一文穿透多媒体过往前沿下篇——有损压缩

共熵服务中心 2022-10-28 2822

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文章转发自51CTO【ELT.ZIP】OpenHarmony啃论文俱乐部——一文穿透多媒体过往前沿

上篇回顾

一文穿透多媒体过往前沿上篇无损压缩，介绍：PNG、GIF、MNG和APNG

1. 有损压缩基本概念

有损压缩即指原始信息序列中的一些信息丢失的压缩，这便意味着原始信息一经有损压缩过程操作后，不能再由生成的序列重新还原而得到。在此之前，多数朋友潜意识里可能会默认有损压缩的意义是相比无损压缩，为了实现更好的压缩比，致使对相同源数据操作后，得到的结果质量相对会更差。其实呢，并非如此——举个常见的例子：对同一元图像，对其均按100%质量存储，得到的jpg格式大小可能是4M左右，而png格式大小却达到了40M。

那么，jpg相比png少的几十M大小的数据究竟是什么呢？其中，除舍弃的部分人眼不可察觉的颜色位之外，还包括大多数要还原回元图像所需的必需数据。因此，信息丢失并不意味着输出质量降低。但，大多数有损压缩技术的使用方式高度依赖于被压缩的媒体，就像音频的有损压缩与图像的有损压缩十分不同。

多媒体图像如今已然成为日常生活中不可获缺的组成部分。图像中编码的信息量是相当大的，即便带宽和存储能力方面有了长足的进步，但若不对图像进行压缩，许多应用的成本仍然会较高。

JPEG（编者注：Joint Photographic Experts Group联合摄影专家组工作组的缩写）和相关的MPEG（编者注：Moving Picture Experts Group动画专家工作组的缩写）格式是多媒体压缩的典型范例，它们均在实践中被广泛应用，同时也使用了诸如Huffman码、算术编码、游程编码、标量量化等技术。

其中，JPEG用于静态图像，在网络上被作为摄影图像的标准；MPEG是基于JPEG的一种变体，用于视频编码（每一帧都使用JPEG的变体编码）。二者均为有损格式。

2. 有损压缩的发展进程

2.1 JPEG的发展进程

JPEG在1992年推出以来，一直是世界上使用最为广泛的图形压缩标准。JPEG 压缩图像通常以JFIF（编者注：JPEG 文件交换格式JPEG File Interchange Format的缩写）文件格式存储。文件扩展名是JPG或JPEG。支持 8 位灰度图像和 24 位彩色图像（红、绿、蓝各 8 位）。JPEG 对图像应用有损压缩，这可以显着减小文件大小。应用程序可以确定要应用的压缩程度，压缩量会影响结果的视觉质量。如果不是太大，压缩不会显着影响或降低图像质量，但 JPEG 文件在反复编辑和保存时会出现代际退化。

JPEG 2000 (JP2) 是联合摄影专家组工作组在1997年～2000年间开发的，旨在取代其原始JPEG标准。该标准基于离散余弦变换（DCT），采用新设计的基于离散小波变换(DWT) 的方法。对于符合 ISO / IEC 15444-1 的文件，标准化文件扩展名为.jp2。该标准可适用于带有Motion JPEG 2000扩展的运动成像视频压缩。JPEG 2000 技术在 2004年被选为数字电影的视频编码标准。

JPEG XL是一种免版税的光栅图形文件格式，是2017年被JTC1 / SC29 / WG1 (JPEG) 联合发布的下一代图像编码标准。与 JPEG 相比，其压缩效率显着提高（提高了 60%）。该标准有望超越HEIC（编者注：High Efficiency Video Coding）、AVIF（编者注：AV1 Image File Format）、WebP和JPEG 2000所显示的静止图像压缩性能。它还为传统/传统 JPEG 格式的图像提供高效的无损重新压缩选项。文件格式和核心编码系统分别于2021年10月13日和2022年3月30日正式标准化。JPEG XL 支持超高分辨率图像（高达 1 兆像素）、高达 32 位/分量、多达 4099 个分量（包括alpha 透明度）、动画图像和嵌入式预览的有损压缩和无损压缩。

2.2 视频编码发展进程

目前，视频编码方式主要分为三大系列：

2.2.1 H.26x系列

H.26x系列（由ITU[国际电传视讯联盟]主导），包括H.261、H.262、H.263、H.264、H.265、H.266…

格式	细节
H.261	制定于1990年，主要在老的`视频会议和视频电话`产品中使用
H.263	制定于1996年，主要用在`视频会议、视频电话和网络视频`上
H.264	制定于2003年，MPEG-4第十部分，或称AVC(Advanced Video Coding)，被广泛用于高精度视频录制、压缩及发布
H.265	制定于2013年，High Efficiency Video Coding，简称HEVC，支持4K到8K高画质分辨率，两倍于H.264的压缩率
H.266	制定于2020年，Versatile Video Coding，简称VVC，主面向4K到8K高画质分辨率，两倍于H.265的压缩率

2.2.2 MPEG系列

MPEG系列（由ISO[国际标准组织机构]下属的MPEG[动态图像专家组]开发），包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21…

格式	细节
MPEG-1	制定于1992年，是VCD的视频图像压缩标准
MPEG-2	制定于1994年，是DVD/超级VCD的视频图像压缩标准
MPEG-3	由于MPEG－2的出色表现，已能适用于HDTV，使得原本为其设计的MPEG-3，还没出世便被抛弃了
MPEG-4	制定于1998年，是网络视频图像压缩标准之一，可使用在网络传输、广播和媒体存储，常见的就是MP4

2.2.2 其他系列

其他系列，包括AMV、AVS、Bink、CineForm、Cinepak、Dirac、DV、Indeo、Video、Pixlet、RealVideo、RTVideo、SheerVideo、Smacker、Sorenson Video、Theora、VC-1、VP3、VP6、VP7、VP8、VP9、WMV…

3. JPEG 技术介绍

3.1 JPEG简介

JPEG是联合摄影专家组开发的图像压缩标准，目的是在不影响图像质量的情况下尽可能减少自然的、像照片一样的真彩图像（每个像素值都分成R、G、B三个基色分量，每个基色分量直接决定其基色的强度）的文件大小，但它不能很好地处理双层（黑白）图像，也不能处理伪彩色图像（将实际是索引值的每个像素值作为色彩查找表CLUT中相应项的入口地址，再根据该地址查找出实际R、G、B的强度值）。JPEG在“连续色调”图像上效果最好，若是有许多跳跃的色值则效果不太好。

3.2 JPEG基本步骤

若颜色分量是独立不相关的，便可以获得最好的压缩效果。因此，这一步主要是通过线性变换将RGB分量转换为信息集中分布在亮度而非色度上的YCbCr分量模式。

利用YCbCr的特性，去除一些Cb和Cr元素，即可在这一步取得初步的压缩效果。如，将RGB为44的格式转换为YCbCr为42的格式，便获得了压缩比为 12/8=1.5 的压缩效果。这一步，将YCbCr的每个分量转换成一个领域表示，以便后续操作。JPEG编码简单将频域中的每个分量除以一个常量，经过一番四舍五入。结果是，许多高频的分量被四舍五入为了零，其余大部分分量则变成了较小的正数或负数，只需要更少的位进行存储。因此，整个过程中主要的有损操作都在这一步完成。

详见《轻翻那些永垂不朽的诗篇第四章第二代图片压缩技术》中相关内容。

颜色空间转换：
色度采样（可选）：
离散余弦变换（DCT）：
量化：
熵编码：

4. MPEG技术介绍

4.1 MPEG简介

MPEG全称动态图像专家组。理论上，因为视频流是离散图像序列，MPEG则使用这些连续帧之间的特殊或时间关系压缩视频流。基于之前许多方法，可见，一种技术越能有效利用一段数据中的某些关系，数据压缩的效果便越好。

MPEG标准主要有五个，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21。其委员会组建于1988年，专门负责为CD制定视频和音频标准。第一个公开标准是MPEG-1, ISO/IEC 11172，于 1993 年首次发布。

MPEG算法只对视频帧序列的新生部分和运动部分的信息进行编码，如下图三个序列中的小人便是MPEG编码压缩时需要考虑的范畴。

4.2 MPEG基本应用

应用	细节
有线、无线电视	一些电视系统通过线路传送MPEG-II程序
直播卫星	MPEG视频流由碟形解码器接收，提取标准NTSC信号数据
媒体金库	供应商提供的视频点播系统，单台设备就能播放20万个MPEG编码电影
实时编码	结合特殊用途的并行硬件，实时编码器可花费10~30万元

随着互联网的数字视频消费的持续增长，包括UHD、VR和流媒体等服务，以及社交网络的视频分享，电信基础设施的可用带宽正在接受挑战。AV1和H.266是新一代视频格式，将被广泛应用从而应对以上问题。

5. AV1技术介绍

5.1 AV1简介

开放媒体联盟(AOMedia)于2015年成立，作为一个开发开放、免版税的多媒体交付技术的联盟。其在2018年发布了第一个视频压缩格式AV1，《AV1 Video Codec | Alliance for Open Media》，比其前身VP9的压缩能力增强了约30%。AV1格式已经得到了许多网络平台的支持，包括安卓、Chrome、微软Edge和火狐，以及多个基于网络的视频服务提供商，包括YouTube、Netflix、Vimeo，已经开始大规模推出AV1流媒体服务。

AV1 视频编码截至本文目前仍处于起步阶段，任何 AMD 和 NVIDIA 消费级 GPU 都没有硬解 AV1 的能力，除了少数型号外少有支持。但是，目前大多数 GPU 能够软解 AV1（ AMD Navi 24 GPU 除外）。

在同样的视频质量下，AV1 的视频码率是 44.9Mb / s，而 H.264 格式的是 64.7Mb / s，因此它可以节约 30% 的流量 / 比特率，不管对于用户还是服务供应商来说这都十分划算。随着 AV1 编解码器的日益普及，它将会成为 AVC / HEVC 的免费替代品。有些视频流媒体服务只要检测到支持的解码硬件，例如 Netflix，就会自动为你提供 AV1 流视频，所以这对于现有流媒体服务来说倒是十分有利。

5.2 AV1优点

免收专利费
与VP9和H.265相比，有着明显的编码效率提升

Source: Graphics & Media Lab Video Group, Moscow State University

从图中可以看到，相较于VP9与H.265，AV1编码效率有近30%的提升。

5.3 AV1编码质量测试

为了验证AV1的编码效果，使用Youtube提供的分别为480p、720p、1080p、4K的VP9编码格式和480p、720p、1080p的AV1编码格式视频样本进行测试。

由于目前支持硬解AV1编码的GPU芯片较少，只能依靠软解，因此在实际测试AV1视频播放时较为卡顿。

上图分别取自1080P分辨率下AV1与VP9的表现效果。可以看出，AV1比VP9拥有更好的清晰度。

5.4 结论

对比VP9，AV1拥有更好的编码效率，其普及对于流视频具有重要意义，用户可在带宽及消耗流量不变的情况下观看画面质量更清晰的视频。

6. H.266

6.1 H.266简介

VCC简称 H.266 的通用视频编码(Versatile Video Coding，VVC)，由德国弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所（Fraunhofer HHI）于2020年7月正式发布。

该新一代MPEG视频标准由国际电联(ITU-T)和国际标准化组织(ISO)联合开发，过去三年，包括苹果、爱立信、英特尔、华为、微软、高通、索尼等在内的企业，一直在努力推动这项新技术的发展。

与简称 H.265 的高效视频编码（High Efficiency Video Coding, HEVC）前身一样，H.266有望将视频文件的比特率和大小降低 50% 左右，同时不会在视觉保真度上产生明显的差异，主要面向4K、8K服务。简单来说，基于H.265编码的一段90分钟UHD 4K视频需要10GB左右，而基于 H.266 则仅需5GB。

6.2 与AV1的争夺战

随着全球互联网视频需求的增长，MPEG 正在推动 H.266 / VCC 及其它两个标准的发展。其中 MPEG-5 Part 1又被称作基础视频编码（Essential Video Coding，EVC），由华为、高通、三星等企业牵头制定；Part 2又被称作低复杂度增强视频编码（LCEVC）。在2020年5月，EVC 编码标准正式被提升为最终国际标准（FDIS）状态。

因此，MPEG 的此番发力，与免专利费的 AV1 开放标准所带来的强大竞争有直接关系。

英国广播公司（BBC）研发部门去年进行的初步测试显示，VVC 的成绩很是鼓舞人心，因为新标准较 HEVC 和 AV1 节省了大量的比特率，尤其是在 4K UHD 文件的支持上。

<本文完>

技术DNA

智慧场景

参考文献

https://www.researchgate.net/publication/270408593_A_Survey_of_Data_Compression_Algorithms_and_their_Applications

https://ieeexplore.ieee.org/document/9363937/citations

http://www.researchgate.net/publication/348023353_An_Overview_of_Dedicated_Hardware_Designs_for_State-of-the-Art_AV1_and_H266VVC_Video_Codecs

https://zhuanlan.zhihu.com/p/86890266

https://www.eet-china.com/news/202008181407.html

https://blog.csdn.net/lxc1014/article/details/45666281

http://www.zlib.net/

https://tinypng.com/

Hosseini M . A Survey of Data Compression Algorithms and their Applications[C]// Applications of Advanced Algorithms. 2012.
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Saldanha M , Correa M , Correa G , et al. An Overview of Dedicated Hardware Designs for State-of-the-Art AV1 and H.266/VVC Video Codecs[C]// 2020 27th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS). IEEE, 2020.
AV1编码质量初探
H.266/VCC编码标准发布，4K/8K视频大小减半清晰度不变
视频格式与编码压缩标准 mpeg4，H.264.H.265 有什么关系？
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