H.264編碼和基于H.264的移動(dòng)服務(wù)
Emblaze Systems公司
翻譯：廣州富年電子科技有限公司 潘勇強(qiáng) 校對(duì)：姚薇
2004/07/23
緒論
H.264/MPEG-4 AVC（H.264）是1995年自MPEG-2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開(kāi)發(fā)組共同開(kāi)發(fā)的最新國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
H.264簡(jiǎn)介
H.264的發(fā)展歷史
H.264在1997年ITU的視頻編碼專家組（Video Coding Experts Group）提出時(shí)被稱為H.26L，在ITU與ISO合作研究后被稱為MPEG4 Part10（MPEG4 AVC）或H.264（JVT）。
H.264的高級(jí)技術(shù)背景
H.264標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是：與其它現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同的帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖象質(zhì)量。
然而，H.264與以前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如H.263和MPEG-4相比，最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：
1． 將每個(gè)視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀的編碼處理的過(guò)程可以達(dá)到塊的級(jí)別。
2． 采用空間冗余的方法，對(duì)視頻幀的一些原始?jí)K進(jìn)行空間預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼（可變長(zhǎng)編碼）。
3． 對(duì)連續(xù)幀的不同塊采用臨時(shí)存放的方法，這樣，只需對(duì)連續(xù)幀中有改變的部分進(jìn)行編碼。該算法采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)完成。對(duì)某些特定的塊，在一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)進(jìn)行了編碼的幀執(zhí)行搜索來(lái)決定塊的運(yùn)動(dòng)向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測(cè)主塊。
4． 采用剩余空間冗余技術(shù)，對(duì)視頻幀里的殘留塊進(jìn)行編碼。例如：對(duì)于源塊和相應(yīng)預(yù)測(cè)塊的不同，再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。
H.264的特征和高級(jí)優(yōu)勢(shì)
H.264是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它即保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和精華又具有其他壓縮技術(shù)無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。
1．低碼流（Low Bit Rate）：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。
顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。
2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。
3．容錯(cuò)能力強(qiáng)：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要工具。
4．網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層（Network Adaptation Layer）, 使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸（例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等）。
基于H.264的移動(dòng)服務(wù)
雖然早期的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)如MPEG-4和H.263可以為移動(dòng)應(yīng)用（如視頻流和下載服務(wù)）提供充分的視頻圖象質(zhì)量，但最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264可以將移動(dòng)應(yīng)用面擴(kuò)大和提供更強(qiáng)有力的服務(wù)。
下面介紹幾種運(yùn)用H.264高級(jí)編碼技術(shù)的應(yīng)用：
VOD下載應(yīng)用
VOD下載應(yīng)用是通過(guò)Wap或Web門戶提供給最終用戶的。最終用戶瀏覽媒體門戶的時(shí)候，當(dāng)他們找到一個(gè)要看的視頻短片，就會(huì)點(diǎn)擊該短片的鏈接。這樣，該短片就會(huì)保存到用戶移動(dòng)終端的內(nèi)存里面，用戶可以直接使用移動(dòng)終端離線觀看該短片。
現(xiàn)存的2.5G和3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，如GSM-GPRS，UMTS，CDMA 1XRTT和CDMA 1XEVDO，跟基于Internet寬帶的網(wǎng)絡(luò)帶寬相比，都非常糟糕。因此，下載一個(gè)使用原宥編碼技術(shù)（如MPEG-4和H.263）壓縮的視頻短片就非常慢了。舉個(gè)例子，以64Kbps的速率下載下載一個(gè)1~3M的視頻短片要花費(fèi)好幾分鐘（平均4分鐘）。
正是因?yàn)檫@個(gè)原因，目前的視頻下載應(yīng)用都只是提供很小的視頻短片（一般不會(huì)超過(guò)幾百Kbytes）。如此小的視頻短片所包含的信息往往難以滿足最終用戶的需求。
跟以前的編碼標(biāo)準(zhǔn)如MPEG-4和H.263相比，H.264可以保證在同樣的圖象質(zhì)量下，將壓縮比提高一倍，這樣就使視頻下載應(yīng)用就更有吸引力了。服務(wù)供應(yīng)商和內(nèi)容所有者可以在不損失圖象質(zhì)量的情況下，提供的同樣大小的視頻短片，該短片所包含的信息量大約是以前的2倍。結(jié)果是大大縮小了下載時(shí)間或提供更多的數(shù)據(jù)量。
在H.264高級(jí)編碼技術(shù)的幫助下，視頻下載應(yīng)用無(wú)論是對(duì)服務(wù)供應(yīng)商還是對(duì)最終用戶都更加有吸引力。
流式視頻直播應(yīng)用
典型的流式視頻直播應(yīng)用包括3個(gè)組件：一端是連接到PC的視頻攝像機(jī)，中間是視頻分發(fā)平臺(tái)，另一端是配備移動(dòng)設(shè)備的最終用戶。目的是使最終用戶訪問(wèn)該直播的時(shí)候感覺(jué)視頻是直接從攝象機(jī)過(guò)來(lái)的，而視頻分發(fā)平臺(tái)對(duì)用戶是透明的。利用這樣一個(gè)視頻直播平臺(tái)，可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)的應(yīng)用，最終用戶可以通過(guò)手機(jī)來(lái)觀看需要看的地方，公共場(chǎng)所如迪斯科舞廳、娛樂(lè)中心和高速公路的車流等，私人場(chǎng)所如住房、后院等。
雖然這些應(yīng)用已經(jīng)在移動(dòng)市場(chǎng)已經(jīng)推出，采用的是較少優(yōu)勢(shì)的視頻壓縮技術(shù)如 MPEG-4和H.263。因此，高級(jí)編碼技術(shù)H.264可以更加有力地推進(jìn)這些應(yīng)用，如視頻直播。
H.264的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)
高效率的帶寬利用：在典型的視頻流會(huì)話中，大部分的數(shù)據(jù)傳輸帶寬通常是被視頻成分占用的。在視頻會(huì)話連接期間，在不犧牲圖象質(zhì)量的前提下，由于一系列的原因，如終端用戶數(shù)量的增加（包括家庭PC用戶和移動(dòng)用戶），都會(huì)引起數(shù)據(jù)流量的大幅波動(dòng)。因此，為了使視頻流應(yīng)用在低帶寬下能夠傳輸高質(zhì)量的圖象，就必須使用高效率的視頻壓縮工具。
低處理延遲：為了保證解碼的視頻獲得很好的質(zhì)量，視頻數(shù)據(jù)的處理和傳輸延遲必須最小化。在編碼過(guò)程一個(gè)較大的處理延遲會(huì)導(dǎo)致視頻隊(duì)列重新組合的混亂。延遲是編碼、網(wǎng)絡(luò)和解碼延遲的總和。在實(shí)時(shí)交互應(yīng)用里，用戶會(huì)對(duì)延遲超過(guò)250ms的視頻感到非常厭惡。為了將延遲最小化，必須在編碼和解碼過(guò)程中進(jìn)行最小延遲的處理。
優(yōu)秀的圖象質(zhì)量：在直播應(yīng)用里，視頻圖象質(zhì)量的好壞受多方面因素的影響：包括在視頻源的噪聲和光線的改變、重新組合的視頻和網(wǎng)絡(luò)丟包的情況。
1. 預(yù)處理：視頻幀噪聲的存在和連續(xù)視頻幀的光線改變，對(duì)會(huì)嚴(yán)重地降低視頻編碼效率。因此，為了降低噪聲和光線改變對(duì)視頻編碼效率的影響，必須使用預(yù)處理工具。
2. 避免馬賽克：馬賽克通常由一系列運(yùn)動(dòng)物體的拖尾痕跡的點(diǎn)所組成，而且非常明顯。當(dāng)在非常低的帶寬下進(jìn)行圖象編碼，就會(huì)被迫丟棄大量有用的數(shù)據(jù)（例如：使用一個(gè)很大的量化因子），從而引起了馬賽克。因此，這樣的馬賽克應(yīng)該被消除或減少。
3. 容錯(cuò)處理：被視頻編碼器壓縮過(guò)的數(shù)據(jù)流首先分成固定或不同長(zhǎng)度的包，合成音頻和其它數(shù)據(jù)類型，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。一些數(shù)據(jù)包在通過(guò)物理鏈路傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)丟失或損壞，導(dǎo)致音頻和視頻數(shù)據(jù)變形。因此，為了保證最小限度的丟失和損壞，必須在編碼過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯(cuò)處理。
MMS帶視頻附件的應(yīng)用
MMS服務(wù)已經(jīng)在全球范圍被多個(gè)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所提供，并且越來(lái)越多的用戶開(kāi)始喜歡并大量使用該服務(wù)。然而，一個(gè)基本的特征如視頻短片附件應(yīng)用卻非常貧乏。主要原因是受設(shè)備的限制，大部分MMS終端不支持大于50Kbytes的附件（任何類型），而且，即使是配置較高的終端，配備了大容量的內(nèi)存，也不會(huì)支持大于100Kbytes的附件。
以上限制的原因是OMA委員會(huì)發(fā)布了統(tǒng)一文件，規(guī)定了MMS附件不能夠超出以上所規(guī)定的大小。
目前的視頻壓縮技術(shù)的主要限制是：使用移動(dòng)終端的內(nèi)置攝像機(jī)錄一段10秒的視頻，視頻文件的大小平均為80~100Kbytes。采用目前的視頻壓縮技術(shù)（如MPEG-4和H.263），由于受文件大小的限制，最終用戶就難以通過(guò)MMS附件來(lái)發(fā)送視頻短片了。
由此可以清楚地看出，H.264可以很好地解決以上的這些問(wèn)題，使MMS和視頻應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。
總結(jié)
H.264代表了當(dāng)前業(yè)界最先進(jìn)的視頻壓縮技術(shù)。
1．低碼流（Low Bit Rate）：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。
顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。
2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。
3．容錯(cuò)能力強(qiáng)：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要工具。
4． 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層（Network Adaptation Layer）, 使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸（例如互聯(lián)網(wǎng)，CDMA，GPRS，WCDMA，CDMA2000等）。
廣州富年電子公司供稿 CTI論壇編輯
相關(guān)鏈接: