【嵌牛導(dǎo)讀】今天為大家講解視頻的編碼原理。
【嵌牛鼻子】視覺(jué)暫留現(xiàn)象尽楔，有損圖像壓縮，運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)第练，圖像組和視頻文件阔馋，視頻容器
【嵌牛提問(wèn)】計(jì)算機(jī)如何生成圖像，視頻
【嵌牛正文】
視覺(jué)暫留現(xiàn)象
人的眼睛是一個(gè)非常巧妙的成像系統(tǒng)娇掏，來(lái)自自然界的光經(jīng)由晶狀體垦缅，投射到感光細(xì)胞上，感光細(xì)胞將光轉(zhuǎn)化為神經(jīng)電流驹碍，通過(guò)視神經(jīng)傳到大腦壁涎，引起人體視覺(jué)。受制于視覺(jué)神經(jīng)的反應(yīng)速度志秃，當(dāng)光停止作用后怔球，在一段時(shí)間內(nèi)，圖像仍將短暫地停留浮还，稱(chēng)為“后像“竟坛，這便是視覺(jué)暫留現(xiàn)象。
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正因?yàn)槿说囊曈X(jué)系統(tǒng)有著這樣的特性钧舌，當(dāng)我們將一組動(dòng)作連續(xù)的靜態(tài)圖片放在眼前快速切換時(shí)担汤，人眼會(huì)感覺(jué)它“動(dòng)起來(lái)了“。事實(shí)上洼冻，我們看到的視頻崭歧，就是由一張又一張的靜態(tài)圖像組成的。
有損圖像壓縮
前面我們已經(jīng)提到撞牢，視頻是由一張又一張的靜態(tài)圖片組成的率碾，要壓縮視頻，首先就要壓縮這些組成視頻的靜態(tài)圖像屋彪，在關(guān)于JPEG圖片格式的科普中所宰，我們已經(jīng)講解了JPEG的壓縮原理，事實(shí)上畜挥，視頻中的靜態(tài)圖片仔粥，它的壓縮原理和JPEG頗為相似。
首先蟹但，就是將色彩空間由RGB轉(zhuǎn)化為YCbCr躯泰，和RGB色彩空間通過(guò)紅綠藍(lán)三種顏色來(lái)組成大千世界不同，YCbCr將畫(huà)面分解成明度（亮度信息）和色度（色彩信息）矮湘，在YCbCr的色彩空間下斟冕，把Cb（藍(lán)）和Cr（紅）去掉，只留Y（亮度）缅阳，那么圖像依然可以正常顯示磕蛇，只是此時(shí)顯示的圖像是黑白的，把亮度信息和色彩信息分離所帶來(lái)的好處十办，就是解決了彩色顯示器和黑白顯示器的兼容問(wèn)題秀撇。
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色彩空間轉(zhuǎn)換完成后，就要對(duì)圖像進(jìn)行離散余弦變換（DCT）了向族，在DCT時(shí)呵燕，圖像將被分割成一個(gè)個(gè)8*8的像素塊，每個(gè)8*8的像素塊都將通過(guò)復(fù)雜的公式轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼件相，隨后再扭，這些數(shù)字編碼將通過(guò)一系列的處理進(jìn)一步丟掉對(duì)人眼來(lái)講并不重要的數(shù)據(jù)（人眼對(duì)高頻區(qū)的辨識(shí)能力較差氧苍，這部分的數(shù)據(jù)可以酌情丟掉），經(jīng)過(guò)這番折騰泛范，原始的8*8像素塊將被轉(zhuǎn)化為結(jié)尾有很多連續(xù)的0的一串?dāng)?shù)字編碼让虐。這串編碼經(jīng)過(guò)冗余數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后，再進(jìn)行一些處理罢荡，將生成一張經(jīng)過(guò)壓縮的圖片赡突。這張圖片就是視頻中的I幀。
運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)
I幀区赵，又稱(chēng)幀內(nèi)編碼幀惭缰，這是個(gè)獨(dú)立幀，自帶全部信息笼才；P幀漱受，又稱(chēng)幀間預(yù)測(cè)編碼幀，它里面包含的是當(dāng)前幀與前一幀之間的差別患整，在解碼時(shí)拜效，需要以之前的畫(huà)面為基礎(chǔ)，疊加上兩幅畫(huà)面之間的差異部分各谚，才能生成最終的畫(huà)面紧憾。B幀，又稱(chēng)雙向預(yù)測(cè)編碼幀昌渤，它不僅記錄了當(dāng)前幀與前一幀之間的差別赴穗，還記錄了當(dāng)前幀與下一幀之間的差別，B幀的壓縮率通常更高膀息，不過(guò)對(duì)解碼性能的要求也更高般眉。
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P幀的生成過(guò)程，實(shí)際上就是運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的過(guò)程潜支，在這個(gè)過(guò)程中甸赃，圖像將被分割成一個(gè)個(gè)16*16的像素塊，然后冗酿，我們將計(jì)算當(dāng)前幀的這個(gè)16*16像素塊的信息與下一幀中哪個(gè)16*16像素塊中的信息最為相似埠对，然后記錄下它們之間的位置差別（運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)矢量），簡(jiǎn)單地說(shuō)裁替，運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的過(guò)程项玛，就是使用當(dāng)前幀位于不同起始位置的16*16像素塊，拼湊出下一幀的圖像來(lái)弱判。B幀的生成原理和P幀大致相同襟沮，只不過(guò)B幀是同時(shí)結(jié)合前后兩幀來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的。
圖像組和視頻文件
所謂的圖像組，就是由I幀打頭开伏，后面跟了一系列的P幀或者B幀的圖像的編組膀跌，看起來(lái)差不多是這個(gè)樣子的：I,P,P,P,P,P,P,P,P,P,P，如果有B幀硅则，則是這個(gè)樣子的：I,P,B,B,P,B,B,P,B,B,P淹父。
視頻文件是由一個(gè)接著一個(gè)的圖像組構(gòu)成的。在播放視頻時(shí)怎虫，每個(gè)圖像組的第一幀必須是I幀，若第一幀不是I幀困介，后面的P幀或者B幀將無(wú)法被還原成正常的圖像大审，視頻也就無(wú)法正常播放了。
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如果一個(gè)P幀是由某幀通過(guò)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)來(lái)生成的座哩，那么這里的“某幀”就是該P(yáng)幀的參考幀徒扶，關(guān)于參考幀的選擇，也是有講究的根穷。
這里有一個(gè)圖像組姜骡，I1,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10，我們參考I1生成了P1屿良，又參考了P1生成了P2圈澈，緊接著參考P2生成了P3，以此類(lèi)推尘惧，最后生成了P10康栈，由于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)本身就是有誤差的，如果我們每一幀都參考前一幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)喷橙，那么從P1到P10啥么，誤差會(huì)越來(lái)越大，最后生成的P10可能就面目全非了贰逾。為了避免這個(gè)問(wèn)題悬荣，在選擇參考幀時(shí)，我們可以這樣做疙剑，P1~P10氯迂，全部參考I1來(lái)生成，或者P1~P5參考I1來(lái)生成核芽，然后P6~P10參考P5來(lái)生成囚戚，步子邁得小一點(diǎn)，扯到蛋的風(fēng)險(xiǎn)自然就會(huì)降低轧简。
到這里驰坊，視頻編碼基本原理的介紹就告一段落了，不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)哮独，它具體的編碼方式也不盡相同拳芙，這個(gè)需要具體標(biāo)準(zhǔn)具體分析察藐。常見(jiàn)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2舟扎、MPEG-3分飞、MPEG-4、H.264等睹限。
視頻容器
如果說(shuō)視頻是個(gè)圖書(shū)館譬猫，那么一幀一幀的圖像就是書(shū)的一頁(yè)一頁(yè)，一個(gè)一個(gè)的圖像組羡疗，就是一本又一本的書(shū)染服，我們還缺少什么東西啊叨恨？書(shū)架柳刮。圖書(shū)館里沒(méi)有書(shū)架怎么行？
所謂視頻容器痒钝，就是將圖像組秉颗，聲音以及視頻的附屬信息（比如字幕、分辨率送矩、作者蚕甥、加密信息等）封裝在一起的標(biāo)準(zhǔn)，這就正是我們要找的書(shū)架益愈。
視頻容器梢灭，又叫封裝格式，提到封裝格式（對(duì)應(yīng)相應(yīng)的文件擴(kuò)展名）蒸其，相信大家一定非常眼熟敏释，舉幾個(gè)例子，大家感受一下：avi摸袁、rmvb钥顽、mp4、flv靠汁、mkv……
IT之家學(xué)院：文件格式系列科普之視頻編碼基本原理
封裝格式對(duì)視頻質(zhì)量的影響不大蜂大，決定視頻質(zhì)量的還是它的編碼數(shù)據(jù)，就像前面舉的圖書(shū)館的例子蝶怔，書(shū)架不管是豪華還是簡(jiǎn)陋奶浦，只要它上面擺放的書(shū)是好書(shū)，那這個(gè)圖書(shū)館就是個(gè)好圖書(shū)館踢星。
IT之家的用戶(hù)是多層次的澳叉，這篇文章的受眾是零基礎(chǔ)的讀者，本著淺顯易懂的原則，在一些方面我們并沒(méi)有深入討論和展開(kāi)討論成洗。如果你是相關(guān)行業(yè)的工作者五督，或者你是相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高校學(xué)生，那么這篇文章可能不適合你瓶殃。
好的充包，今天關(guān)于視頻壓縮原理的文章就到這里，文件格式系列科普至此完結(jié)遥椿，想了解更多的常識(shí)科普和實(shí)用教程基矮，請(qǐng)關(guān)注IT之家學(xué)院。
