訊的回音及回音消除概述》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十）：實時語音通訊的回音消除技術(shù)詳解》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十一）：實時語音通訊丟包補償技術(shù)詳解》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十二）：多人實時音視頻聊天架構(gòu)探討》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十三）：實時視頻編碼H.264的特點與優(yōu)勢》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十四）：實時音視頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議介紹》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十五）：聊聊P2P與實時音視頻的應(yīng)用情況》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十六）：移動端實時音視頻開發(fā)的幾個建議》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十七）：視頻編碼H.264、V8的前世今生》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十八）：詳解音頻編解碼的原理、演進(jìn)和應(yīng)用選型》

《即時通訊音視頻開發(fā)（十九）：零基礎(chǔ)，史上最通俗視頻編碼技術(shù)入門》（本文）

3、圖像基礎(chǔ)知識  

3.1 什么是像素？

說視頻之前，先要說說圖像。圖像，大家都知道，是由很多“帶有顏色的點”組成的。這個點，就是“像素點”。

 

像素點的英文叫Pixel（縮寫為PX）。這個單詞是由 Picture(圖像) 和 Element（元素）這兩個單詞的字母所組成的。

 

▲ 電影《像素大戰(zhàn)（Pixels）》，2015年

像素是圖像顯示的基本單位。我們通常說一幅圖片的大小，例如是1920×1080，就是長度為1920個像素點，寬度為1080個像素點。乘積是2,073,600，也就是說，這個圖片是兩百萬像素的。

1920×1080，這個也被稱為這幅圖片的分辨率。

 

▲ 分辨率也是顯示器的重要指標(biāo)

3.2 什么是PPI？

那么，我們經(jīng)常所說的PPI又是什么東西呢？

PPI，就是“Pixels Per Inch”，每英寸像素數(shù)。也就是，手機（或顯示器）屏幕上每英寸面積，到底能放下多少個“像素點”。這個值當(dāng)然是越高越好啦！PPI越高，圖像就越清晰細(xì)膩。

 

以前的功能機，例如諾基亞，屏幕PPI都很低，有很強烈的顆粒感。

 

后來，蘋果開創(chuàng)了史無前例的“視網(wǎng)膜”（Retina）屏幕，PPI值高達(dá)326（每英寸屏幕有326像素），畫質(zhì)清晰，再也沒有了顆粒感。

 

3.3 顏色在計算機里是如何表示的？

像素點必須要有顏色，才能組成繽紛絢麗的圖片。那么，這個顏色，又該如何表示呢？

大家都知道，我們生活中的顏色，可以擁有無數(shù)種類別。

 

▲ 光是妹紙們的口紅色號，就足以讓我們這些屌絲瞠目結(jié)舌。。。

在計算機系統(tǒng)里，我們不可能用文字來表述顏色。不然，就算我們不瘋，計算機也會瘋掉的。在數(shù)字時代，當(dāng)然是用數(shù)字來表述顏色。這就牽出了“彩色分量數(shù)字化”的概念。

以前我們美術(shù)課學(xué)過，任何顏色，都可以通過紅色（Red）、綠色（Green）、藍(lán)色（Blue）按照一定比例調(diào)制出來。這三種顏色，被稱為“三原色”。

 

在計算機里，R、G、B也被稱為“基色分量”。它們的取值，分別從0到255，一共256個等級（256是2的8次方）。所以，任何顏色，都可以用R、G、B三個值的組合表示。

 

▲ RGB=(183,67,21)

通過這種方式，一共能表達(dá)多少種顏色呢？256×256×256=16,777,216種，因此也簡稱為1600萬色。RGB三色，每色有8bit，這種方式表達(dá)出來的顏色，也被稱為24位色（占用24bit）。這個顏色范圍已經(jīng)超過了人眼可見的全部色彩，所以又叫真彩色。再高的話，對于我們?nèi)搜蹃碚f，已經(jīng)沒有意義了，完全識別不出來。

 

4、視頻編碼基礎(chǔ)知識

4.1 視頻和圖像和關(guān)系

好了，剛才說了圖像，現(xiàn)在，我們開始說視頻。所謂視頻，大家從小就看動畫，都知道視頻是怎么來的吧？沒錯，大量的圖片連續(xù)起來，就是視頻。

 

衡量視頻，又是用的什么指標(biāo)參數(shù)呢？最主要的一個，就是幀率（Frame Rate）。在視頻中，一個幀（Frame）就是指一幅靜止的畫面。幀率，就是指視頻每秒鐘包括的畫面數(shù)量（FPS，F(xiàn)rame per second）。  

 

幀率越高，視頻就越逼真、越流暢。

4.2 未經(jīng)編碼的視頻數(shù)據(jù)量會有多大？

有了視頻之后，就涉及到兩個問題：

一個是存儲；

二個是傳輸。

 

而之所以會有視頻編碼，關(guān)鍵就在于此：一個視頻，如果未經(jīng)編碼，它的體積是非常龐大的。

以一個分辨率1920×1280，幀率30的視頻為例：

共：1920×1280=2,073,600（Pixels 像素），每個像素點是24bit（前面算過的哦）；

也就是：每幅圖片2073600×24=49766400 bit，8 bit（位）=1 byte（字節(jié)）；

所以：49766400bit=6220800byte≈6.22MB。

這是一幅1920×1280圖片的原始大小，再乘以幀率30。

也就是說：每秒視頻的大小是186.6MB，每分鐘大約是11GB，一部90分鐘的電影，約是1000GB。。。

嚇尿了吧？就算你現(xiàn)在電腦硬盤是4TB的（實際也就3600GB），也放不下幾部大姐姐啊！不僅要存儲，還要傳輸，不然視頻從哪來呢？如果按照100M的網(wǎng)速（12.5MB/s），下剛才那部電影，需要22個小時。。。再次崩潰。。。

正因為如此，屌絲工程師們就提出了，必須對視頻進(jìn)行編碼。

4.3 什么是編碼？

編碼：就是按指定的方法，將信息從一種形式（格式），轉(zhuǎn)換成另一種形式（格式）。視頻編碼：就是將一種視頻格式，轉(zhuǎn)換成另一種視頻格式。

 

編碼的終極目的，說白了，就是為了壓縮。各種五花八門的視頻編碼方式，都是為了讓視頻變得體積更小，有利于存儲和傳輸。

我們先來看看，視頻從錄制到播放的整個過程，如下：

 

首先是視頻采集。通常我們會使用攝像機、攝像頭進(jìn)行視頻采集。限于篇幅，我就不打算和大家解釋CCD成像原理了。

 

采集了視頻數(shù)據(jù)之后，就要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號變成數(shù)字信號。其實現(xiàn)在很多都是攝像機（攝像頭）直接輸出數(shù)字信號。信號輸出之后，還要進(jìn)行預(yù)處理，將RGB信號變成YUV信號。

前面我們介紹了RGB信號，那什么是YUV信號呢？

簡單來說，YUV就是另外一種顏色數(shù)字化表示方式。視頻通信系統(tǒng)之所以要采用YUV，而不是RGB，主要是因為RGB信號不利于壓縮。在YUV這種方式里面，加入了亮度這一概念。在最近十年中，視頻工程師發(fā)現(xiàn)，眼睛對于亮和暗的分辨要比對顏色的分辨更精細(xì)一些，也就是說，人眼對色度的敏感程度要低于對亮度的敏感程度。

所以，工程師認(rèn)為，在我們的視頻存儲中，沒有必要存儲全部顏色信號。我們可以把更多帶寬留給黑—白信號（被稱作“亮度”），將稍少的帶寬留給彩色信號（被稱作“色度”）。于是，就有了YUV。

YUV里面的“Y”，就是亮度（Luma），“U”和“V”則是色度（Chroma）。

大家偶爾會見到的Y'CbCr，也稱為YUV，是YUV的壓縮版本，不同之處在于Y'CbCr用于數(shù)字圖像領(lǐng)域，YUV用于模擬信號領(lǐng)域，MPEG、DVD、攝像機中常說的YUV其實就是Y'CbCr。

 

▲ YUV（Y'CbCr）是如何形成圖像的

YUV碼流的存儲格式其實與其采樣的方式密切相關(guān)。（采樣，就是捕捉數(shù)據(jù)）

主流的采樣方式有三種：

1）YUV4:4:4；

2）YUV4:2:2；

3）YUV4:2:0。

 

具體解釋起來有點繁瑣，大家只需記住，通常用的是YUV4:2:0的采樣方式，能獲得1/2的壓縮率。

這些預(yù)處理做完之后，就是正式的編碼了。

有關(guān)視頻編碼的更多專業(yè)知識，可以詳細(xì)閱讀以下文章：

《即時通訊音視頻開發(fā)（一）：視頻編解碼之理論概述》

《即時通訊音視頻開發(fā)（二）：視頻編解碼之?dāng)?shù)字視頻介紹》

《即時通訊音視頻開發(fā)（三）：視頻編解碼之編碼基礎(chǔ)》

《即時通訊音視頻開發(fā)（四）：視頻編解碼之預(yù)測技術(shù)介紹》

《即時通訊音視頻開發(fā)（五）：認(rèn)識主流視頻編碼技術(shù)H.264》

5、視頻編碼的實現(xiàn)原理

5.1 視頻編碼技術(shù)的基本原理

前面我們說了，編碼就是為了壓縮。要實現(xiàn)壓縮，就要設(shè)計各種算法，將視頻數(shù)據(jù)中的冗余信息去除。當(dāng)你面對一張圖片，或者一段視頻的時候，你想一想，如果是你，你會如何進(jìn)行壓縮呢？

 

▲ 對于新垣女神，我一bit也不舍得壓縮…

我覺得，首先你想到的，應(yīng)該是找規(guī)律。是的，尋找像素之間的相關(guān)性，還有不同時間的圖像幀之間，它們的相關(guān)性。

舉個例子：如果一幅圖（1920×1080分辨率），全是紅色的，我有沒有必要說2073600次[255,0,0]？我只要說一次[255,0,0]，然后再說2073599次“同上”。

 

如果一段1分鐘的視頻，有十幾秒畫面是不動的，或者，有80%的圖像面積，整個過程都是不變（不動）的。那么，是不是這塊存儲開銷，就可以節(jié)約掉了？

 

▲ 以上圖為例，只有部分元素在動，大部分是不動的

是的，所謂編碼算法，就是尋找規(guī)律，構(gòu)建模型。誰能找到更精準(zhǔn)的規(guī)律，建立更高效的模型，誰就是厲害的算法。

通常來說，視頻里面的冗余信息包括：

 

 

視頻編碼技術(shù)優(yōu)先消除的目標(biāo)，就是空間冗余和時間冗余。

接下來，就和大家介紹一下，究竟是采用什么樣的辦法，才能干掉它們。以下內(nèi)容稍微有點高能，不過我相信大家耐心一些還是可以看懂的。

5.2 視頻編碼技術(shù)的實現(xiàn)方法

視頻是由不同的幀畫面連續(xù)播放形成的。

這些幀，主要分為三類，分別是：

1）I幀；

2）B幀；

3）P幀。

I幀：是自帶全部信息的獨立幀，是最完整的畫面（占用的空間最大），無需參考其它圖像便可獨立進(jìn)行解碼。視頻序列中的第一個幀，始終都是I幀。

P幀：“幀間預(yù)測編碼幀”，需要參考前面的I幀和/或P幀的不同部分，才能進(jìn)行編碼。P幀對前面的P和I參考幀有依賴性。但是，P幀壓縮率比較高，占用的空間較小。

 

▲ P幀

B幀：“雙向預(yù)測編碼幀”，以前幀后幀作為參考幀。不僅參考前面，還參考后面的幀，所以，它的壓縮率最高，可以達(dá)到200:1。不過，因為依賴后面的幀，所以不適合實時傳輸（例如視頻會議）。

 

▲ B幀

通過對幀的分類處理，可以大幅壓縮視頻的大小。畢竟，要處理的對象，大幅減少了（從整個圖像，變成圖像中的一個區(qū)域）。

 

如果從視頻碼流中抓一個包，也可以看到I幀的信息，如下：

 

我們來通過一個例子看一下。

這有兩個幀：

 

好像是一樣的？ 

不對，我做個GIF動圖，就能看出來，是不一樣的：

 

人在動，背景是沒有在動的。

第一幀是I幀，第二幀是P幀。兩個幀之間的差值，就是如下：

 

也就是說，圖中的部分像素，進(jìn)行了移動。移動軌跡如下：

 

這個，就是運動估計和補償。

 

當(dāng)然了，如果總是按照像素來算，數(shù)據(jù)量會比較大，所以，一般都是把圖像切割為不同的“塊（Block）”或“宏塊（MacroBlock）”，對它們進(jìn)行計算。一個宏塊一般為16像素×16像素。

 

▲ 將圖片切割為宏塊

好了，我來梳理一下。

對I幀的處理，是采用幀內(nèi)編碼方式，只利用本幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性。對P幀的處理，采用幀間編碼（前向運動估計），同時利用空間和時間上的相關(guān)性。簡單來說，采用運動補償(motion compensation)算法來去掉冗余信息。 

 

需要特別注意，I幀（幀內(nèi)編碼），雖然只有空間相關(guān)性，但整個編碼過程也不簡單。

 

如上圖所示，整個幀內(nèi)編碼，還要經(jīng)過DCT（離散余弦變換）、量化、編碼等多個過程。限于篇幅，加之較為復(fù)雜，今天就放棄解釋了。

那么，視頻經(jīng)過編碼解碼之后，如何衡量和評價編解碼的效果呢？

一般來說，分為客觀評價和主觀評價。客觀評價，就是拿數(shù)字來說話。例如計算“信噪比/峰值信噪比”。

 

信噪比的計算，我就不介紹了，丟個公式，有空可以自己慢慢研究...

 

除了客觀評價，就是主觀評價了。主觀評價，就是用人的主觀感知直接測量，額，說人話就是——“好不好看我說了算”。

 

6、視頻編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)

6.1 視頻編碼格式的標(biāo)準(zhǔn)化

接下來，我們再說說標(biāo)準(zhǔn)（Standard）。任何技術(shù)，都有標(biāo)準(zhǔn)。自從有視頻編碼以來，就誕生過很多的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。

提到視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，先介紹幾個制定標(biāo)準(zhǔn)的組織。

首先，就是大名鼎鼎的ITU（國際電信聯(lián)盟）。

 

ITU是聯(lián)合國下屬的一個專門機構(gòu)，其總部在瑞士的日內(nèi)瓦。

ITU下屬有三個部門：

1）分別是ITU-R（前身是國際無線電咨詢委員會CCIR）；

2）ITU-T（前身是國際電報電話咨詢委員會CCITT）；

3）ITU-D。

 

除了ITU之外，另外兩個和視頻編碼關(guān)系密切的組織，是ISO/IEC。

 

ISO大家都知道，就是推出ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的那個“國際標(biāo)準(zhǔn)化組織”。IEC，是“國際電工委員會”。1988年，ISO和IEC聯(lián)合成立了一個專家組，負(fù)責(zé)開發(fā)電視圖像數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)的編碼、解碼和它們的同步等標(biāo)準(zhǔn)。這個專家組，就是大名鼎鼎的MPEG，Moving Picture Expert Group（動態(tài)圖像專家組）。

 

三十多年以來，世界上主流的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，基本上都是它們提出來的：

1）ITU提出了H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263++，這些統(tǒng)稱為H.26X系列，主要應(yīng)用于實時視頻通信領(lǐng)域，如會議電視、可視電話等；

2）ISO/IEC提出了MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7、MPEG21，統(tǒng)稱為MPEG系列。

ITU和ISO/IEC一開始是各自搗鼓，后來，兩邊成立了一個聯(lián)合小組，名叫JVT（Joint Video Team，視頻聯(lián)合工作組）。

 

JVT致力于新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的制定，后來推出了包括H.264在內(nèi)的一系列標(biāo)準(zhǔn)。

 

▲ 壓縮率對比

 

▲ 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展關(guān)系

大家特別注意一下上圖里面的HEVC，也就是現(xiàn)在風(fēng)頭正盛的H.265。

 

作為一種新編碼標(biāo)準(zhǔn)，相比H.264有極大的性能提升，目前已經(jīng)成為最新視頻編碼系統(tǒng)的標(biāo)配。

 

最后，我再說說封裝。

6.2 視頻數(shù)據(jù)的封裝

對于任何一部視頻來說，只有圖像，沒有聲音，肯定是不行的。所以，視頻編碼后，加上音頻編碼，要一起進(jìn)行封裝。

封裝：就是封裝格式，簡單來說，就是將已經(jīng)編碼壓縮好的視頻軌和音頻軌按照一定的格式放到一個文件中。再通俗點，視頻軌相當(dāng)于飯，而音頻軌相當(dāng)于菜，封裝格式就是一個飯盒，用來盛放飯菜的容器。

目前主要的視頻容器有如下：MPG、VOB、MP4、3GP、ASF、RMVB、WMV、MOV、Divx、MKV、FLV、TS/PS等。

封裝之后的視頻，就可以傳輸了，你也可以通過視頻播放器進(jìn)行解碼觀看。

附錄：更多即時通訊音視頻技術(shù)相關(guān)資料

[1] 實時音視頻開發(fā)的其它精華資料：

《實時語音聊天中的音頻處理與編碼壓縮技術(shù)簡述》

《網(wǎng)易視頻云技術(shù)分享：音頻處理與壓縮技術(shù)快速入門》

《學(xué)習(xí)RFC3550：RTP/RTCP實時傳輸協(xié)議基礎(chǔ)知識》

《基于RTMP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的實時流媒體技術(shù)研究（論文全文）》

《聲網(wǎng)架構(gòu)師談實時音視頻云的實現(xiàn)難點(視頻采訪)》

《淺談開發(fā)實時視頻直播平臺的技術(shù)要點》

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《實現(xiàn)延遲低于500毫秒的1080P實時音視頻直播的實踐分享》

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《移動端實時音視頻直播技術(shù)詳解（一）：開篇》

《移動端實時音視頻直播技術(shù)詳解（二）：采集》

《移動端實時音視頻直播技術(shù)詳解（三）：處理》

《移動端實時音視頻直播技術(shù)詳解（四）：編碼和封裝》

《移動端實時音視頻直播技術(shù)詳解（五）：推流和傳輸》

《移動端實時音視頻直播技術(shù)詳解（六）：延遲優(yōu)化》

《理論聯(lián)系實際：實現(xiàn)一個簡單地基于HTML5的實時視頻直播》

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[2] 開源實時音視頻技術(shù)WebRTC的文章：

《開源實時音視頻技術(shù)WebRTC的現(xiàn)狀》

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