WO2017156740A1 - 逆离散余弦变换的方法及装置、视频编 / 解码方法及框架 - Google Patents
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Definitions
- Discrete Cosine Transform is a mathematical operation closely related to the Fourier transform.
- the Fourier series expansion formula if the function to be expanded is a real function, then the Fourier series contains only the cosine term, and then discretizes it to derive the cosine transform, so it is called the discrete cosine transform.
- the corresponding inverse transform is Inverse Discrete Cosine Transform (IDCT).
- IDCT Inverse Discrete Cosine Transform
- DCT/IDCT is often used in the compression of images and video. It can significantly reduce the correlation of video images. The energy of the signal is mainly concentrated on a few low-frequency coefficients. Most of the high-frequency coefficient values are zero, using quantization and entropy. Encoding can effectively compress its data.
- Various video coding and decoding standards such as MPEG-4, H.264, HEVC, and AVS2 use DCT/IDCT technology in the transform/inverse transform module.
- the present invention provides a method and apparatus for fast inverse discrete cosine transform applied to video coding frameworks and video de-frames of various standards, and a video coding and decoding framework and method, which are applicable to the field of video compression, and can be specifically applied to each A variety of video encoding and decoding standards such as AVS2, MPEG-4, H.264, and/or HEVC, such as 8x8, 16x16, 32x32, 64x64, 16x4, 32x8 in the A VS2 standard. , 4x16, 8x32 and other different sizes of transform blocks.
- Video coding requires discrete cosine transform and inverse discrete cosine transform on the image. Video decoding only needs to be inverse discrete cosine transform.
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Abstract
本申请公开了一种逆离散余弦变换的方法及装置、视频编/解码方法及框架,在反量化扫描系数的过程中记录变换块中非零系数的位置,根据非零系数的位置,判断所述变换块的非零系数分布模式,选择与所述变换块的非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换函数,并根据该函数执行逆离散余弦变换,本发明的技术方案由于不用对零系数进行计算,使得算法的整体速度得到提高;由于在反量化扫描系数的过程中就记录非零系数的位置,降低了算法的复杂度。
Description
说明书 发明名称:逆离散余弦变换的方法及装置、 视频编 /解码方法及框架 技术领域
[0001] 本申请涉及视频编解码领域, 具体涉及一种逆离散余弦变换的方法及装置、 视 频编 /解码方法及框架。
[0002] 背景技术
[0003] 视频编码是指运用数据压缩技术将数字视频数据中的冗余信息去除, 降低表示 原始视频所需的数据量, 以便视频数据的传输与存储。 当前主流的视频压缩标 准都采用了基于块的预测变换混合编码框架, 即通过预测、 变换、 熵编码等方 法消除视频图像中的统计冗余。
[0004] 离散余弦变换 (Discrete Cosine Transform, 简称 DCT) 是一种与傅立叶变换紧 密相关的数学运算。 在傅立叶级数展幵式中, 如果被展幵的函数是实偶函数, 那么其傅立叶级数中只包含余弦项, 再将其离散化可导出余弦变换, 因此称之 为离散余弦变换。 其对应的逆变换为逆离散余弦变换 (Inverse Discrete Cosine Transform, 简称 IDCT) 。 DCT/IDCT常常用于图像、 视频的压缩中, 它可以使 视频图像的相关性明显下降, 信号的能量主要集中在少数低频系数上, 大部分 的高频系数值均为零, 采用量化和熵编码可有效压缩其数据。 MPEG-4、 H.264 、 HEVC、 AVS2等多种视频编解码标准在变换 /反变换模块都采用了 DCT/IDCT 技术。
[0005] 现有的 IDCT算法中, 不仅对变换块中的非零系数点需要进行计算, 对零系数 点也会做冗余的计算, 导致算法整体速度和性能降低。
[0006] 发明内容
[0007] 根据本发明的一方面, 提供一种逆离散余弦变换的方法, 所述方法用于对视频 帧的变换块进行处理, 包括如下过程。
[0008] 位置记录过程: 进行反量化扫描系数, 并在反量化扫描系数的过程中, 记录所 述变换块中非零系数的位置;
[0009] 模式判断过程: 根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零系数分布模式;
[0010] 逆变换过程: 选择与所述变换块的非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换 函数, 并根据该函数执行逆离散余弦变换。
[0011] 根据本发明的第二方面, 提供一种视频编 /解码方法, 包括如下过程。
[0012] 离散余弦变换过程: 对所述变换块进行离散余弦变换;
[0013] 量化扫描系数过程: 对经过离散余弦变换的变换块进行量化扫描;
[0014] 位置记录过程: 进行反量化扫描系数, 并在反量化扫描系数的过程中记录所述 变换块中非零系数的位置;
[0015] 模式判断过程: 根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零系数分布模式; [0016] 逆变换过程: 选择与所述变换块的非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换 函数, 并根据该函数执行逆离散余弦变换; 所述逆离散余弦变换函数不对零系 数进行计算。
[0017] 根据本发明的第三方面, 提供一种逆离散余弦变换的装置, 用于对视频帧的变 换块进行处理, 包括: 反量化模块, 用于在进行反量化扫描系数的过程中, 记 录所述变换块中非零系数的位置; 判断模块, 用于根据非零系数的位置, 判断 所述变换块的非零系数分布模式; 逆离散余弦变换模块, 用于选择与所述变换 块的非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换函数, 并根据该函数执行逆离 散余弦变换。
[0018] 根据本发明的第四方面, 提供一种视频编 /解码框架, 包括: 离散余弦变换模 块, 用于对所述变换块进行离散余弦变换; 量化模块, 连接至所述离散余弦变 换模块和所述反量化模块, 用于对经过离散余弦变换的变换块进行量化扫描; 反量化模块, 用于在进行反量化扫描系数的过程中, 记录所述变换块中非零系 数的位置; 判断模块, 连接至所述反量化模块, 用于根据非零系数的位置, 判 断所述变换块的非零系数分布模式; 逆离散余弦变换模块, 连接至所述判断模 块, 用于选择与所述变换块的非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换函数 , 并根据该函数执行逆离散余弦变换; 所述逆离散余弦变换函数不对零系数进 行计算。
[0019] 本发明所提供的快速逆离散余弦变换的方法及装置、 视频编 /解码方法及框架 , 通过在反量化扫描系数的过程中记录所述变换块中非零系数的位置, 从而判
断所述变换块的非零系数分布模式, 进而选择与该非零系数分布模式相对应的 逆离散余弦变换函数, 并根据该函数执行逆离散余弦变换, 可以不用对零系数 进行计算, 使得算法的整体速度得到提高; 由于在反量化扫描系数的过程中就 记录非零系数的位置, 降低了算法的复杂度。
[0020] 附图说明
[0021] 图 1为本发明实施例- 的快速逆离散余弦变换装置的结构示意图;
[0022] 图 2为本发明实施例- 的视频编码框架示意图;
[0023] 图 3为本发明实施例- 的视频解码框架示意图;
[0024] 图 4为本发明实施例- 的编码端快速逆离散余弦变换方法的流程示意图;
[0025] 图 5为本发明实施例- 的变换块非零系数分布模式示意图;
[0026] 图 6为本发明实施例- 的一种逆离散余弦变换原理示意图;
[0027] 图 7为本发明实施例- 的一种逆离散余弦变换原理示意图;
[0028] 图 8为本发明实施例- 在 AVS2编码器上的实验参数设置图;
[0029] 图 9为本发明实施例- 在 AVS2编码器上的实验结果示意图。
[0030] 具体实施方式
[0031] 下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0032] 本发明提供了一种应用于各个标准的视频编码框架与视频解框架的快速逆离散 余弦变换的方法及装置以及视频编解码框架和方法, 适用于视频压缩领域, 具 体可以应用于各种视频编码器与解码器中, 能够满足 AVS2、 MPEG-4、 H.264和 / 或 HEVC等多种视频编解码标准, 例如可处理 A VS2标准中 8x8、 16x16、 32x32、 64x64、 16x4、 32x8、 4x16、 8x32等不同大小的变换块。 视频编码需要对图像做 离散余弦变换以及逆离散余弦变换, 视频解码只需要做逆离散余弦变换。 本发 明的快速逆离散余弦变换的方法及装置、 视频编 /解码方法及框架可以提升视频 编解码技术在逆离散余弦变换阶段的运算速度以及降低视频编解码技术在逆离 散余弦变换阶段的运算复杂度。
[0033] 实施例一:
[0034] 如图 1所示, 本实施例的快速逆离散余弦变换的装置包括顺序连接的离散余弦 变换模块 10、 量化模块 20、 反量化模块 30、 判断模块 40、 逆离散余弦变换模块 5
0, 还包括连接至判断模块 40和逆离散余弦变换模块 50的存储模块 60。
[0035] 本实施例的快速逆离散余弦变换装置属于本发明的视频编 /解码框架的一部分 , 本实施例的快速逆离散余弦变换方法也是本发明的视频编 /解码方法的中间过 程。 如图 2所示为本发明快速逆离散余弦变换过程处于视频编码框架中的逻辑关 系, 图 3所示为本发明快速逆离散余弦变换过程处于视频解码框架中的逻辑关系 , 本发明的视频编码框架以及视频解码框架的基本模式采用现有技术中各个标 准所沿用的技术方案, 但在逆离散余弦变换过程采用本实施例的方法, 从而起 到提升运算速度的效果, 图 2中视频编码框架的编码控制、 帧内预测、 运动补偿 、 运动估计、 熵编码、 后处理等过程都采用常规视频编码框架所用到的技术方 案, 故不再赘述; 图 3中熵解码、 帧内预测、 运动补偿、 环内滤波等过程也采用 常规视频解码框架的技术方案, 故不再赘述。
[0036] 本实施例的快速逆离散余弦变换装置接收到某一帧图像后, 针对该图像的某一 变换块 (Transform
Unit, 简称 TU) , 变换块例如可以是 4x4、 8x8、 16x16、 32x32、 64x64、 4x16、 16x4、 8x32、 32x8、 的像素块, 编码控制中图像可分成多个、 多种变换块, 解 码主要还是根据编码的划分情况还原原像素块。
[0037] 编码端的快速逆离散余弦变换的方法流程示意图如图 4所示, 包括如下步骤: [0038] Sl、 离散余弦变换过程: 离散余弦变换模块 10对该变换块进行离散余弦变换。
[0039] S2、 量化扫描系数过程: 量化模块 20对经过离散余弦变换的变换块进行量化扫 描, 从而减少需要编码 /解码的数据量, 降低数据表示精度, 达到压缩数据的目 的。 本领域技术人员应当理解, 量化模块 20处理的不再是原有的图像像素, 而 是变换过后的系数。
[0040] S3、 位置记录过程: 反量化模块 30对该变换块进行反量化 (Inverse
Quantization, 简称 IQ) 扫描系数从而恢复数据, 并在反量化扫描系数的过程中 记录变换块中非零系数的位置。
[0041] 具体地, 反量化模块 30对变换块的所有系数进行扫描, 若某系数为非零系数, 则对该非零系数进行反量化处理, 同吋记录该非零系数的位置; 若某系数为零 系数, 则不对该零系数进行反量化处理, 并且不记录该零系数的位置。
[0042] 例如, 对于某 16x16大小的变换块, 反量化模块 30会对变换块的 256个系数进行 扫描, 对非零系数进行反量化处理并记录其位置。
[0043] S4、 模式判断过程: 判断模块 40根据非零系数的位置, 判断变换块的非零系数 分布模式。
[0044] 具体地, 存储模块 60中存储有若干非零系数分布模式, 针对某一种类型的变换 块非零系数的位置分布特点, 存储模块 60中存储有与该种类型的非零系数位置 分布特点相对应的非零系数分布模式。
[0045] 模式判断过程具体可以采用如下方式: 根据非零系数的位置, 判断模块 40判断 变换块的非零系数是否位于某一预设范围内; 预设范围具有与其对应的非零系 数分布模式; 若变换块的非零系数位于某一预设范围内, 则判断变换块属于该 预设范围所对应的非零系数分布模式并执行 S5 ; 若变换块不属于任一非零系数 分布模式, 则判断变换块属于普通模式并执行 S6。 预设范围内, 符合预设范围 分布情况的变换块出现的比例较高。
[0046] 如图 5所示为本实施例的一些可以采用的变换块非零系数分布模式示意图, 具 体地, 对于 AVS2标准的 8x8、 16x16、 32x32、 64x64大小的变换块, 当非零系数 集中于变换块的左上角四分之一的范围内 (黑色部分) 吋, 可以将该变换块匹 配为图 5 ( 1) 所示的非零系数分布模式, 其中, 变换块的左上角四分之一的范 围即为预设范围; 对于 16x16、 32x32大小的变换块, 当非零系数分布于变换块 的左上角十六分之一的范围内吋, 可以将该变换块匹配为图 5 (2) 所示的非零 系数分布模式; 对于 16x4、 32x8大小的变换块, 当非零系数分布于变换块的左 方二分之一的范围内吋, 可以将该变换块匹配为图 5 (3) 所示的非零系数分布 模式; 对于 4x16、 8x32大小的变换块, 当非零系数分布于变换块的上方二分之 一的范围内吋, 可以将该变换块匹配为图 5 (4) 所示的非零系数分布模式。
[0047] 若非零系数并没有分布于判断模块 40所定义的任一预设范围内, 则变换块不属 于任一非零系数分布模式, 则判断模块 40将判断变换块属于普通模式。 例如, 非零系数没有集中在图 5所示的任一预设范围内, 而是分散在变换块的各个区域 , 则该变换块属于普通模式。 例如, 16x16变换块的一种预设范围定义为 (x/16 ) >=8或 (X mod 16) >=8, 一旦发现有某个非零系数位置的坐标 (x) 超出预设
范围, 则这个变换块就可以判断为"普通模式"。
[0048] S5、 逆变换过程: 逆离散余弦变换模块 50选择与变换块的非零系数分布模式相 对应的逆离散余弦变换函数, 并根据该函数执行逆离散余弦变换。
[0049] 具体地, 每一种非零系数分布模式都对应有一种逆离散余弦变换函数并存储于 存储模块 60中, 逆离散余弦变换函数只对变换块中的非零系数进行逆离散余弦 变换运算, 而不对零系数进行计算。
[0050] 例如, 某一 64x64大小的变换块对应图 5 ( 1) 所示的非零系数分布模式, 则逆 离散余弦变换模块 50选择到图 5 ( 1) 所示的非零系数分布模式所对应的逆离散 余弦变换函数, 利用该函数对该变换块左上角四分之一范围内的非零系数进行 逆离散余弦变换运算。 若某一 4x16大小的变换块对应图 5 (4) 所示的非零系数 分布模式, 则逆离散余弦变换模块 50选择到图 5 (4) 所示的非零系数分布模式 所对应的逆离散余弦变换函数, 利用该函数对该变换块上方二分之一范围内的 非零系数进行逆离散余弦变换运算。
[0051] 为便于理解, 以下对逆离散余弦变换模块 50选择相应逆离散余弦变换函数并根 据该函数执行变换的原理做简要说明。 如图 6所述, 逆离散余弦变换模块 50选择 出某变换块对应于图 5 (2) 所示的非零系数分布模式, 即图 6 (a) 所示的非零系 数分布模式。 逆离散余弦变换运算中, 第一次运算即从图 6 (a) 到图 6 (b) 的运 算过程, 可以节省原本所需计算量的 15/16, 第二次运算即从图 6 (b) 到图 6 (c ) 的运算过程, 可以节省 3/4的计算量, 整个过程可以节省的计算量为 84.375%。 同理可以得到, 图 5 ( 1) 至图 5 (4) 的逆离散余弦变换对应可节省的计算量分 别为 62.5%、 84.375%、 25%及 25<¾。
[0052] 对于 S5过程, 若一个变换块存在一种以上的非零系数分布模式可选, 则逆离散 余弦变换模块 50将优先级最高的非零系数分布模式确定为当前变换块的非零系 数分布模式。 本实施例具体可以定义, 运算效率越高的非零系数分布模式优先 级越高。
[0053] 如图 7所示的 16x16变换块, 灰色部分表示该块中实际的非零系数分布情况。 根 据图 5可知, 对应该 16x16变换块的非零系数分布模式有图 5 ( 1) 和图 5 (2) 两 种, 此外还有一种不做快速变换的普通模式可供选择。 由于预先已经定义图 5 (
1) 的非零系数分布模式优先级较高, 故逆离散余弦变换模块 50选择图 5 (1) 的 非零系数分布模式对应该变换块, 并执行与图 5 (1) 的非零系数分布模式相应 的逆离散余弦变换运算。
[0054] S6、 由于变换块没有对应的非零系数分布模式, 即变换块属于普通模式, 则逆 离散余弦变换模块 50将对整个变换块执行原始的逆离散余弦变换。
[0055] 对于变换块对应图 5中某一非零系数分布模式的情形, 逆离散余弦变换模块 50 只对预设范围内的非零系数进行逆离散余弦变换运算, 而预设范围之外的区域 不需要进行运算, 减少了计算量以及运算程序所需执行的步骤, 因此使得算法 的整体速度得以加快。 对于普通模式的变换块, 由于逆离散余弦变换模块 50执 行原始的逆离散余弦变换所针对的范围是整个变换块, 即遍历整个变换块并对 非零系数进行逆离散余弦变换运算, 因此没有减少运算量, 也没有提高速度。
[0056] 本领域技术人员应当理解, 解码端不需要进行离散余弦变换过程和量化扫描系 数过程, 因此与图 4相比, 解码端的快速逆离散余弦变换的方法流程不包括 S1和 S2过程, 其它的过程与编码端一致, 故不做赘述。
[0057] 按照图 8中的参数配置, 本实施例在 AVS2 RD12.0的编码平台上的实验结果如 图 9所示。 由于本发明涉及编 /解码过程中的 IDCT、 IQ两个模块, 因此比较速度 吋以 IDCT模块及 IQ模块的总吋间为准, 图 9中的 TS定义为 4个测试 QP下节省吋间 与原耗吋的平均比。 实验表明, 本发明能为 IDCT模块带来显著的速度提升, 在 L DP、 RA两种配置下分别能加速 19.52%、 19.09%。
[0058] 本发明所提供的快速逆离散余弦变换的方法及装置, 通过在反量化扫描系数的 过程中记录所述变换块中非零系数的位置, 从而判断所述变换块的非零系数分 布模式, 进而选择与该非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换函数, 并根 据该函数执行逆离散余弦变换, 具有以下有益效果: 由于不用对零系数进行计 算, 提升了编解码器 /解码器中逆离散余弦变换模块的运算速度, 使得方法及装 置的整体速度与性能得到显著提高; 针对 AVS2中不同大小的变换块都设计了相 应的非零系数分布模式与逆离散余弦变换函数, 因此能够很好地对各类变换块 进行处理; 由于在反量化扫描系数的过程中就记录非零系数的位置, 而不需要 额外设计记录非零系数的位置的过程, 降低了算法的复杂度; 本发明省略了零
系数的 IDCT运算, 而保证了非零系数 (即有效系数) 的运算, 因此在效果上不 会带来任何的质量损失; 本发明提出的快速逆离散余弦变换的方法及装置在编 码器、 解码器中均可适用, 具有广泛的应用前景。
以上内容是结合具体的实施方式对所作的进一步详细说明, 不能认定的具体实 施只局限于这些说明。 对于所属技术领域的普通技术人员来说, 在不脱离构思 的前提下, 还可以做出若干简单推演或替换。
技术问题
问题的解决方案
发明的有益效果
Claims
[权利要求 1] 一种逆离散余弦变换的方法, 所述方法用于对视频帧的变换块进行处 理, 其特征在于, 所述方法包括:
位置记录过程: 进行反量化扫描系数, 并在反量化扫描系数的过程中 记录所述变换块中非零系数的位置;
模式判断过程: 根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零系数分 布模式;
逆变换过程: 选择与所述变换块的非零系数分布模式相对应的逆离散 余弦变换函数, 并根据该函数执行逆离散余弦变换; 所述逆离散余弦 变换函数不对零系数进行计算。
[权利要求 2] 如权利要求 1所述的方法, 其特征在于,
所述模式判断过程具体为:
根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零系数是否位于某一预设 范围内; 所述预设范围具有与其对应的非零系数分布模式; 若所述变换块的非零系数位于某一预设范围内, 则判断所述变换块属 于该预设范围所对应的非零系数分布模式;
若所述变换块不属于任一非零系数分布模式, 则判断所述变换块属于 普通模式。
[权利要求 3] —种视频编 /解码方法, 其特征在于, 包括:
离散余弦变换过程: 对所述变换块进行离散余弦变换;
量化扫描系数过程: 对经过离散余弦变换的变换块进行量化扫描; 位置记录过程: 进行反量化扫描系数, 并在反量化扫描系数的过程中 记录所述变换块中非零系数的位置;
模式判断过程: 根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零系数分 布模式;
逆变换过程: 选择与所述变换块的非零系数分布模式相对应的逆离散 余弦变换函数, 并根据该函数执行逆离散余弦变换; 所述逆离散余弦 变换函数不对零系数进行计算。
[权利要求 4] 如权利要求 3所述的方法, 其特征在于,
所述模式判断过程具体为:
根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零系数是否位于某一预设 范围内; 所述预设范围具有与其对应的非零系数分布模式; 若所述变换块的非零系数位于某一预设范围内, 则判断所述变换块属 于该预设范围所对应的非零系数分布模式;
若所述变换块不属于任一非零系数分布模式, 则判断所述变换块属于 普通模式。
[权利要求 5] 如权利要求 3或 4所述的方法, 其特征在于,
所述方法中视频编 /解码标准为 AVS2、 MPEG-4、 H.264或 HEVC。
[权利要求 6] —种逆离散余弦变换的装置, 所述装置用于对视频帧的变换块进行处 理, 其特征在于, 包括:
反量化模块, 用于在进行反量化扫描系数的过程中, 记录所述变换块 中非零系数的位置; 判断模块, 连接至所述反量化模块, 用于根据非零系数的位置, 判断 所述变换块的非零系数分布模式;
逆离散余弦变换模块, 连接至所述判断模块, 用于选择与所述变换块 的非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换函数, 并根据该函数执 行逆离散余弦变换; 所述逆离散余弦变换函数不对零系数进行计算。
[权利要求 7] 如权利要求 6所述的装置, 其特征在于,
所述判断模块具体用于根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零 系数是否位于某一预设范围内; 所述预设范围具有与其对应的非零系 数分布模式;
若所述变换块的非零系数位于某一预设范围内, 则所述判断模块判断 所述变换块属于该预设范围所对应的非零系数分布模式;
若所述变换块不属于任一非零系数分布模式, 则所述判断模块判断所 述变换块属于普通模式。
[权利要求 8] —种视频编 /解码框架, 其特征在于, 包括:
离散余弦变换模块, 用于对所述变换块进行离散余弦变换;
量化模块, 连接至所述离散余弦变换模块和所述反量化模块, 用于对 经过离散余弦变换的变换块进行量化扫描;
反量化模块, 用于在进行反量化扫描系数的过程中, 记录所述变换块 中非零系数的位置; 判断模块, 连接至所述反量化模块, 用于根据非零系数的位置, 判断 所述变换块的非零系数分布模式;
逆离散余弦变换模块, 连接至所述判断模块, 用于选择与所述变换块 的非零系数分布模式相对应的逆离散余弦变换函数, 并根据该函数执 行逆离散余弦变换; 所述逆离散余弦变换函数不对零系数进行计算。
[权利要求 9] 如权利要求 8所述的框架, 其特征在于,
所述判断模块具体用于根据非零系数的位置, 判断所述变换块的非零 系数是否位于某一预设范围内; 所述预设范围具有与其对应的非零系 数分布模式;
若所述变换块的非零系数位于某一预设范围内, 则所述判断模块判断 所述变换块属于该预设范围所对应的非零系数分布模式;
若所述变换块不属于任一非零系数分布模式, 则所述判断模块判断所 述变换块属于普通模式。
[权利要求 10] 如权利要求 8或 9所述的框架, 其特征在于,
所述框架的视频编 /解码标准为 AVS2、 MPEG-4、 H.264或 HEVC。
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