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视频编解码技术VP8

 钰泉公益书院 2021-03-01

      VP8,是On2 Technologies于2008年9月13日推出的、旨在取代其前任VP7的视频编解码器。相对于目前的VC-1、H.264等视频压缩格式,WebM VP8具有明显的技术提升,其加入了40多项创新技术,包括:基于虚拟参考祯的高级预计编码、基于宏块级的多线程技术、改进的局域参考编码、增加复杂度的先进上下文熵编码、稀疏目标区域的自适应回路滤波等,从而能以更少的数据提供更高质量的视频。

      例如:主要的H.264实现方案需要两倍的数据才能提供与WebM VP8相同质量的视频 (基于客观峰值信噪比测试结果)。

     VP8能以更少的数据提供更高质量的视频,而且只需较小的处理能力即可播放视频,为致力于实现产品及服务差异化的网络电视、IPTV和视频会议提供理想的解决方案。不同于需要收取专利授权费用的H.264标准,WebM VP8实现了完全的免费开源与授权开放,并且,经过Google持续性的技术优化,其解码速度与开发工具显著增强,在压缩效率和性能方面的表现较发布初期显著提升。同时,WebM VP8比特流的解码只需要极少的处理周期,故用户无需拥有高端的PC或移动设备也能够享受到WebM VP8的视频质量,此外,WebM VP8在ARM架构兼容性与多核处理器适用性方面也具有后发优势。

      与目前主流的视频压缩格式相比,谷歌WebM VP8视频压缩格式更加适合下一代Web开发标准(HTML 5)与移动互联网设备(MID)的应用需求,至今已在全球范围获得广泛推广。一方面,Google Chrome、Microsoft IE9、Mozilla Firefox、Opera、Apple Safari等各大主流浏览器均高调支持HTML 5标准,而WebM VP8作为HTML 5标准的重要组成部分,也同样得到了WebM项目其它四十多家出版商和计算机软硬件供应商(包括AMD、NVIDIA等)的积极支持,这一免费开源、公开授权的编码器,有助于在互联网业内建立一个统一的标准视频编码格式。

       另一方面,WebM VP8已经成为FFmpeg项目组的一部分,可以在X86、ARM和PowerPC平台运行,并可在Windows、Mac OS X、Linux等系统良好支持,此外,WebM VP8亦支持DirectShow,Windows Media Foundation,QuickTime和Gstreamer等编码器,由于WebM VP8能以更少的数据提供更高质量的视频,超过80%的YouTube日常视频均已采用WebM VP8视频压缩格式,这一系列成果,标志着WebM VP8在硬件、系统、编码、资源方面取得了全面突破,更加适应新一代MID/平板的发展趋势。


视频编码效率通常用peak signal-to-noise ratio (PSNR)客观评价指标来度量。HEVC受益于更大的Coding Tree Block (CTB)大小。HM-8.0 HEVC视频分辨率为2560×1600,和使用64×64 CTB大小相比,如果采用 32×32 CTB大小,码率增加5.7%,如果使用16×16 CTB大小,码率增加28.2%。而且分辨率越大,CTB大小越大的码率减少越多同时解码时间也减少。上表是HEVC Main Profile (MP)和H.264/MPEG-4 AVC High Profile (HP), MPEG-4 Advanced Simple Profile (ASP), H.263 High Latency Profile (HLP),以及 H.262/MPEG-2 Main Profile (MP)的编码效率比较。

测试序列包括了5个HD分辨率和4个WVGA (800×480)分辨率。主观测试的结果表明相同的主观质量下,HEVC MP比H.264/MPEG-4 AVC HP码率平均下降49.3%.

VP8

VP8 是一个开放的图像压缩格式,最早由 On2 Technologiesis 开发,随后由 Google 发布。同时 Google 也发布了 VP8编码的实做库:libvpx,以BSD授权条款的方式发布,随后也附加了专利使用权。而在经过一些争论之后,最终 VP8 的授权确认为一个开放源代码授权。VP8编码的开发从2008年9月13日开始,目的是要取代旧有的 VP7 编码格式。Google 在2010年收购了 On2 之后,各界便呼吁 Google发布 VP8的源代码,在2010年3月12日,自由软件基金会发表了一个公开信,希望 Google 能够逐渐的以 HTML5 和开放的 VP8,取代 Youtube 目前使用的 Adobe Flash Player 和 H.264。2010年5月19日,Google在 Google I/O年会上,以BSD授权条款的发布了 VP8 编码软件,VP8的比特流格式则是以不可撤回的免费专利使用权发布。VP8也成为第二个 On2 Technologies以开放源代码方式发布的编码产品,前一个是捐赠给Xiph.Org基金会 的VP3,随后成为了图像编码格式 Theora。

编码

目前 VP8只能通过 libvpx来进行编码,而 Google聘用了 FFmpeg 的开发者 Ronald Bultje 来开发基于 x264 架构的 VP8 编码器,称为 xvp8,将来发布后会集成在 x264中。而芬兰的 WebM硬件开发团队则是发布了暂存器转换层次结构(Register transfer level)的VP8硬件编码器,提供给半导体制造商免费使用。

解码

libvpx可以解码 VP8的图像,在2010年7月23日,FFmpeg 的开发者Jason Garrett-Glaser、Ronald Bultje和 David Conrad发布了名为 ffvp8的 VP8解码器,测试结果显示 ffvp8比 Google自己的 libvpx解码器性能更佳。另外 WebM专案的硬件团队也有发布暂存器转换层次结构(Register transfer level)的硬件解码器,同样是免费使用。

WebM

WebM专案和 VP8同时在2010年5月19日发表,Mozilla、Opera、Google和其他40多家厂商共同协助发展,目的是让 VP8 成为HTML5的图像格式。WebM为一个容器格式,图像部份使用 VP8,声音格式则是使用 Vorbis。Internet Explorer 9 可以通过安装解码器支持 WebM图像,行动操作系统 Android 则是在2.3版(Gingerbread)之后支持 WebM Adobe 也宣布会在将来的 Flash Player 中支持 VP8图像的播放。

WebP

在2010年9月30日,Google发布了 WebP,是以 VP8编码为基础的图片文件格式,目的是取代现有的 JPEG ,作为网络图片的传输使用,使用的容器格式为Resource Interchange File Format (RIFF)。

和H.264的比较

H.264是目前使用最多的网络图像编码格式,因此最常拿来和 VP8做比较。

H.264 的编码技术包含专利(由 MPEG-LA 提供授权),而且在硬件上使用需要取得授权,VP8则不需要。即使有Google的背书,但VP8仍然很难避过所有的专利,其下场可能跟VC-1如出一辙。管理H.264专利池的MPEG LA声称有12家公司持有Google VP8的专利。美国MPEG LA表示:"创建VP8专利池的相关准备正在进行"。

根据 MSU Graphics & Media Lab在2011年5月的测试,VP8需要约213%的数据量,才能达到和 H.264相同的图像品质。

x264 的开发者之一:Jason Garrett-Glaser,给了一些针对 VP8的评论,他认为 VP8目前并没有实现真正的比特流规范,而且在一些编码的技术上有所欠缺。

VP8的subblock预测和H.264的4×4模式一致,但VP8不支持 H.264 High profile的8×8模式,会影响对细节的保持。VP8缺少 B frame是另一个大问题。H.264已有大量的硬件支持,但VP8仍需要依靠软件解码。VP8的标准文档过于简陋可能是最让人诟病的问题,大部分是直接贴C language code,而不是文字表述,许多细节没有交待清楚。

VP9

VP9 是Google提供的开源的免费视频codec,是VP8的后续版本,初始开发时命名为下一代开源视频或者VP-NEXT. VP9的开发始于2011年Q3,试图降低VP8的50%的码率而保持相同的质量,另外希望VP9比H.265( High Efficiency Video Coding)有更好的编码效率。 2012年底,VP9的解码器被加入Chrome浏览器,2013年2月发布正式版本的chrome浏览器。VP9支持超宏块大小到32x32,也采用了四叉树的宏块分解结构。

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