6.1.1 视频编码编年简史(A Chronology of Video Coding Standards)
任何技术都不是凭空出现的。视频编码四十年的演进,本质上是一场 "需求牵引、组织角力、工具精进" 的接力赛。在进入具体规格之前,我们先沿时间轴走一遍——看清每一代规格 为何诞生、解决了谁的什么问题,后续的章节才读得出味道。
两大阵营与三个联合工作组
视频编码标准化的历史舞台上,长期活跃着两支力量 [5] :
- ITU-T(国际电信联盟):电信血统,关注 实时通信。其下属的 VCEG(Video Coding Experts Group,视频编码专家组) 先后推出了 H.261、H.263、H.264、H.265、H.266 这一 H.26x 家族
- ISO/IEC MPEG(Moving Picture Experts Group,动态图像专家组):计算机与消费电子血统,关注 存储与分发。1988 年成立后推出了 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 家族
有意思的是,从 2001 年起,两大阵营干脆 组队干活,以联合工作组的形式共同制定规格:
- JVT(Joint Video Team,2001) → H.264/AVC
- JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding,2010) → H.265/HEVC
- JVET(Joint Video Experts Team,2015) → H.266/VVC
因此,2003 年之后的每一代主流规格都有两个名字:ITU-T 侧叫 H.26x,MPEG 侧则是 MPEG 体系的一个 Part(例如 H.264 = MPEG-4 Part 10 / AVC,H.265 = MPEG-H Part 2 / HEVC)。
此外,2015 年还出现了第三极——由 Google、Mozilla、Cisco、Netflix 等互联网公司组建的 AOMedia(Alliance for Open Media,开放媒体联盟),以 免版税 为旗帜推出了 AV1。它的出现本身,就是对 H.26x 专利授权生态的一次 "用脚投票"(详见 6.4)。
编年主线:从视频会议到无处不在
| 年份 | 规格 | 标准化组织 | 典型应用 | 关键技术增量 |
|---|---|---|---|---|
| 1990 | H.261 | ITU-T | ISDN 视频会议 | 混合编码框架奠基 |
| 1993 | MPEG-1 | ISO/IEC MPEG | VCD | B 帧双向预测 |
| 1995 | MPEG-2 / H.262 | ITU-T + MPEG 联合 | DVD、数字电视 | 隔行扫描、可分级编码 |
| 1996 | H.263 | ITU-T | 低码率可视电话 | 多参考帧等精细预测工具 |
| 1999 | MPEG-4 ASP | ISO/IEC MPEG | 网络视频(DivX/Xvid) | 对象化编码尝试 |
| 2003 | H.264 / AVC | JVT | 蓝光、流媒体、监控 | 四环工具全面精化 |
| 2013 | H.265 / HEVC | JCT-VC | 4K/8K 超高清 | CTU 四叉树块结构 |
| 2018 | AV1 | AOMedia | 流媒体(免版税) | 开源阵营新工具集 |
| 2020 | H.266 / VVC | JVET | 8K、沉浸式媒体 | 多类型树等极限压缩工具 |
表中的故事可以概括为四个时代。
开创时代(1988~1993):框架奠基。 1988 年问世、1990 年修订定型的 H.261 [1],是世界上第一个获得广泛实用的数字视频编码标准。它面向 ISDN 综合业务数字网的视频会议,码率设计为 kbit/s(),画面格式只有 CIF(352×288)与 QCIF(176×144)两档。以今天的眼光看它相当简陋,但它首次把 "运动补偿预测 + 分块 DCT + 量化 + 变长编码" 这套组合拳写进了标准——日后所有视频编码沿用至今的 混合编码框架(Hybrid Video Coding),我们将在 6.1.3 详细拆解。
存储时代(1993~1999):走向客厅。 1993 年,MPEG 交出第一份答卷 MPEG-1 [2],目标是把视频塞进约 1.5 Mbit/s 的 CD-ROM 带宽——VCD 由此诞生。MPEG-1 引入的 B 帧(双向预测帧) 让一帧可以同时参考 "过去" 与 "未来",压缩效率显著提升。1995 年的 MPEG-2(即 ITU-T H.262)[3] 则扛起了 DVD 与数字电视的大旗,首次系统处理了 隔行扫描 信号。与此同时,ITU-T 在 1996 年推出 H.263 [4],为低码率可视电话补充了一批精细的预测工具——其中不少设计(如多参考帧、非限制运动矢量)后来成为 H.264 的直接前身。1999 年的 MPEG-4 ASP 曾怀揣 "按对象编码" 的雄心,对象化的愿景虽然未能大规模落地,却意外成就了 DivX/Xvid 与早期的网络视频传播。
网络时代(2003~2013):一统江湖。 2003 年,JVT 发布 H.264/AVC [5]。同等画质下,它的码率大约只有 MPEG-2 的一半——恰逢宽带网络与移动设备爆发,H.264 一举成为迄今部署最广的视频编码规格:从蓝光碟到 YouTube,从视频会议到安防监控,几乎无处不在。我们将在 6.2 把它作为 "经典样本" 完整剖析。
超高清时代(2013~ 至今):两强竞逐。 2013 年的 H.265/HEVC [6] 面向 4K/8K,把同画质码率再度砍半(6.3 详解);2020 年的 H.266/VVC 继续向压缩极限推进。而 2018 年 AOMedia 的 AV1 以免版税姿态入局,在流媒体阵营快速铺开。两者将在 6.4 同台对比。
值得一提的是,音频编码有着自己独立而精彩的进化线——从 MPEG-1 Layer III(也就是大名鼎鼎的 MP3)到 AAC,再到为实时互动而生的 Opus。这条线我们将在 6.5 单独展开。
不变的框架,进化的工具
回看这张编年表,一个耐人寻味的现象浮出水面:从 H.261 到 H.266,混合编码的顶层框架四十年未变。每一代规格做的事情本质上都一样——在框架的每个环节里,换上更精细的工具。因此,本章 6.2~6.4 三节的阅读方式可以非常统一:每一代规格,都是一份 "编码四环的升级清单"。
那么,这套框架为什么成立?压缩的空间究竟从哪里来?下一节,我们先回答这个更根本的问题。