數位視訊壓縮技術
數位視訊壓縮（也稱視頻編碼）是通過減小視頻檔案體積並將其轉換為適合播放的格式和編碼的過程。編碼的首要目標是減少錄製、儲存和傳輸視頻所需的資料量，從而降低儲存硬體需求、縮短資料轉送時間並減少所需的傳輸頻寬。
數位視訊壓縮是一組用於減少和消除視頻資料中冗餘資訊的方法，使壓縮後的視頻體積遠小於未壓縮視頻。視頻編碼有助於以更小的檔案大小儲存視頻，或通過網路更快速地傳輸。在固定品質和幀率（fps）下，數位視訊壓縮的效果與視頻碼率成正比——編碼後的頻寬越低，壓縮效率越高。
視頻壓縮的工作原理
視頻檔案經過壓縮或編碼後，壓縮後的視頻可以與未壓縮檔保持相同品質，也可能降低品質，分別稱為無損壓縮和有損壓縮格式。
有損壓縮格式
這種數位視訊壓縮格式確保壓縮檔包含的資料少於原始檔案。視頻中反覆出現的顏色和聲音可能被剔除，以刪除被認為不必要的片段。由於資料丟失，檔案體積顯著縮小，因此稱為“有損”。有損壓縮將資料縮減到解壓縮後無法恢複原始資訊的程度，編碼視頻與原始視頻之間的差異稱為偽影。
大多數線上視頻檔案採用有損壓縮，在減小檔案大小的同時保持較高的品質水平。如果視頻保持極高的檔案品質，不僅上傳耗時，網路條件較差的使用者也難以流暢觀看或下載。
無損壓縮格式
無損壓縮是另一種數位視訊壓縮格式，原始版本和壓縮版本幾乎完全相同。這種方法允許從編碼資料中重建未經處理資料，但可用的資料縮減手段有限，壓縮率較低。在編碼過程中不會丟失任何資料。大多數情況下，無損壓縮的效果不如有損壓縮，因為壓縮後的檔案往往與壓縮前大小相同。GIF是無損壓縮的一個例子，但由於其局限性，不適用於監控視頻。
採用無損壓縮看似沒有必要——畢竟壓縮的主要目的就是減小檔案大小。但如果檔案大小不是問題，無損壓縮可以呈現出色的視頻品質。
數位視訊壓縮技術
視頻資料可以表示為一系列靜態幀或隔行視頻的場。映像序列必然包含時間冗餘和空間冗餘，數位視訊壓縮方法可以利用這些冗餘。許多視頻編碼技術採用時間壓縮（針對視訊框架之間的冗餘）和空間壓縮（針對單幀或場內部的冗餘）。
空間壓縮
空間壓縮方法基於靜態映像壓縮。變換方法是最廣泛使用的方法，被各機構採用。該方法將映像分成塊，對每個塊分別進行變換。變換的輸出經過縮放和量化後，由無損熵編碼器對量化資料進行壓縮，產生最終的位元流。最常用的變換技術是離散餘弦變換（DCT）及其變體。其他空間壓縮方法包括分形壓縮、向量編碼、小波變換等。
時間壓縮
時間壓縮是另一種有效數位視訊壓縮技術。它通過分析不同視訊框架之間的關係來工作。如果視頻中沒有運動部分，程式可以執行一條簡短指令，將前一幀的該部分逐位元複製到下一幀。如果演算法檢測到某些像素髮生了變化，則採用相對於前一幀或多幀的預測方法。程式在當前幀的每個地區中搜尋前一幀或多幀中的相似地區。如果找到相似地區，變換編碼器會對差異進行編碼並從目前範圍中去除。當前幀地區的參考值也可以計算為前後幀相似地區的加權和。使用後續幀時，當前幀必須延遲若干幀間隔。
其他常用的視頻壓縮技術包括：
JPEG 格式（JPEG）壓縮
配合MPEG壓縮技術，JPEG是一種基本的數位視訊壓縮技術，針對單幀（靜態）映像進行處理。它是由國際標準組織（ISO）、國際電子電機委員會（IEC）和國際電信聯盟（ITU）提出的視頻編碼通訊協定之一。JPEG 格式（JPEG）成立於20世紀80年代中期，為JPEG標準奠定了基礎。該專家組於1991年發布了JPEG標準的第一個組成部分，最初旨在建立彩色照片壓縮標準；此後，JPEG專家組一直在改進原始JPEG標準和JPEG 2000標準。
假設我們拍攝了一張照片：一個人騎著>機車，背景是樹木。JPEG技術通過去除人眼不易察覺的元素來編碼映像，例如某些顏色（因為人眼對顏色的敏感度不如亮度——亮度調整比顏色變化更容易被察覺）以及映像複雜地區中的一些細節（低頻光線的變化比高頻光線的變化更明顯）。
根據所使用的壓縮率，刪除的資料可能會影響最終映像的品質。這就是為什麼JPEG被稱為有損壓縮方法——部分原始映像資訊會丟失且無法恢複。
Motion JPEG
假設我們用攝像機拍攝同一情境——騎單車的人正在蹬車。攝像機拍攝一系列靜態映像，每張映像都可以使用JPEG演算法進行壓縮。
這種數位視訊壓縮技術稱為Motion JPEG，在20世紀90年代初期被廣泛使用。它通過消除空間冗餘來有效壓縮視頻，但忽略了幀之間共用的映像元素，如背景、樹木等。這些共用內容稱為時間冗餘，可以從視頻中刪除以提高壓縮率。
MPEG 格式（MPEG）
這種數位視訊壓縮技術與JPEG一起，是ISO、IEC和ITU提出的基本數字壓縮技術。MPEG起源於20世紀80年代末成立的MPEG 格式（MPEG），旨在開發運動映像和聲音的壓縮系統。此後，該專家組制定了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4標準，以及MPEG-7和MPEG-21等非多媒體編碼通訊協定。
幀間壓縮演算法的開發旨在消除時間冗餘（“inter”意為“之間”或“之中”），MPEG是其中使用最廣泛的。與JPEG一樣，MPEG壓縮在稱為“宏塊”的基本單元中進行。
每一幀被分割成多個切片，每個切片包含多個宏塊。宏塊由像素塊組成，像素塊是映像中最小的可修改部分。在壓縮過程中，宏塊作為基本對象使用。
MPEG幀可以通過三種方式進行壓縮：
● 幀內編碼（I幀）：視頻被編碼為獨立幀（靜止幀），與後續幀無關。
● 預測性編碼（P幀）：演算法利用前面的I幀或P幀進行預測性編碼，獲得更高的壓縮比（更小的幀）。
● 雙向預測編碼（B幀）：利用前面和後面的I幀或P幀進行預測性編碼，提供最高的壓縮率。
其他進階MPEG格式包括：專為電視廣播和高品質存檔設計的MPEG-2，用於2D和3D網格紋理映射、時變流編碼以及時間、空間和品質延展性演算法的MPEG-4，用於視頻監控的MPEG-7，以及MPEG-21。
H.264
20世紀90年代末，一個名為視頻編碼專家組（VCEG）的新組織建立了一種視頻壓縮標準，旨在將編碼效率大幅提升至遠超現有技術的水平，由此誕生了H.264。它提供了編碼效率、成本和計算複雜度的最新平衡，並具備足夠的靈活性，適用於多種應用情境，包括低速率和高速率視頻、低解析度和高解析度視頻，以及高延遲和低延遲需求。
