即时通讯音视频开发（一）：视频编解码之理论概述

1、前言

即时通讯应用中的实时音视频技术，几乎是IM开发中的最后一道高墙。原因在于：实时音视频技术 = 音视频处理技术 + 网络传输技术 的横向技术应用集合体，而公共互联网不是为了实时通信设计的。有关实时音视频开发时的技术难题请参见《音视频云声网Agora：从demo到实用，中间还差1万个WebRTC》。

本文主要讲解实时音视频技术中视频技术的编解码基础理论。

2、系列文章

本文是系列文章中的第1篇，本系列文章的大纲如下：

• 《即时通讯音视频开发（一）：视频编解码之理论概述》（本文）
• 《即时通讯音视频开发（二）：视频编解码之数字视频介绍》
• 《即时通讯音视频开发（三）：视频编解码之编码基础》
• 《即时通讯音视频开发（四）：视频编解码之预测技术介绍》
• 《即时通讯音视频开发（五）：认识主流视频编码技术H.264》
• 《即时通讯音视频开发（六）：如何开始音频编解码技术的学习》
• 《即时通讯音视频开发（七）：音频基础及编码原理入门》
• 《即时通讯音视频开发（八）：常见的实时语音通讯编码标准》
• 《即时通讯音视频开发（九）：实时语音通讯的回音及回音消除概述》
• 《即时通讯音视频开发（十）：实时语音通讯的回音消除技术详解》
• 《即时通讯音视频开发（十一）：实时语音通讯丢包补偿技术详解》
• 《即时通讯音视频开发（十二）：多人实时音视频聊天架构探讨》
• 《即时通讯音视频开发（十三）：实时视频编码H.264的特点与优势》
• 《即时通讯音视频开发（十四）：实时音视频数据传输协议介绍》
• 《即时通讯音视频开发（十五）：聊聊P2P与实时音视频的应用情况》
• 《即时通讯音视频开发（十六）：移动端实时音视频开发的几个建议》
• 《即时通讯音视频开发（十七）：视频编码H.264、V8的前世今生》
• 《即时通讯音视频开发（十八）：详解音频编解码的原理、演进和应用选型》
• 《即时通讯音视频开发（十九）：零基础，史上最通俗视频编码技术入门》（必读）
  

3、视频为何需要压缩？

• 未经压缩的数字视频的数据量巨大
• 存储困难：一张DVD只能存储几秒钟的未压缩数字视频。
• 传输困难 1兆的带宽传输一秒的数字电视视频需要大约4分钟。
  

4、主要压缩了什么东西？

原始视频压缩的目的是去除冗余信息，可以去除的冗余包括：

• 空间冗余：图像相邻像素之间有较强的相关性
• 时间冗余：视频序列的相邻图像之间内容相似
• 编码冗余：不同像素值出现的概率不同
• 视觉冗余：人的视觉系统对某些细节不敏感
• 知识冗余：规律性的结构可由先验知识和背景知识得到
  

5、数据压缩是怎么分类的？

• 无损压缩（Lossless）：压缩前、解压缩后图像完全一致X=X'，压缩比低(2:1~3:1)。典型格式例如：Winzip，JPEG-LS。
• 有损压缩（Lossy）：压缩前解压缩后图像不一致X≠X'，压缩比高(10:1~20:1)，利用人的视觉系统的特性。典型格式例如：MPEG-2，H.264/AVC，AVS。
  

6、什么是“编解码器”？

• 编码器（Encoder）：压缩信号的设备或程序；
• 解码器（Decoder）：解压缩信号的设备或程序；
• 编解码器(Codec)：编解码器对。
  

7、编解码的技术流程和原理

7.1编码器中的关键技术

7.2编解码中的关键技术

8、编解码器的实现

编解码器的实现平台：

• 超大规模集成电路VLSI
• ASIC， FPGA
• 数字信号处理器DSP
• 软件
  

编解码器产品：

• 机顶盒
• 数字电视
• 摄像机
• 监控器
  

9、视频编码的标准

编码标准作用：

• 兼容：不同厂家生产的编码器压缩的码流能够被不同厂家的解码器解码
• 高效：标准编解码器可以进行批量生产，节约成本。
  

主流的视频编码标准：

• MPEG-2
• MPEG-4 Simple Profile
• H.264/AVC
• AVS
• VC-1
  

标准化组织：

• ITU：International Telecommunications Union
• VCEG：Video Coding Experts Group
• ISO：International Standards Organization
• MPEG：Motion Picture Experts Group
  

10、视频传输

• 视频传输：通过传输系统将压缩的视频码流从编码端传输到解码端
• 传输系统：互联网，地面无线广播，卫星
  

11、视频传输面临的问题

传输系统不可靠：

• 带宽限制
• 信号衰减
• 噪声干扰
• 传输延迟
  

视频传输出现的问题：

• 不能解码出正确的视频
• 视频播放延迟
  

12、视频传输差错控制

差错控制（Error Control）解决视频传输过程中由于数据丢失或延迟导致的问题。

差错控制技术有：

• 信道编码差错控制技术
• 编码器差错恢复
• 解码器差错隐藏
  

13、视频传输中QoS质量保证参数

• 数据包的端到端的延迟
• 带宽：比特/秒
• 数据包的流失率
• 数据包的延迟时间的波动
  

附录：更多实时音视频技术文章

[1] 开源实时音视频技术WebRTC的文章：
《开源实时音视频技术WebRTC的现状》
《简述开源实时音视频技术WebRTC的优缺点》
《访谈WebRTC标准之父：WebRTC的过去、现在和未来》
《良心分享：WebRTC 零基础开发者教程（中文）[附件下载]》
《WebRTC实时音视频技术的整体架构介绍》
《新手入门：到底什么是WebRTC服务器，以及它是如何联接通话的？》
《WebRTC实时音视频技术基础：基本架构和协议栈》
《浅谈开发实时视频直播平台的技术要点》
《[观点] WebRTC应该选择H.264视频编码的四大理由》
《基于开源WebRTC开发实时音视频靠谱吗？第3方SDK有哪些？》
《开源实时音视频技术WebRTC中RTP/RTCP数据传输协议的应用》
《简述实时音视频聊天中端到端加密（E2EE）的工作原理》
《实时通信RTC技术栈之：视频编解码》
《开源实时音视频技术WebRTC在Windows下的简明编译教程》
《网页端实时音视频技术WebRTC：看起来很美，但离生产应用还有多少坑要填？》
《了不起的WebRTC：生态日趋完善，或将实时音视频技术白菜化》
《腾讯技术分享：微信小程序音视频与WebRTC互通的技术思路和实践》
《融云技术分享：基于WebRTC的实时音视频首帧显示时间优化实践》
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[2] 实时音视频开发的其它精华资料：
《实时语音聊天中的音频处理与编码压缩技术简述》
《网易视频云技术分享：音频处理与压缩技术快速入门》
《学习RFC3550：RTP/RTCP实时传输协议基础知识》
《基于RTMP数据传输协议的实时流媒体技术研究（论文全文）》
《声网架构师谈实时音视频云的实现难点(视频采访)》
《浅谈开发实时视频直播平台的技术要点》
《还在靠“喂喂喂”测试实时语音通话质量？本文教你科学的评测方法！》
《实现延迟低于500毫秒的1080P实时音视频直播的实践分享》
《移动端实时视频直播技术实践：如何做到实时秒开、流畅不卡》
《如何用最简单的方法测试你的实时音视频方案》
《技术揭秘：支持百万级粉丝互动的Facebook实时视频直播》
《简述实时音视频聊天中端到端加密（E2EE）的工作原理》
《移动端实时音视频直播技术详解（一）：开篇》
《移动端实时音视频直播技术详解（二）：采集》
《移动端实时音视频直播技术详解（三）：处理》
《移动端实时音视频直播技术详解（四）：编码和封装》
《移动端实时音视频直播技术详解（五）：推流和传输》
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（原文链接：http://www.cnblogs.com/xkfz007/archive/2012/08/12/2613690.html）

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