視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)綜述

標(biāo)簽：視頻傳輸 視頻壓縮編解碼

隨著Internet帶寬的不斷增長(zhǎng),在Internet上傳輸視頻的相關(guān)技術(shù)也成為Internet節(jié)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。目前,許多實(shí)驗(yàn)性的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)都把視頻傳輸?shù)募夹g(shù)和應(yīng)用作為研究的重點(diǎn)課題。在Internet上傳輸視頻有許多困難,其根本的原因在于Internet的無(wú)連接每包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制主要為突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì),不適用于對(duì)連續(xù)媒體流的傳輸。為了在Internet上有效的、高質(zhì)量的傳輸視頻流,需要多種技術(shù)的支持,其中數(shù)字視頻的壓縮編碼技術(shù)是Internet視頻傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外,在多媒體的傳輸、處理、應(yīng)用中還有許多問題：如何在網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻?如何通過手機(jī)上網(wǎng)并接收視頻和圖像?如何對(duì)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行快速有效的檢索?如何對(duì)多媒體信息進(jìn)行統(tǒng)一的存取?等等。

目前視頻流傳輸中最為重要的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)際電聯(lián)的H.261、H.263,運(yùn)動(dòng)靜止圖像專家組的M-JPEG和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織運(yùn)動(dòng)圖像專家組的MPEG系列標(biāo)準(zhǔn),此外在互聯(lián)網(wǎng)上被廣泛應(yīng)用的還有Real-Networks的RealVideo、微軟公司的WMT以及Apple公司的QuickTime等。具體如下：

一、國(guó)際電聯(lián)的H.261、H.263標(biāo)準(zhǔn)

1.H.261

H.261又稱為P*64,其中P為64kb/s的取值范圍,是1到30的可變參數(shù),它最初是針對(duì)在ISDN上實(shí)現(xiàn)電信會(huì)議應(yīng)用特別是面對(duì)面的可視電話和視頻會(huì)議而設(shè)計(jì)的。實(shí)際的編碼算法類似于MPEG算法,但不能與后者兼容。H.261在實(shí)時(shí)編碼時(shí)比MPEG所占用的CPU運(yùn)算量少得多,此算法為了優(yōu)化帶寬占用量,引進(jìn)了在圖像質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)幅度之間的平衡折中機(jī)制,也就是說(shuō),劇烈運(yùn)動(dòng)的圖像比相對(duì)靜止的圖像質(zhì)量要差。因此這種方法是屬于恒定碼流可變質(zhì)量編碼而非恒定質(zhì)量可變碼流編碼。

2.H.263

H.263是國(guó)際電聯(lián)ITU-T的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案,是為低碼流通信而設(shè)計(jì)的。但實(shí)際上這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可用在很寬的碼流范圍,而非只用于低碼流應(yīng)用,它在許多應(yīng)用中可以認(rèn)為被用于取代H.261。H.263的編碼算法與H.261一樣,但做了一些改善和改變,以提高性能和糾錯(cuò)能力。.263標(biāo)準(zhǔn)在低碼率下能夠提供比H.261更好的圖像效果,兩者的區(qū)別有：(1)H.263的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償使用半象素精度,而H.261則用全象素精度和循環(huán)濾波;(2)數(shù)據(jù)流層次結(jié)構(gòu)的某些部分在H.263中是可選的,使得編解碼可以配置成更低的數(shù)據(jù)率或更好的糾錯(cuò)能力;(3)H.263包含四個(gè)可協(xié)商的選項(xiàng)以改善性能;(4)H.263采用無(wú)限制的運(yùn)動(dòng)向量以及基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼;(5)采用事先預(yù)測(cè)和與MPEG中的P-B幀一樣的幀預(yù)測(cè)方法;(6)H.263支持5種分辨率,即除了支持H.261中所支持的QCIF和CIF外,還支持SQCIF、4CIF和16CIF,SQCIF相當(dāng)于QCIF一半的分辨率,而4CIF和16CIF分別為CIF的4倍和16倍。

1998年IUT-T推出的H.263+是H.263建議的第2版,它提供了12個(gè)新的可協(xié)商模式和其他特征,進(jìn)一步提高了壓縮編碼性能。如H.263只有5種視頻源格式,H.263+允許使用更多的源格式,圖像時(shí)鐘頻率也有多種選擇,拓寬應(yīng)用范圍;另一重要的改進(jìn)是可擴(kuò)展性,它允許多顯示率、多速率及多分辨率,增強(qiáng)了視頻信息在易誤碼、易丟包異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸。另外,H.263+對(duì)H.263中的不受限運(yùn)動(dòng)矢量模式進(jìn)行了改進(jìn),加上12個(gè)新增的可選模式,不僅提高了編碼性能,而且增強(qiáng)了應(yīng)用的靈活性。H.263已經(jīng)基本上取代了H.261。

二、M-JPEG

M-JPEG(Motion- Join Photographic Experts Group)技術(shù)即運(yùn)動(dòng)靜止圖像(或逐幀)壓縮技術(shù),廣泛應(yīng)用于非線性編輯領(lǐng)域可精確到幀編輯和多層圖像處理,把運(yùn)動(dòng)的視頻序列作為連續(xù)的靜止圖像來(lái)處理,這種壓縮方式單獨(dú)完整地壓縮每一幀,在編輯過程中可隨機(jī)存儲(chǔ)每一幀,可進(jìn)行精確到幀的編輯,此外M-JPEG的壓縮和解壓縮是對(duì)稱的,可由相同的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。但M-JPEG只對(duì)幀內(nèi)的空間冗余進(jìn)行壓縮。不對(duì)幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮,故壓縮效率不高。采用M-JPEG數(shù)字壓縮格式,當(dāng)壓縮比7:1時(shí),可提供相當(dāng)于Betecam SP質(zhì)量圖像的節(jié)目。

JPEG標(biāo)準(zhǔn)所根據(jù)的算法是基于DCT(離散余弦變換)和可變長(zhǎng)編碼。JPEG的關(guān)鍵技術(shù)有變換編碼、量化、差分編碼、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、霍夫曼編碼和游程編碼等

M-JPEG的優(yōu)點(diǎn)是：可以很容易做到精確到幀的編輯、設(shè)備比較成熟。缺點(diǎn)是壓縮效率不高。

此外,M-JPEG這種壓縮方式并不是一個(gè)完全統(tǒng)一的壓縮標(biāo)準(zhǔn),不同廠家的編解碼器和存儲(chǔ)方式并沒有統(tǒng)一的規(guī)定格式。這也就是說(shuō),每個(gè)型號(hào)的視頻服務(wù)器或編碼板有自己的M-JPEG版本,所以在服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸、非線性制作網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸都根本是不可能的。

三、MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)

MPEG是活動(dòng)圖像專家組(Moving Picture Exports Group)的縮寫,于1988年成立,是為數(shù)字視/音頻制定壓縮標(biāo)準(zhǔn)的專家組,目前已擁有300多名成員,包括IBM、SUN、BBC、NEC、INTEL、ATT等世界知名公司。MPEG組織最初得到的授權(quán)是制定用于“活動(dòng)圖像”編碼的各種標(biāo)準(zhǔn),隨后擴(kuò)充為“及其伴隨的音頻”及其組合編碼。后來(lái)針對(duì)不同的應(yīng)用需求,解除了“用于數(shù)字存儲(chǔ)媒體”的限制,成為現(xiàn)在制定“活動(dòng)圖像和音頻編碼”標(biāo)準(zhǔn)的組織。MPEG組織制定的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有不同的目標(biāo)和應(yīng)用,目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21標(biāo)準(zhǔn)。

1.MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)

MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)于1993年8月公布,用于傳輸1.5Mbps數(shù)據(jù)傳輸率的數(shù)字存儲(chǔ)媒體運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音的編碼。該標(biāo)準(zhǔn)包括五個(gè)部分：

第一部分說(shuō)明了如何根據(jù)第二部分(視頻)以及第三部分(音頻)的規(guī)定,對(duì)音頻和視頻進(jìn)行復(fù)合編碼。第四部分說(shuō)明了檢驗(yàn)解碼器或編碼器的輸出比特流符合前三部分規(guī)定的過程。第五部分是一個(gè)用完整的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的編碼和解碼器。

該標(biāo)準(zhǔn)從頒布的那一刻起,MPEG-1取得一連串的成功,如VCD和MP3的大量使用,Windows95以后的版本都帶有一個(gè)MPEG-1軟件解碼器,可攜式MPEG-1攝像機(jī)等等。

2.MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)

MPEG組織于1994年推出MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)視/音頻服務(wù)與應(yīng)用互操作的可能性?！PEG-2標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視和高清晰度電視在各種應(yīng)用下的壓縮方案和系統(tǒng)層的詳細(xì)規(guī)定,編碼碼率從每秒3兆比特～100兆比特,標(biāo)準(zhǔn)的正式規(guī)范在ISO/IEC13818中。MPEG-2不是MPEG-1的簡(jiǎn)單升級(jí),MPEG-2在系統(tǒng)和傳送方面作了更加詳細(xì)的規(guī)定和進(jìn)一步的完善。MPEG-2特別適用于廣播級(jí)的數(shù)字電視的編碼和傳送,被認(rèn)定為SDTV和HDTV的編碼標(biāo)準(zhǔn)。