．深入淺說，什麼是視訊壓縮？

Video Compression as Fast As Possible

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視訊壓縮（英文：Video compression）是指運用資料壓縮技術，將數位視訊資料中的冗餘資訊去除，降低表示原始視訊所需的資料量，以便視訊資料的傳輸與儲存。

實際上，原始視訊資料的資料量往往過大，例如未經壓縮的電視品質，視訊資料的位元率高達216Mbps，絕大多數的應用無法處理如此龐大的資料量，因此視訊壓縮是必要的。

目前最新的視訊編碼標準為ITU-T視訊編碼專家組（VCEG）和ISO／IEC動態圖像專家組（MPEG）聯合組成的聯合視訊組（JVT，Joint Video Team）所提出的H.264/AVC。

簡介

視訊壓縮通常包含了一組編碼器（encoder）和解碼器（decoder）。編碼器將原始的視訊資料，轉換成壓縮後的形式，以便進行傳輸與儲存。解碼器則是將壓縮後的形式，轉換回視訊資料的表示。一組成對的編碼器與解碼器通常被合稱為編解碼器（CODEC，enCOder/DECoder，或俗稱的 Video Server，影像伺服器）。

壓縮方法

資料壓縮，是透過去除資料中的冗餘資訊而達成。就視訊資料而言，資料中的冗餘資訊可以分成四類：

‧時間上的冗餘資訊（temporal redundancy）

在視訊資料中，相鄰的影格（frame）與影格之間通常有很強的關連性，這樣的關連性即為時間上的冗餘資訊。

‧空間上的冗餘資訊（spatial redundancy）

在同一張影格之中，相鄰的像素之間通常有很強的關連性，這樣的關連性即為空間上的冗餘資訊。

‧統計上的冗餘資訊（statistical redundancy）

統計上的冗餘資訊指的是欲編碼的符號（symbol）的機率分布是不均勻（non-uniform）的。

‧感知上的冗餘資訊（perceptual redundancy）

感知上的冗餘資訊是指在人在觀看視訊時，人眼無法察覺的資訊。

下圖為一個典型的視訊編碼器。在進行當前信號編碼時，編碼器首先會產生，對當前信號做預測的信號，稱作預測信號（predicted signal），預測的方式可以是時間上的預測（inter prediction），亦即使用先前影格的信號做預測，或是空間上的預測（intra prediction），亦即使用同一張影格之中相鄰像素的信號做預測。

得到預測信號後，編碼器會將當前信號與預測信號相減得到殘餘信號（residual signal），並只對殘餘信號進行編碼，如此一來，可以去除一部份時間上或是空間上的冗餘資訊。

接著，編碼器並不會直接對殘餘信號進行編碼，而是先將殘餘信號經過變換（通常為離散餘弦變換）然後量化以進一步去除空間上和感知上的冗餘資訊。

量化後得到的量化係數，會再透過熵編碼，去除統計上的冗餘資訊。

在解碼端，透過類似的相反操作，可以得到重建的視訊資料。

衡量

衡量視訊壓縮技術的優劣，可以從運算複雜度，和壓縮品質兩方面來看。就運算複雜度而言，理想的編碼器運算複雜度越低越好。而就壓縮品質而言，必須同時考慮壓縮後視訊的位元率和失真程度。

壓縮後的位元率和失真程度，皆為越低越好，兩者之間存在一個折衷（trade-off）關係，理想的編碼器旨在追求，能夠提供位元率和失真程度間的最佳折衷關係。

一般情況下，編碼器的運算複雜度和壓縮品質之間，也存在一個折衷關係，根據應用的不同而有所抉擇。例如當應用為視訊資料的儲存時，可以選擇運算複雜度和壓縮品質較高的設計。而當應用為視訊會議或是手機視訊通話，受限於即時（real-time）通訊的要求或是有限的運算資源，可能會選擇運算複雜度和壓縮品質較低的設計。

由於編碼後的影像品質最終是由人眼所判斷的，在衡量失真程度時，應使用與人類視覺感知相符的影像品質衡量標準。然而，傳統所使用的衡量標準，像是峰值信噪比和人類視覺感知不全然相關。

近幾年已有基於人類視覺感知的，影像品質衡量標準被提出，例如結構相似性指標（structural similarity index，SSIM index）與視覺資訊忠誠（visual information fidelity，VIF），並且在編碼器的設計中被使用，進一步提昇了壓縮後的影像品質。

標準

視訊編碼標準，主要是由ITU-T與ISO／IEC兩大組織制訂而成，其發展如下表所示。

視訊編碼標準發展

年份	標準	制定組織	解除版權保護 （DRM-free）	主要應用
1984	H.120	ITU-T	是
1990	H.261	ITU-T	是	視訊會議、視訊通話
1993	MPEG-1第二部份	ISO／IEC	是	影音光碟（VCD）
1995	H.262/MPEG-2第二部份	ISO／IEC、ITU-T	否	DVD影碟（DVD-Video）、藍光（Blu-Ray）影碟、數位視訊廣播（DVB）、SVCD
1996	H.263	ITU-T		視訊會議、影像電話、3G手機視訊（3GP）
1999	MPEG-4第二部份	ISO／IEC	否
2003	H.264/MPEG-4 AVC	ISO／IEC、ITU-T	否	藍光（Blu-Ray）影碟、數位視訊廣播（DVB）、iPod視訊、高畫質DVD（HD DVD）
2013	High Efficiency Video Coding	ISO/IEC、ITU-T	否	尚未普及

不同視訊編碼標準之間的效能，比較可以在文獻中找到。