视频编码标准格局，AV1/AV2 的开源未来

MPEG-2 是数字视频的"祖师爷"之一，1995 年发布，统治了 DVD 光盘、数字有线电视和卫星电视整整一代。它的压缩效率按今天的标准很平庸（H.264 比它省一半），但专利早已过期，兼容性无懈可击——今天随便一台老旧电视都能解码 MPEG-2。它已经退出主流流媒体，但在广播电视后台仍广泛使用。

H.264 是视频编码史上应用最广的标准。从 2003 年发布至今，它几乎出现在每一个有屏幕的设备里——手机、浏览器、监控、蓝光、视频会议。它相比 MPEG-2 省一半码率，压缩效率在今天看不算高，但兼容性是它真正的王牌：地球上几乎所有能播视频的硬件都内置了 H.264 解码器。

当你要保证"任何人、任何设备都能播"时，H.264 仍是首选。YouTube、Netflix 的默认档、Zoom 的默认编码、手机录制的视频，底层都还是 H.264。它就像视频界的 JPEG——技术上不是最好，但生态太厚，无法被替代。

H.265 本该是 H.264 的接班人——同样画质再省一半码率，原生支持 4K 和 HDR，并行能力优秀。技术上它完全达标。但它栽在专利费上：H.264 只有一个专利池、费用清晰封顶，H.265 的专利却被拆到三个以上的池子里，内容方还要按营收抽成、且无封顶。

结果是 Chrome 和 Firefox 至今不原生支持 H.265 播放，开源社区无法自由分发编解码器，Web 视频生态被迫分裂。H.265 在封闭场景（UHD 蓝光、4K 流媒体的高码率档、iPhone 拍摄）仍然广泛使用，但在开放的 Web 上失败了。这次翻车直接催生了 AV1。H.265 的技术细节见系列第九篇。

VP9 是 Google 在 2013 年推出的免版税编码器，和 H.265 同年发布，压缩效率与 H.265 相当。它的战略意义大于技术意义——Google 用它在 YouTube 和 Chrome 上大规模部署，证明"免版税"路线在工程上可行。VP9 是 AV1 的前奏：它验证了"大公司联合做开放标准"这条路走得通，但也暴露了 Google 一家公司单打独斗的局限（生态单薄、编码速度慢）。AV1 正是在 VP9 的经验上、由整个行业联合打造的升级版。

AV1 由 AOMedia（Alliance for Open Media）于 2018 年发布，创始成员包括 Google、Apple、Netflix、Amazon、Microsoft、Meta、Cisco、Intel——几乎是整个互联网巨头联盟。它的目标只有一个：做一个技术上对标 H.265、但完全免版税的标准，彻底绕开 H.265 的专利泥潭。

AV1 比 H.264 省约 50%–60% 码率，比 H.265 略胜 10%–20%，且零专利费。Netflix 和 YouTube 已大规模用 AV1 转码，新一代硬件（RTX 40+、M3、骁龙 8 Gen 3）都内置 AV1 解码。它是今天 Web 视频开源路线的事实标准。技术细节见本篇 Part 2。

VVC（Versatile Video Coding）是 MPEG 在 2020 年发布的下一代标准，对标 AV1，压缩效率比 H.265 再提升约 40%，原生支持 8K、360° 全景视频。技术上 VVC 很强，但它仍然走 MPEG 的专利路线——许可结构虽然吸取了 H.265 的教训有所简化，但仍要收费。VVC 和 AV1/AV2 的对峙，本质是"专利路线 vs 免版税路线"的延续。VVC 能否避免 H.265 的命运，取决于它的许可政策能不能让浏览器厂商接受。

把上面的格局翻译成日常选择：

一句话：兼容优先选 H.264，体积优先选 H.265 或 AV1，Web 上优先免版税的 AV1。H.265 在个人使用场景仍然可用（手机、本地播放都没问题），它的专利问题主要困扰的是平台方和浏览器厂商，而不是普通用户。

AV1 使用 128×128 的超级块（Superblock），支持多种划分模式：

• 四叉树划分：递归地将块分成 4 个等大子块

• 水平二叉划分：将块水平分成两半

• 垂直二叉划分：将块垂直分成两半

• T 型划分：将块分成 3 个子块（T 形状）

最小编码块大小为 4×4。这种灵活的划分比 HEVC 的纯四叉树更加高效，特别是在处理非方形的运动区域时。

AV1 提供了 61 种帧内预测模式（5 种非方向 + 56 种方向）：

• 非方向模式（5 种）：DC、Vertical、Horizontal、Smooth H、Smooth V

• 方向模式（56 种）：8 个主方向 × 7 个角度插值

此外，AV1 支持帧内预测的滤波：对参考像素进行可选的高通/低通滤波，以提高预测质量。

AV1 支持多种变换类型的组合：

AV1 允许在同一块的不同方向使用不同的变换（称为复合变换选择），这种灵活性是其他编码器不具备的。

AV1 的标志性工具之一。编码流程：

1. 编码器分析原始帧中的胶片颗粒特征

2. 估计颗粒模型参数（粒度、幅度、空间自相关）

3. 将干净图像编码到码流中

4. 码流中携带颗粒参数

5. 解码器在解码后的干净图像上合成颗粒

Netflix 报告称，Film Grain 合成对胶片质感内容可以节省 20%–40% 的比特，同时保持甚至提升视觉质量。

AV1 在相同质量下比 H.264 节省约 50%–60% 的比特，比 HEVC 节省约 10%–20%。但编码复杂度也显著更高：

SVT-AV1 是 Intel 与 Netflix 联合开发的高速 AV1 编码器，通过并行化和算法优化将编码速度提升到实用水平，是今天本地压缩视频的首选 AV1 编码器（见系列相关压缩工具介绍）。

变换与熵编码

AV1 使用单一的变换类型。AV2 引入了多种新变换：

• IST（Integer Sine Transform）：对特定残差模式更高效

• TCQ（Trellis Coded Quantization）：网格编码量化，比标量量化更接近率失真最优

• ATC（Adaptive Transform Coding）：自适应变换编码

• CCTX（Cross-Component Transform Coding）：跨分量变换，利用亮度和色度之间的相关性

扩展的块划分

AV2 在 AV1 的四叉树+二叉树基础上增加了更多划分模式：

• 三叉划分（将块分成 3 等分）

• 更灵活的非方形划分

• 支持更大的变换块

改进的 Film Grain 合成

AV2 的 Film Grain 合成支持更灵活的块大小配置（AV1 固定为 32×32 块 + 64×64 模板），允许对不同区域使用不同粒度的颗粒模型。

空间和体积视频支持

AV2 内置了对空间视频（Spatial Video）和体积视频（Volumetric Video）的支持，为 AR/VR 应用做准备。

根据 AVM 实验结果，AV2 相比 AV1 可以在相同感知质量下节省约 30%–40% 的比特。但需要注意：

• AVM 是实验参考实现，不是最终标准

• 最终 AV2 标准的性能可能有所不同

• 编码复杂度预计比 AV1 更高

• 2020：AOM 启动 AV2 开发

• 2025：规范草案目标完成

• 2026–2028：预计发布最终标准

• 2028–2032：预计硬件解码器普及

• 2030–2035：预计主流流媒体平台采用

1988  H.261 — 视频会议（ISDN）
1993  MPEG-1 — VCD，CD-ROM
1995  MPEG-2 / H.262 — DVD，数字电视
1995  H.263 — 低码率通信
1999  MPEG-4 Part 2 — 对象编码
2003  H.264/AVC — 蓝光，流媒体（统治至今）
2010  VP8 — WebM 项目（Google）
2013  H.265/HEVC — 4K，HDR（专利翻车）
2013  VP9 — YouTube（免版税试探）
2018  AV1 — 开源免版税（行业联盟）
2020  H.266/VVC — 下一代 MPEG 标准
2025+ AV2 — AOM 下一代

同一视频编码标准有不同的实现，质量和速度差异显著：

实际应用中，通常选择预定义的速度预设（ultrafast → placebo）而不是手动调整每个参数。

视频编码标准的选择从来不只是技术问题。

H.264 的普及靠的不只是 50% 的压缩提升，更是 MPEG LA 那套清晰、封顶、对内容方几乎免费的许可结构——让所有人都用得起。 HEVC 的困境是专利许可碎片化的问题：MPEG LA、Velos Media、HEVC Advance 三个专利池各自收费，还有专利持有人单独追讨，导致总许可费不可预测。Google、Apple、Amazon 等公司联合成立 AOM，正是为了打破这个僵局。 AV1 的成功是"行业自救"的典型案例：当专利问题阻碍了行业整体利益时，大公司联手投入数亿美元研发免版税标准。虽然 AV1 的编码器质量花了 5 年才追上来，但生态一旦建立（Netflix、YouTube 开始转码），就形成了正反馈。

技术标准是技术、经济和政治三方面博弈的产物。理解这一点，有助于判断下一个标准（VVC、AV2）的未来走向——VVC 仍走 MPEG 专利路线，AV2 仍走 AOM 免版税路线，两条路线的分野正是 HEVC 翻车埋下的。

技术性能不是选择视频编码标准的唯一因素。生态因素同样关键：

• 专利许可：HEVC 和 VVC 的复杂专利结构推动了 AV1/AV2 的采用

• 浏览器支持：Chrome 和 Firefox 不支持 HEVC，但支持 AV1

• 硬件支持：H.264 的硬件解码器几乎无处不在，AV1 正在快速普及

• 编码速度：H.264 编码最快，AV1/AV2 最慢

• 内容生态：Netflix、YouTube 已大规模部署 AV1