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標準及中文資料鏈接

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視頻編碼中的主要技術

視頻編碼的目標是在保證視頻質量的前提下，盡可能減少數據量。以下是視頻編碼中的核心技術：

1. 塊劃分（Block Partitioning）
   • 將視頻幀劃分為小塊，以便后續進行預測、變換和量化。
   • 塊的大小和形狀直接影響編碼效率。
2. 幀內預測（Intra Prediction）
   • 利用同一幀內相鄰像素的相關性，預測當前塊的像素值。
   • 目的是減少空間冗余。
3. 幀間預測（Inter Prediction）
   • 利用時間上相鄰幀的內容，通過運動估計和運動補償預測當前塊的像素值。
   • 目的是減少時間冗余。
4. 變換（Transform）
   • 將預測殘差（預測值與實際值的差值）從空間域轉換到頻率域，集中能量，便于壓縮。
5. 量化（Quantization）
   • 對變換后的系數進行舍入處理，減少數據量。
   • 量化步長決定了壓縮率和視頻質量的平衡。
6. 熵編碼（Entropy Coding）
   • 對量化后的數據進行無損壓縮，利用數據的統計特性進一步減少比特率。
7. 環路濾波（In-loop Filtering）
   • 在編碼和解碼過程中對重建圖像進行濾波，減少壓縮帶來的偽影，提升質量。

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H.264 (AVC)

H.264 是一個重要的視頻編碼標準，奠定了現代視頻壓縮的基礎。

主要技術特點

• 塊劃分：使用 16x16 像素的宏塊（macroblock），可細分為 8x8 或 4x4 的子塊。
• 幀內預測：支持 9 種 4x4 塊預測模式和 4 種 16x16 塊預測模式。
• 幀間預測：支持 1/4 像素精度的運動向量。
• 變換：采用 4x4 和 8x8 的整數 DCT 變換。
• 熵編碼：提供 CAVLC（基于變長編碼）和 CABAC（基于上下文自適應的二進制算術編碼）兩種選擇。
• 環路濾波：引入去塊濾波器（deblocking filter），減少塊效應偽影。

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H.265 (HEVC) 相較于 H.264 的改進

H.265 在 H.264 的基礎上大幅提升了壓縮效率，尤其適用于高分辨率視頻。

具體改進

• 塊劃分
  • 改進：從固定的 16x16 宏塊升級為編碼樹單元（CTU），最大支持 64x64，并采用四叉樹結構，動態劃分至 8x8。
  • 優勢：更靈活的塊劃分，能根據內容復雜度優化壓縮效率。
• 幀內預測
  • 改進：預測模式從 9/4 種增加到 35 種，支持更多預測方向。
  • 優勢：更精確的預測，減少空間殘差。
• 幀間預測
  • 改進：引入高級運動向量預測（AMVP）和合并模式（merge mode），優化運動信息編碼。
  • 優勢：減少描述運動所需的比特，提升時間預測效率。
• 變換
  • 改進：支持更大的變換尺寸，最高達 32x32。
  • 優勢：更好地捕捉大塊區域的低頻信息，減少殘差數據量。
• 環路濾波
  • 改進：在去塊濾波器的基礎上新增樣本自適應偏移（SAO）濾波器。
  • 優勢：進一步減少偽影，提升視覺質量和預測精度。
• 熵編碼
  • 改進：CABAC 性能得到優化。
  • 優勢：提高無損壓縮效率。

總體效果：在相同質量下，H.265 的比特率約為 H.264 的一半。

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H.266 (VVC) 相較于 H.265 的改進

H.266 是最新的視頻編碼標準，進一步提升壓縮效率并支持更多應用場景。

具體改進

• 塊劃分
  • 改進：采用四叉樹加二叉樹（QTBT）結構，支持矩形塊劃分，最大尺寸仍為 64x64。
  • 優勢：更靈活的劃分方式，能更好地適應復雜內容。
• 幀內預測
  • 改進：預測模式從 35 種增加到 67 種，方向更精細。
  • 優勢：提升預測精度，進一步減少空間冗余。
• 幀間預測
  • 改進：引入仿射運動補償（affine motion compensation），支持旋轉、縮放等復雜運動。
  • 優勢：更準確地模擬真實物體運動，提升時間預測效果。
• 變換
  • 改進：支持多種變換選擇（MTS，如 DCT 和 DST），變換尺寸擴展至 64x64。
  • 優勢：根據內容選擇最優變換，減少殘差數據量。
• 環路濾波
  • 改進：新增自適應環路濾波器（ALF），與去塊濾波器和 SAO 協同工作。
  • 優勢：自適應調整濾波策略，顯著減少偽影。
• 熵編碼
  • 改進：進一步優化 CABAC 的上下文建模。
  • 優勢：提升無損壓縮效率。

總體效果：在相同質量下，H.266 的比特率比 H.265 再降低 30-50%。

?壓縮效率與帶寬需求

• H.264（1080p@30fps）：
  • 典型碼率：4-8 Mbps
  • 適用場景：普通網絡直播、標清視頻存儲。
• H.265（4K@30fps）：
  • 典型碼率：10-20 Mbps（比H.264節省50%帶寬）
  • 適用場景：4K流媒體（如Netflix）、超高清監控。
• H.266（8K@60fps）：
  • 典型碼率：20-40 Mbps（比H.265節省50%帶寬）
  • 適用場景：8K廣播電視、VR游戲串流。

示例：一部90分鐘的4K電影：

• H.264：約50 GB
• H.265：約25 GB
• H.266：約12.5 GB

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2. 計算復雜度與硬件需求

標準	編碼復雜度（相對值）	典型硬件支持
H.264	1x	手機SoC（2010年后）、低端攝像頭
H.265	3-5x	高端手機（如iPhone 12+）、4K電視芯片
H.266	8-10x	最新GPU（NVIDIA RTX 40系列）、專用編碼芯片

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市場應用與競爭格局

1. H.264/H.265/H.266的當前應用

• H.264：仍占主流（約60%視頻流量），尤其在監控攝像頭、視頻會議（Zoom默認編碼）。
• H.265：4K流媒體（YouTube、Disney+）、蘋果生態（iPhone錄制的4K視頻）。
• H.266：試驗階段，如日本8K電視臺、Meta的VR直播。

2. 與AV1的競爭

• H.266優勢：
  • 壓縮效率略高于AV1（約5-10%）。
  • 硬件加速生態更成熟（華為海思、聯發科芯片已支持）。
• AV1優勢：
  • 免專利費（由AOM聯盟推動，谷歌/Netflix支持）。
  • 已廣泛應用于YouTube、TikTok等平臺。

預測：未來5年，H.266將在超高清專業領域（廣電、醫療影像）領先，而AV1主導消費級流媒體。

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