2024年6月6日发(作者：)

VP8和VP9编码原理

1. 简介

VP8和VP9是一种开源的视频编码标准，由Google开发并发布在BSD许可下。它

们是WebM项目的一部分，并被广泛应用于网络视频、实时通信等领域。本文将详

细解释VP8和VP9的编码原理。

2. 视频编码基础

在深入了解VP8和VP9之前，我们首先需要了解一些视频编码的基础知识。

2.1 帧间压缩

视频是由一系列连续的图像帧组成的，每个图像帧都可以看作是一个静态图像。为

了提高视频的压缩效率，视频编码采用了帧间压缩技术。帧间压缩利用相邻帧之间

的冗余性来减少数据量，从而实现高效率的压缩。

2.2 预测编码

预测编码是帧间压缩的核心思想之一。它利用前后两个相邻帧之间的相似性来预测

当前帧，并只存储预测误差。这样就能够大大减少需要传输或存储的数据量。

2.3 变换与量化

在预测误差的基础上，视频编码还需要进行一系列的变换和量化操作。变换将图像

从时域转换到频域，使得编码器能够更好地处理图像的频域信息。量化则是为了减

少数据量，通过舍弃部分细节信息来实现压缩。

2.4 熵编码

熵编码是视频编码中的最后一步，它利用统计学原理对数据进行编码。熵编码根据

不同符号出现的概率分布来分配不同长度的二进制码字，使得出现概率较高的符号

使用较短的码字，从而进一步减少数据量。

3. VP8编码原理

VP8是Google开发的第一个开源视频编解码器，它采用了基于帧间预测的压缩技

术，并借鉴了H.264/AVC标准。下面将详细介绍VP8的编码原理。

3.1 帧间预测

VP8使用帧间预测来利用相邻帧之间的冗余性。在VP8中，每个帧被划分为一系列

16x16像素块（宏块）。对于每个宏块，VP8通过以下步骤进行预测： - 第一步是

选择最佳参考帧，VP8会从之前的几个已编码帧中选择一个与当前帧相似度最高的

参考帧。 - 第二步是选择最佳预测模式，VP8定义了几种不同的预测模式，包括

水平、垂直、DC和16个方向的运动矢量预测。 - 第三步是计算预测残差，将当

前宏块与预测值进行比较，得到预测残差。

3.2 变换与量化

在得到预测残差后，VP8对每个宏块进行离散余弦变换（DCT），将图像从时域转

换到频域。DCT变换将图像分解成一系列频率分量，其中高频分量表示细节信息，

低频分量表示整体结构。接着，VP8对DCT系数进行量化操作，通过舍弃高频分量

来减少数据量。

3.3 熵编码

在变换与量化之后，VP8使用熵编码对数据进行进一步压缩。VP8采用了两种熵编

码技术：分别是无损编码和有损编码。 - 无损编码使用算术编码来对残差系数进

行编码。算术编码根据残差系数出现的概率分布来分配不同长度的码字，从而实现

高效的压缩。 - 有损编码使用熵编码来对运动矢量、预测模式等信息进行编码。

VP8使用自适应编码算法，根据统计信息动态调整编码表，以达到更好的压缩效果。

3.4 循环滤波

为了进一步提高视频质量，VP8引入了循环滤波技术。循环滤波通过对边界处的像

素进行滤波操作，减少边界伪影和块效应。循环滤波可以使得压缩后的视频更加平

滑和清晰。

4. VP9编码原理

VP9是VP8的升级版本，它在VP8的基础上进行了一系列改进和优化。下面将详细

介绍VP9的编码原理。

4.1 帧间预测

与VP8类似，VP9也采用了帧间预测来利用相邻帧之间的冗余性。但是，VP9引入

了更多的预测模式和更精细的运动估计算法，以提高预测性能和编码效率。

4.2 变换与量化

在预测残差之后，VP9同样使用离散余弦变换（DCT）对每个宏块进行变换。与VP8

不同的是，VP9引入了更高阶的变换，如32x32、16x32和32x16的变换。这些高

阶变换可以更好地处理大尺寸宏块和高频细节。

4.3 熵编码

VP9采用了更先进的熵编码技术来进一步提高压缩效率。VP9使用了多种熵编码模

式，包括有损哈夫曼编码、有损上下文自适应二进制算术编码（CABAC）等。这些

技术能够根据不同数据特性进行自适应编码，从而提高压缩比。

4.4 超级块

为了进一步提高压缩效率，VP9引入了超级块的概念。超级块是由一系列宏块组成

的更大的单元，它能够在更大范围内进行预测和变换。超级块可以提供更好的空间

局部性，并减少预测误差。

4.5 增强型帧

为了进一步降低比特率并提供更好的错误恢复能力，VP9引入了增强型帧

（EFrames）技术。增强型帧是一种特殊的帧类型，它只存储预测误差，并通过参

考前后多个帧进行重建。增强型帧可以在丢失部分数据时仍然保持较好的视频质量。

5. 总结

VP8和VP9是开源的视频编码标准，它们采用了帧间预测、变换与量化、熵编码等

一系列技术来实现高效率的视频压缩。VP9在VP8的基础上进行了改进和优化，引

入了更多先进的技术，如更精细的预测模式、高阶变换、先进的熵编码等。通过深

入理解VP8和VP9的编码原理，我们可以更好地理解视频编码技术，并为实际应用

提供指导。