随着多媒体应用对图像分辨率、图像帧率、实时性的要求越来越高,对视频编解码的性能提出了极大的挑战。此外,在某些特殊的应用场合,如空间通信、深空探索等,由于无线传输带宽有限、空空信道误码率较高、通信易受影响等原因,要在带宽有限且不稳定的信道下传输宝贵的探测图像,同时保证较好的图像质量,是一个迫切需要解决的关键技术。基于以上应用背景,本文深入研究了H.264和HEVC这两种视频编解码标准,并对其中一些关键算法进行了优化和改进,提高了编解码效率;另外还分别搭建了H.264/HEVC高清视频编解码平台,并对其实时性、并行处理等方面的应用进行了研究,主要工作如下:在深入研究H.264编解码框架和所用关键技术的基础上,本文重点对其快速帧间运动估计算法进行了研究。通过分析当前H.264常用的快速运动估计算法的优缺点,提出了基于“局部极值搜索”的运动估计算法。新的算法通过将待搜索区域进行子块分割、子块内部极值搜索、细化搜索等步骤,可以尽可能地避免局部最优对搜索精度的影响,较为准确地获取全局最优点的位置。同时,由于新的算法采用一系列提前终止及阈值跳转策略,在把握全局信息的前提下,获得了较高的搜索速度。实验结果表明该算法提高了H.264的编码效率,具有较好的效果。另外,为了对H.264的实时性应用进行研究,本文还搭建了基于DM6467(ARM+DSP架构)处理器的高清实时编解码平台。并进行了高清镜头驱动、图像采集、自动调光、DSP视频实时编码、网口通信、解码显示等功能模块的开发,最终实现了1080p@30f的H.264实时编解码。实验表明,本平台的输出码率处于较小水平,同时具有很好的实时性,满足了实时应用需求。之后以新一代视频编解码标准HEVC为目标,重点研究了其快速帧间运动估计和无损压缩中的高精度帧内预测算法。帧间运动估计方面,本文将局部匹配搜索与传统的快速搜索算法相结合,提出了基于“多陷阱假设”的运动估计搜索算法。通过将待搜索块进行子块分割、子块复杂度计算、陷阱数目估计、子块粗搜索、精搜索等步骤,本文提出的算法可以在获得较好匹配精度的前提下显著降低搜索复杂度,提高搜索速度。实验表明该算法具有较好的实用价值,非常适合高分辨率图像的实时帧间预测。帧内预测方面,针对HEVC在无损压缩方面性能低于其它标准如H.264/AVC、MPEG等实际情况,为了提高HEVC对不同应用场合的适应性,本文选取了两种比较有代表性的HEVC帧内预测算法进行了研究,分别为:基于“残差域差分变换”的帧内预测和“基于像素的角度预测”算法。在分析其各自优缺点的基础上,提出了相关改进算法:基于“残差域多模板差分变换”的帧内预测算法-MPRT和基于“单像素自适应角度预测”的帧内预测算法-ADSAP。实验表明,本文所提出的算法,无论在压缩增益、编码速度还是解码速度方面均优于其它的典型算法,体现了其优越性。随着无损压缩在深空探测、医疗图像保存等应用领域越来越广泛的应用,本文的研究将发挥出重要作用。最后,为了研究HEVC编解码标准的巨大运算复杂度和实际应用中的实时性表现之间的关系,本文搭建了基于DSPC-8681(4片C6678多核DSP)开发板的1080p@60f的实时编码平台。并在该平台上对运算单元数目与编码性能之间的关系进行了相关实验。在对实验结果进行分析的基础上,探讨了HEVC下一步的发展方向。