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 p×64p \times 64 kbit/s(p=130p = 1 \sim 30),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。

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