什么是电影编码格式？视频编码标准简史

你有没有想过，电影院、家庭影院银幕上为什么会出现色彩鲜艳、图像清晰逼真的电影画面？电视机、电脑显示器为什么能显示出照片和游戏、视频？

而这些视频、图像居然只需要一条HDMI信号线就能传输过去。

我们在聊8K硬盘播放机时候，经常提到一些新的视频编码格式，比如AV1、AVS3、H.265、VP9等，以及存在已久的BDMV、ISO、MKV、TS等常见媒体封装格式。

它们是什么意思呢？

说来话长，事情要从20 世纪 80 年代讲起。

1、存储危急

当时计算机刚进入商用领域，却面临致命瓶颈：一张 256 色的 512×512 像素图像，未经压缩需占用 256KB 存储空间 —— 这相当于当时主流软盘容量的 1/4；美国国家航空航天局（NASA）更头疼：卫星传回的一张遥感图像原始数据达数十MB，当时的硬盘根本无法承载。

现在感觉几十MB好像非常小，手机随便拍个照片可能都要十几MB，手机存储空间都有1TB的了，二十年前都不敢。比如二十多年前我用这个普拉斯版软盘，它的整体容量是也只有可怜的2MB……

配套的软驱已经没有用武之地了，它来自1999年……

1999年过去了，我很怀念它。所以必须找到压缩图像的方法，否则数字图像技术就是空谈。

1986 年，ISO（国际标准化组织）与 IEC（国际电工委员会）联合成立 JPEG 工作组，集结了 IBM、AT&T、富士通等12家企业的工程师，目标是制定通用静态图像压缩标准。这场任务被业内戏称为 “给数字图像减肥”，却没人料到会引发持续十年的技术混战。

2、路线问题

工作组刚成立就分裂成两派：一派主张采用 “预测编码”，以日本富士通为代表，算法简单但压缩率低；另一派力推 “离散余弦变换（DCT）”，由 IBM 工程师威拉德・博伊尔牵头，理论压缩率可达 10:1，但计算复杂度极高。

争议焦点集中在 “实用性” 上。1987 年的工作组会议上，富士通代表当众质疑：“DCT 算法需要大型计算机才能运行，普通 PC 根本扛不住，这是实验室里的奢侈品！”

博伊尔团队没有争辩，而是带来一台改装的 IBM PC/AT—— 他们用汇编语言重写核心代码，将一张 1MB 的风景图压缩至 100KB，解压后画质几乎无差异。现场演示让反对声瞬间沉默，DCT 算法就此成为 JPEG 的技术核心。

这场胜利背后藏着更深远的布局：AT&T 实验室早已为DCT算法申请专利，却承诺向 JPEG 标准免费授权 —— 其真正目的是通过标准垄断后续硬件市场，这为后来视频编码的专利博弈埋下伏笔。

3、改变世界的 “.jpg”

1992 年，JPEG 标准正式发布，将图像压缩率稳定在 5:1 至 20:1 之间，一张 10MB 的原始图像可压缩至 500KB 以内。更关键的是，它首次实现 “有损压缩” 的智能权衡：通过忽略人眼不敏感的高频色彩信息，在体积与画质间找到黄金平衡点。

标准落地瞬间引发产业地震：柯达相机率先支持 JPEG 格式，销量半年内翻倍；NASA 的遥感图像传输效率提升 10 倍，火星探测计划因此提前两年启动；互联网雏形 ARPANET 上，JPEG 图片占比从不足 1% 飙升至 35%。

“JPEG 不仅是个标准，更是数字图像的通行证。” 博伊尔在 1994 年接受采访时说，他或许没料到，自己研发的 DCT 算法会成为未来30年视频编码的技术基石。

4、从图像到视频

1988 年，就在 JPEG 即将定稿时，ISO意识到：视频本质是 “连续的静态图像”，JPEG 的 DCT 算法完全可复用。于是 MPEG 工作组应运而生，目标是制定视频压缩标准。

MPEG-1 标准（1993 年发布）的核心创新，就是在 JPEG 基础上增加 “运动估计” 模块：通过对比相邻帧的差异，只编码变化部分，压缩效率较单纯的 JPEG 序列提升 3 倍。这个 “静态压缩 + 运动补偿” 的组合，正是 H.261、H.264 等后续视频标准的底层逻辑 —— 可以说，没有 JPEG 的 DCT 算法，就没有现代视频编码的诞生。

JPEG 的成功让欧美企业尝到 “标准垄断” 的甜头。尽管 JPEG 本身的核心专利免费，但配套的硬件解码芯片被 IBM、德州仪器垄断。90 年代末，中国彩电企业想支持 JPEG 显示功能，每台电视需额外支付 5 美元芯片专利费，这与后来 DVD 的18美元 “赎金” 如出一辙。

更隐蔽的是，JPEG 工作组在制定标准时，故意预留了 “专利兼容接口”。2000 年 JPEG 2000 推出时，欧美企业突然宣布：新格式的核心 “小波变换” 算法涉及 237 项专利，使用需缴纳每台设备 2 美元的授权费。

这个举动为H.265的专利混战埋下了种子。

5、内讧

2000 年，JPEG 工作组推出升级版 JPEG 2000，压缩效率比 JPEG 提升 50%，还支持无损压缩。但这场技术升级却成了 “自杀式进攻”：一方面，其编解码速度仅为 JPEG 的 1/3，当时的手机、相机根本无法适配；另一方面，专利费分成引发内讧 ——10 家企业各自成立专利池，收费标准从每台 1 美元到 5 美元不等，厂商根本不敢用。

最终，这个被工程师们追捧的 “技术优等生”，仅在数字影院、火星探测等小众领域存活。这场失败印证了一个真理：技术再先进，若脱离产业实际，终将被市场抛弃，这与后来红极一时的FLV因Flash衰落的命运惊人相似（好像只有80后才懂）。

当时央视推出一个叫《快乐驿站》的节目，很多春晚经典小品都被做成Flash动画，令人耳目一新。

6、中国如何破局？

2002 年DVD专利案暴发时，来自中国的工程师突然发现，JPEG 开创的 “DCT + 专利授权” 模式早已被欧美企业复制到视频领域。AVS 工作组成立后，高文院士团队的第一个突破，就是在JPEG的DCT算法基础上，发明 “整数变换” 技术，这样既保留了压缩效率，又可以弯道超车，避开欧美专利。

2006年AVS1标准发布时，专利费定为每台设备1元人民币，仅为 JPEG 2000的1/14。

更巧妙的是，AVS3 标准中，团队将 JPEG 2000 的 “小波变换” 与 DCT 结合，创造出 “混合变换” 算法，压缩效率比 H.265 再提升30%—— 这是对 JPEG 技术的继承与超越。

7、4K~8K时代

JPEG用DCT算法打开了编码世界的大门，而MPEG团队则沿着这条路，将静态压缩升级为动态编码。1993年MPEG-1与JPEG 同时落地，前者成为 VCD的核心（还是80后才懂……），后者统治图像领域 —— 两条线索最终在H.264身上交汇。

H.264（AVC）于2003年由 ITU-T 与 ISO 联合研发，压缩效率较前代提升 50%，基本是目前最常见的编码，不过AVC不支持8K分辨率，它一般会封装成mp4格式（比如“大姐姐.mp4”这种文件形式）。

H.265（HEVC）则是在2013年推出，支持4K/8K，但因专利混战（3个专利池收费），未来会怎么样还不好说，老蜗牛不敢妄加推断。

2013 年谷歌推出了VP9开源编码，性能比肩 H.265，不过只为了适配 Chrome和Android生态，感觉难成大器。

2018 年AOM联盟（谷歌、Netflix等）推出了一种势头强劲的开源编码AV1，压缩效率超过H.265而且还免专利费，经常会用MKV封装，发布在网络视频平台，国外的禁止访问就不说了，国内的B站等可以看到。

作为开源编码，AV1在同等画质下码率比H.264（AVC）降低约50%，比 H.265（HEVC）降低约30%。例如，8K 60fps 视频的AV1码率可低至 10Mbps以下。

需要注意的是，用电脑播放的话，硬解AV1 需较新的 GPU 或核显，比如Intel 11代及以上核显（UHD 700 系、Iris Xe）、Arc A 系列独显；AMD RX 6000 系（除 6500XT）、RX 7000 系；NVIDIA RTX 30/40 系；Apple M4 芯片。 软解解码8K AV1的话，对CPU性能要求比较高，而且你会发现风扇开始加速旋转，功耗显著增加。

而新款专业的硬盘播放机反而比性能更强的普通PC更能流畅播放（毕竟术业有专攻），被动散热片就可以轻松压制。

当然视频编码技术不仅仅是这些，还有很多影响力不是很大的，或者昙花一现的五花八门各种格式，普通家庭影院玩家和他们应该也没有什么交集，就不展开说了。

我们最常见的1080P蓝光原盘ISO或BDMV里封装的一般是H.264（AVC），一小部分是微软主导的基于WMV9升级而来的VC-1，压缩效率与H.264 接近，但解码兼容性较弱，因专利授权费比较高，2013年后被 H.264全面取代。

2015年4K蓝光标准发布后，H.265（HEVC）成为唯一法定编码.4K 视频分辨率是1080P的4倍，原始数据量达每秒1GB以上。H.265 通过64×64 可变编码单元（H.264 仅16×16固定单元）实现更高压缩效率，相同画质下码率仅为H.264的50%。

借助 H.265 技术，一部2小时的4K影片可压缩到50GB（双层蓝光碟容量），而H.264 编码需要100GB以上，目前的蓝光碟片装不下。

以上基本就是数字视频信号编码格式的演变简史了，我觉得未来短时间内AV1会成为主流8K视频编码标准。

但是只要三体人还没打过来，技术就不会停滞，未来肯定还会有更好、更强大的视频编码技术，也许是AV2，或者H.266……

至于媒体封装格式，那又是另外一个故事了（有兴趣的话可以留言，我们下次继续说）。不管怎么样，只要可以尽情地看电影就好，最后祝你玩得愉快。

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