04｜编码原理：视频究竟是怎么编码压缩的？

李江

你好，我是李江。今天我们一起来聊一聊视频编码。
说到视频，我们首先想到的可能就是占内存。我们知道一个视频是由一连串图像序列组成的，视频中图像一般是 YUV 格式。现在，我们假设有一个电影视频，分辨率是 1080P，帧率是 25fps，并且时长是 2 小时，如果不做视频压缩的话，它的大小是 1920 x 1080 x 1.5 x 25 x 2 x 3600 = 521.4G。而我们的电脑一般是 500G 的硬盘，那就连 2 部电影都放不下了。如果是在视频通话场景下的话，按照这个大小去传输视频数据，对流量和带宽资源的消耗也是非常大的，并且如此大的数据发送对网络要求也非常高，很显然我们是接受不了的。因此，做视频编码压缩就非常有必要。
那么，接下来我就深入讲讲视频编码，带你从预测编码、变换编码、熵编码等方面，系统了解下视频编码的原理。相信这节课过后，你会对视频编码有一个全面的了解。
视频编码的原理视频编码是对一帧帧图像来进行的。一般我们所熟知的彩色图像的格式是 RGB 的，即用红绿蓝三个分量的组合来表示所有颜色。但是，RGB 三个颜色是有相关性的，为了去掉这个相关性，减少需要编码的信息量，我们通常会把 RGB 转换成 YUV，也就是 1 个亮度分量和 2 个色度分量。

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视频编码是为了减小视频文件大小，减少传输流量和带宽资源消耗而必要的。本文深入讲解了视频编码的原理，包括预测编码、变换编码、熵编码等方面。通过对视频编码的了解，读者可以更全面地理解视频编码的工作原理。视频编码通过压缩视频文件大小，减少对存储和传输资源的消耗，对于节省空间和提高效率具有重要意义。文章详细介绍了视频编码的原理，包括YUV格式、图像数据冗余、帧内预测和帧间预测等内容。通过对图像块进行DCT变换和量化，分离出低频和高频信息，进一步减少了图像数据的冗余。视频编码利用图像数据的冗余性和人眼对图像信息的感知特点，实现了对视频文件的高效压缩，从而减小文件大小，降低传输成本，提高存储和传输效率。此外，文章还介绍了不同视频编码标准的对比及选择，包括H264、H265、VP8、VP9和AV1等编码标准的特点和应用场景。针对不同的实际应用场景和需求，读者可以根据硬件支持、专利费用、编码效率等因素选择合适的编码器。总的来说，视频编码的原理涉及了多个技术细节，通过这些步骤实现了对视频文件的高效压缩，为节省存储空间和提高传输效率提供了重要技术支持。文章内容丰富，涵盖了视频编码的基本原理和实际应用，对读者了解视频编码技术具有重要参考价值。

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Student
1920 x 1080 x 1.5 x 25 x 2 x 3600 = 260.7G。其中的1.5是怎么来的谢谢
作者回复: 1.5是一般我们图像常用的是YUV420格式的，YUV420格式每一个像素对应了1个字节的Y、0.25个字节的U和0.25个字节的V。所以一个像素占用1.5个字节。你可以学习一下第二节课里面有详细的内容来讲述。
2021-11-30
5
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ForwardsHao
一帧图像即存在空间冗余又存在时间冗余，所以是帧间预测和帧内预测都是可以同时可以在一帧上应用的。这样一个编码的宏块，都会即由本帧内的前面的宏块又由相关帧的预测块影响。
作者回复: 是的，这个思路很正确。但是I帧是不能进行帧间预测的。因为帧间预测是需要依赖于参考帧的，这样肯定需要一开始有一个帧是可以独立的编解码的。不然大家都相互依赖了。
2021-11-29

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我有一条鱼
上面中写av1和H265的编码速度是3fps和8fps。这样的速度是怎么在直播场景中使用的吗？在页面上展示的时候不是15fps左右吗？
作者回复: 这个怪我没有解释清楚。这个对比看相对数据就可以。因为我选用的速度档是很慢速的。编码器是可以选择编码速度的。比如说x264和x265都有一个preset参数可以设置编码速度的。一般实际不会使用这种速度的。真实场景的编码速度需要看编码器设置，编码设备和编码画面的复杂度等多个方面来决定的。
2021-12-03

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一頭蠻牛
老师请问宏块转像素串为什么是之字形扫描？搜索无果请求解答
作者回复: 因为一般来说，DCT变换之后的系数（像素值）是从左上角到右下角成总体变小的趋势，量化之后右下角的很容易都变成0，之字形扫描很容易扫描出来一长串0的像素串，压缩率会高一些
2022-09-02归属地：河北
2
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Geek_495a1c
在一帧中既有帧间预测又有帧内预测，最后是怎么确定使用哪种方式？
作者回复: 编码器会选择“最优”的预测方式。或者你可以认为编码器会遍历所有的预测模式，选一种最好的。
2021-12-15

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我有一条鱼
应该有一些被参考的帧是不可以帧间预测的，其他帧可以吧。要不每个帧都相互参考，没有一帧有完整的信息。在解码时，信息还能被解析出来吗？
作者回复: 是的，I帧就只能帧内预测。
2021-12-03
2
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Max(Deguang)
问一下，文中提到帧间参考的时候，会使用运动矢量记录参考宏块位置。帧内参考的时候，如何记录参考宏块的位置呢？谢谢
作者回复: 帧内参考的参考像素就是当前编码块的左边，上边，左上，右上的相邻像素，具体是哪一个由帧内预测的模式来确定，帧内预测的模式在码流里面也会记录
2022-03-12

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被讨厌的勇气
应该可以。帧内预测和帧间预测都是以块为基本单元的，而一帧包含多个块，所以，可以将帧间预测与帧内预测施加到同一帧的不同块上
作者回复: 这个“以块为基本单元”的思考这个问题的方式很好，很棒。因为确实是分块来选择模式的。但是I帧不能用帧间预测。P帧和B帧两种预测方式都可以。
2021-11-29
2
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Geek_9c9938
李老师好文中 "假设 Y 分量这 16x16 个像素就是一个个数字，我们从左上角开始之字形扫描每一个像素值，则可以得到一个“像素串”。" 假设是数字什么意思，事实上是数字吗？
作者回复: 其实像素值就是一个个0-255的数字，所以你可以认为就是数字
2023-11-05归属地：北京
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CyanWoods
这个DCT变换里面没有提到亮度和色度的量化矩阵，我研究生期间学这门课的时候记得是有这个步骤的啊
作者回复: 也有量化矩阵去量化，但实际很少使用
2023-08-17归属地：河南
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