在快速发展的OTT（超越顶层）和RTC（实时通信）技术环境中，深入理解编码和解码过程至关重要。这些过程构成了音视频应用中高效数据传输和存储的基础。本文将探讨编码和解码的概念，特别关注两种广泛使用的格式：音频的AAC和视频的H.264。
编码和解码的本质
编码是将信息根据特定规则转换为不同数据格式的过程，而解码则是反向过程。在音视频技术中，编码的主要目的是数据压缩，这对于高效的传输和存储至关重要。
为了说明编码的重要性，让我们考虑一个例子：
想象一下，一个720×1280、25fps的未压缩视频，采用RGBA颜色格式。如果不进行任何处理，这段视频每秒将需要：
720 × 1280 × 25 × 2 字节 ≈ 44 兆字节
这相当于352 Mbps的比特率。如果不进行压缩，这么大的数据量将对网络传输造成巨大的压力。
编解码器：音视频处理的主力军
在音视频技术中，用于编码和解码的工具称为编解码器（coder-decoder）。这些工具主要分为视频编解码器和音频编解码器。
编解码器可以被比作像WinRAR或7-Zip这样的压缩工具，但它们专门用于音视频数据。主要区别有：
- 专业化：音视频编解码器专为多媒体数据设计。
- 效率：它们通常能实现超过100:1的压缩比。
- 质量保留：尽管压缩率很高，它们仍能保持视觉和听觉质量，往往与原始数据在人类感知上难以区分。
AAC：高级音频编码
AAC成立于1997年，是一种高压缩音频编码算法。它基于MPEG-2音频编码技术，并于2000年纳入MPEG-4标准。
AAC的主要特征：
- 高压缩比：AAC相比于AC3或MP3等格式提供更优越的压缩。
- 质量：尽管高压缩，它仍能保持CD品质的声音。
- 变种：AAC有几种变种以适应不同需求，包括AAC LC、AAC HE和AAC HEv2。
AAC类型：
AAC还可以进一步分类为两种类型：
ADIF（音频数据交换格式）：
- 主要用于本地文件存储。
- 解码必须从指定的头部开始。
ADTS（音频数据传输流）：
- 常用于互联网应用。
- 允许从音频流中的任何点开始解码。
- 包含同步字，便于在比特流中轻松识别ADTS头部。
ADTS音频流的结构如下：
... ADTS头 | AAC ES | ADTS头 | AAC ES ...
其中：
- ADTS头包含解码所需的信息，如流标识符、比特率、采样率、通道数和缓冲区大小。
- AAC ES（基本流）包含实际编码的音频数据。
有关AAC的更多详细信息，包括其结构和实施细节，可以参考这份全面的文档。
H.264：高级视频编码
H.264，也称为AVC（高级视频编码），是一种高性能视频编解码器，由于其优秀的压缩能力，已成为行业标准。
H.264的主要特征：
- 高压缩比：H.264相比于早期标准如MPEG-2和MPEG-4提供显著更高的压缩比。
- 效率：在相同图像质量下，H.264的压缩比是MPEG-2的两倍多，是MPEG-4的1.5到2倍。
- 尺寸缩减：平均而言，H.264文件的大小约为相应MPEG-4文件的61%，以及MPEG-2文件的36%。
H.264中的帧类型：
H.264定义了三种类型的帧：
I帧（内编码帧）：
- 完全编码的图片。
- 解码时不依赖其他帧。
P帧（预测帧）：
- 基于与之前的I帧或P帧的差异进行编码。
- 比I帧小。
B帧（双向预测帧）：
- 基于与前后帧的差异进行编码。
- 通常是最小的。
图像组（GoP）：
图像组（GoP）是从一个I帧到下一个I帧的序列。GoP中的所有帧都依赖于I帧进行解码。如果I帧丢失，整个GoP将无法解码。
H.264结构：
H.264被结构为两层：
视频编码层（VCL）：
- 包含压缩的视频数据。
网络抽象层（NAL）：
- 将视频数据打包以进行传输或存储。
- VCL数据在传输或存储前被封装在NAL单元（NALU）中。
NAL单元（NALU）的基本结构如下：
... NALU头 | RBSP | NALU头 | RBSP ...
其中：
- NALU头包含关于RBSP中数据类型的信息。
- RBSP（原始字节序列负载）包含实际的视频数据。
有关H.264/AVC的更深入解释，包括其编码过程、帧类型和结构，可以参考这份详细文档。
结论
理解编码和解码过程对于任何从事OTT和RTC技术工作的人来说都是至关重要的。AAC和H.264目前是音频和视频领域最广泛支持的格式，提供出色的压缩比，同时保持高质量。
随着音视频技术领域的不断发展，新编解码器和标准也在不断被开发。例如，H.265（HEVC）提供了比H.264更好的压缩，而AV1作为一种免版税的替代方案正在兴起。在音频方面，像Opus这样的格式因其灵活性和效率而越来越受欢迎。
紧跟最新编解码器技术的发展对于从事OTT和RTC应用开发的工程师来说至关重要。通过利用这些先进的编码和解码技术，我们能够继续推动数字媒体传输和存储的可能性，为全球用户提供更加沉浸和高质量的音视频体验。