什么是電影編碼格式？視頻編碼標準簡史

你有沒有想過，電影院、家庭影院銀幕上為什么會出現色彩鮮艷、圖像清晰逼真的電影畫面？電視機、電腦顯示器為什么能顯示出照片和游戲、視頻？

而這些視頻、圖像居然只需要一條HDMI信號線就能傳輸過去。

我們在聊8K硬盤播放機時候，經常提到一些新的視頻編碼格式，比如AV1、AVS3、H.265、VP9等，以及存在已久的BDMV、ISO、MKV、TS等常見媒體封裝格式。

它們是什么意思呢？

說來話長，事情要從20 世紀 80 年代講起。

1、存儲危急

當時計算機剛進入商用領域，卻面臨致命瓶頸：一張 256 色的 512×512 像素圖像，未經壓縮需占用 256KB 存儲空間 —— 這相當于當時主流軟盤容量的 1/4；美國國家航空航天局（NASA）更頭疼：衛星傳回的一張遙感圖像原始數據達數十MB，當時的硬盤根本無法承載。

現在感覺幾十MB好像非常小，手機隨便拍個照片可能都要十幾MB，手機存儲空間都有1TB的了，二十年前都不敢。比如二十多年前我用這個普拉斯版軟盤，它的整體容量是也只有可憐的2MB……

配套的軟驅已經沒有用武之地了，它來自1999年……

1999年過去了，我很懷念它。所以必須找到壓縮圖像的方法，否則數字圖像技術就是空談。

1986 年，ISO（國際標準化組織）與 IEC（國際電工委員會）聯合成立 JPEG 工作組，集結了 IBM、AT&T、富士通等12家企業的工程師，目標是制定通用靜態圖像壓縮標準。這場任務被業內戲稱為 “給數字圖像減肥”，卻沒人料到會引發持續十年的技術混戰。

2、路線問題

工作組剛成立就分裂成兩派：一派主張采用 “預測編碼”，以日本富士通為代表，算法簡單但壓縮率低；另一派力推 “離散余弦變換（DCT）”，由 IBM 工程師威拉德?博伊爾牽頭，理論壓縮率可達 10:1，但計算復雜度極高。

爭議焦點集中在 “實用性” 上。1987 年的工作組會議上，富士通代表當眾質疑：“DCT 算法需要大型計算機才能運行，普通 PC 根本扛不住，這是實驗室里的奢侈品！”

博伊爾團隊沒有爭辯，而是帶來一臺改裝的 IBM PC/AT—— 他們用匯編語言重寫核心代碼，將一張 1MB 的風景圖壓縮至 100KB，解壓后畫質幾乎無差異?，F場演示讓反對聲瞬間沉默，DCT 算法就此成為 JPEG 的技術核心。

這場勝利背后藏著更深遠的布局：AT&T 實驗室早已為DCT算法申請專利，卻承諾向 JPEG 標準免費授權 —— 其真正目的是通過標準壟斷后續硬件市場，這為后來視頻編碼的專利博弈埋下伏筆。

3、改變世界的 “.jpg”

1992 年，JPEG 標準正式發布，將圖像壓縮率穩定在 5:1 至 20:1 之間，一張 10MB 的原始圖像可壓縮至 500KB 以內。更關鍵的是，它首次實現 “有損壓縮” 的智能權衡：通過忽略人眼不敏感的高頻色彩信息，在體積與畫質間找到黃金平衡點。

標準落地瞬間引發產業地震：柯達相機率先支持 JPEG 格式，銷量半年內翻倍；NASA 的遙感圖像傳輸效率提升 10 倍，火星探測計劃因此提前兩年啟動；互聯網雛形 ARPANET 上，JPEG 圖片占比從不足 1% 飆升至 35%。

“JPEG 不僅是個標準，更是數字圖像的通行證?！?博伊爾在 1994 年接受采訪時說，他或許沒料到，自己研發的 DCT 算法會成為未來30年視頻編碼的技術基石。

4、從圖像到視頻

1988 年，就在 JPEG 即將定稿時，ISO意識到：視頻本質是 “連續的靜態圖像”，JPEG 的 DCT 算法完全可復用。于是 MPEG 工作組應運而生，目標是制定視頻壓縮標準。

MPEG-1 標準（1993 年發布）的核心創新，就是在 JPEG 基礎上增加 “運動估計” 模塊：通過對比相鄰幀的差異，只編碼變化部分，壓縮效率較單純的 JPEG 序列提升 3 倍。這個 “靜態壓縮 + 運動補償” 的組合，正是 H.261、H.264 等后續視頻標準的底層邏輯 —— 可以說，沒有 JPEG 的 DCT 算法，就沒有現代視頻編碼的誕生。

JPEG 的成功讓歐美企業嘗到 “標準壟斷” 的甜頭。盡管 JPEG 本身的核心專利免費，但配套的硬件解碼芯片被 IBM、德州儀器壟斷。90 年代末，中國彩電企業想支持 JPEG 顯示功能，每臺電視需額外支付 5 美元芯片專利費，這與后來 DVD 的18美元 “贖金” 如出一轍。

更隱蔽的是，JPEG 工作組在制定標準時，故意預留了 “專利兼容接口”。2000 年 JPEG 2000 推出時，歐美企業突然宣布：新格式的核心 “小波變換” 算法涉及 237 項專利，使用需繳納每臺設備 2 美元的授權費。

這個舉動為H.265的專利混戰埋下了種子。

5、內訌

2000 年，JPEG 工作組推出升級版 JPEG 2000，壓縮效率比 JPEG 提升 50%，還支持無損壓縮。但這場技術升級卻成了 “自殺式進攻”：一方面，其編解碼速度僅為 JPEG 的 1/3，當時的手機、相機根本無法適配；另一方面，專利費分成引發內訌 ——10 家企業各自成立專利池，收費標準從每臺 1 美元到 5 美元不等，廠商根本不敢用。

最終，這個被工程師們追捧的 “技術優等生”，僅在數字影院、火星探測等小眾領域存活。這場失敗印證了一個真理：技術再先進，若脫離產業實際，終將被市場拋棄，這與后來紅極一時的FLV因Flash衰落的命運驚人相似（好像只有80后才懂）。

當時央視推出一個叫《快樂驛站》的節目，很多春晚經典小品都被做成Flash動畫，令人耳目一新。

6、中國如何破局？

2002 年DVD專利案暴發時，來自中國的工程師突然發現，JPEG 開創的 “DCT + 專利授權” 模式早已被歐美企業復制到視頻領域。AVS 工作組成立后，高文院士團隊的第一個突破，就是在JPEG的DCT算法基礎上，發明 “整數變換” 技術，這樣既保留了壓縮效率，又可以彎道超車，避開歐美專利。

2006年AVS1標準發布時，專利費定為每臺設備1元人民幣，僅為 JPEG 2000的1/14。

更巧妙的是，AVS3 標準中，團隊將 JPEG 2000 的 “小波變換” 與 DCT 結合，創造出 “混合變換” 算法，壓縮效率比 H.265 再提升30%—— 這是對 JPEG 技術的繼承與超越。

7、4K~8K時代

JPEG用DCT算法打開了編碼世界的大門，而MPEG團隊則沿著這條路，將靜態壓縮升級為動態編碼。1993年MPEG-1與JPEG 同時落地，前者成為 VCD的核心（還是80后才懂……），后者統治圖像領域 —— 兩條線索最終在H.264身上交匯。

H.264（AVC）于2003年由 ITU-T 與 ISO 聯合研發，壓縮效率較前代提升 50%，基本是目前最常見的編碼，不過AVC不支持8K分辨率，它一般會封裝成mp4格式（比如“大姐姐.mp4”這種文件形式）。

H.265（HEVC）則是在2013年推出，支持4K/8K，但因專利混戰（3個專利池收費），未來會怎么樣還不好說，老蝸牛不敢妄加推斷。

2013 年谷歌推出了VP9開源編碼，性能比肩 H.265，不過只為了適配 Chrome和Android生態，感覺難成大器。

2018 年AOM聯盟（谷歌、Netflix等）推出了一種勢頭強勁的開源編碼AV1，壓縮效率超過H.265而且還免專利費，經常會用MKV封裝，發布在網絡視頻平臺，國外的禁止訪問就不說了，國內的B站等可以看到。

作為開源編碼，AV1在同等畫質下碼率比H.264（AVC）降低約50%，比 H.265（HEVC）降低約30%。例如，8K 60fps 視頻的AV1碼率可低至 10Mbps以下。

需要注意的是，用電腦播放的話，硬解AV1 需較新的 GPU 或核顯，比如Intel 11代及以上核顯（UHD 700 系、Iris Xe）、Arc A 系列獨顯；AMD RX 6000 系（除 6500XT）、RX 7000 系；NVIDIA RTX 30/40 系；Apple M4 芯片。 軟解解碼8K AV1的話，對CPU性能要求比較高，而且你會發現風扇開始加速旋轉，功耗顯著增加。

而新款專業的硬盤播放機反而比性能更強的普通PC更能流暢播放（畢竟術業有專攻），被動散熱片就可以輕松壓制。

當然視頻編碼技術不僅僅是這些，還有很多影響力不是很大的，或者曇花一現的五花八門各種格式，普通家庭影院玩家和他們應該也沒有什么交集，就不展開說了。

我們最常見的1080P藍光原盤ISO或BDMV里封裝的一般是H.264（AVC），一小部分是微軟主導的基于WMV9升級而來的VC-1，壓縮效率與H.264 接近，但解碼兼容性較弱，因專利授權費比較高，2013年后被 H.264全面取代。

2015年4K藍光標準發布后，H.265（HEVC）成為唯一法定編碼.4K 視頻分辨率是1080P的4倍，原始數據量達每秒1GB以上。H.265 通過64×64 可變編碼單元（H.264 僅16×16固定單元）實現更高壓縮效率，相同畫質下碼率僅為H.264的50%。

借助 H.265 技術，一部2小時的4K影片可壓縮到50GB（雙層藍光碟容量），而H.264 編碼需要100GB以上，目前的藍光碟片裝不下。

以上基本就是數字視頻信號編碼格式的演變簡史了，我覺得未來短時間內AV1會成為主流8K視頻編碼標準。

但是只要三體人還沒打過來，技術就不會停滯，未來肯定還會有更好、更強大的視頻編碼技術，也許是AV2，或者H.266……

至于媒體封裝格式，那又是另外一個故事了（有興趣的話可以留言，我們下次繼續說）。不管怎么樣，只要可以盡情地看電影就好，最后祝你玩得愉快。

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