IPTV視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比與選擇

關(guān)鍵詞： IPTV , 編解碼 , 視頻

1、引言

IPTV業(yè)務(wù)是指基于寬帶互聯(lián)網(wǎng)與寬帶接入，以機(jī)頂盒或其它具有視頻編解碼能力的數(shù)字化設(shè)備作為終端，通過聚合SP的各種流媒體服務(wù)內(nèi)容和增值應(yīng)用，為用戶提供多種互動(dòng)多媒體服務(wù)的寬帶增值業(yè)務(wù)。

IPTV能否成功開展的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是采用什么樣的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镮PTV業(yè)務(wù)需要在有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下提供清晰的圖像質(zhì)量，對(duì)編碼效率有較高的要求；同時(shí)，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇會(huì)直接影響到整個(gè)IPTV產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，涉及從內(nèi)容編碼到流媒體服務(wù)器以及組播復(fù)制點(diǎn)直至用戶機(jī)頂盒各個(gè)層面，要從某一種編碼格式轉(zhuǎn)換為另一種編碼格式，需要進(jìn)行的系統(tǒng)升級(jí)甚至硬件更換的成本是極其巨大的。也正因?yàn)檫@一點(diǎn)，視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇一直是IPTV業(yè)界關(guān)注的首要問題。

2、視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)簡介

視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)有很多種，目前國內(nèi)IPTV產(chǎn)業(yè)中主要采用了MPEG-4、H.264技術(shù)以及中國提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)AVS這3種標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于H.264和AVS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，MPEG4 ASP在流媒體和IPTV應(yīng)用市場中起步時(shí)間最早，因此產(chǎn)業(yè)化程度最成熟，IPTV設(shè)備提供商的支持也最廣泛；AVS的產(chǎn)業(yè)化程度最低，H.264次之。下面對(duì)這3種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹。

2.1　MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)簡介

運(yùn)動(dòng)圖像專家組（MPEG）于1999年2月正式公布了MPEG-4（ISO/IEC14496）標(biāo)準(zhǔn)第一版本。同年年底公布了MPEG-4第 2版，且于2000年年初正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4與MPEG-1和MPEG-2有著很大的差異，MPEG-4不只是具體壓縮算法，它是針對(duì)數(shù)字電視、交互式繪圖應(yīng)用、交互式多媒體等整合及壓縮技術(shù)的需求而制定的國際標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG-4除采用第一代視頻編碼的核心技術(shù)，如變換編碼、運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、量化、熵編碼外，還提出了一些有創(chuàng)見性的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括：

（1）視頻對(duì)象提取技術(shù)

MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)同以前標(biāo)準(zhǔn)的最顯著的差別在于它是采用基于對(duì)象的編碼理念，即在編碼時(shí)將一幅景物分成若干在時(shí)間和空間上相互聯(lián)系的視頻音頻對(duì)象，分別編碼后再經(jīng)過復(fù)用傳輸?shù)浇邮斩?，然后再?duì)不同的對(duì)象分別解碼，從而組合成所需要的視頻和音頻。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的對(duì)象采用不同的編碼方法和表示方法，又有利于不同數(shù)據(jù)類型間的融合，同時(shí)也便于對(duì)各種對(duì)象進(jìn)行操作及編輯。視頻對(duì)象提?。匆曨l對(duì)象分割）是MPEG-4視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)，也是新一代視頻編碼的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

（2）VOP視頻編碼技術(shù)

視頻對(duì)象平面（VOP，Video Object Plane）是視頻對(duì)象（VO）在某一時(shí)刻的采樣，VOP是MPEG-4視頻編碼的核心概念。MPEG-4在編碼過程中針對(duì)不同VO采用不同的編碼策略，即對(duì)前景VO的壓縮編碼盡可能保留細(xì)節(jié)和平滑；對(duì)背景VO則采用高壓縮率的編碼策略，甚至不予傳輸而在解碼端由其他背景拼接而成。這種基于對(duì)象的視頻編碼不僅克服了第一代視頻編碼中高壓縮率編碼所產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，而且使用戶可與場景交互，從而既提高了壓縮比，又實(shí)現(xiàn)了基于內(nèi)容的交互，為視頻編碼提供了廣闊的發(fā)展空間。MPEG-4支持任意形狀圖像與視頻的編解碼。

（3）視頻編碼可分級(jí)性技術(shù)

MPEG-4通過視頻對(duì)象層（VOL，Video Object Layer）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)分級(jí)編碼。MPEG-4提供了兩種基本分級(jí)工具，即時(shí)域分級(jí)（Temporal Scalability）和空域分級(jí)（Spatial Scalability），此外還支持時(shí)域和空域的混合分級(jí)。每一種分級(jí)編碼都至少有兩層VOL，低層稱為基本層，高層稱為增強(qiáng)層?；緦犹峁┝艘曨l序列的基本信息，增強(qiáng)層提供了視頻序列更高的分辨率和細(xì)節(jié)。

（4）運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

MPEG-4采用I-VOP、P-VOP、B-VOP3種幀格式來表征不同的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償類型。它采用了H.263中的半像素搜索技術(shù)和重疊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，同時(shí)又引入重復(fù)填充（repetitive padding）技術(shù)和修改的塊匹配（modified block matching）技術(shù)以支持任意形狀的VOP區(qū)域。

在MPEG-4視頻編碼中，運(yùn)動(dòng)估計(jì)相當(dāng)耗時(shí)，對(duì)編碼的實(shí)時(shí)性影響很大。因此這里特別強(qiáng)調(diào)快速算法。運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法主要有像素遞歸法和塊匹配法兩大類，前者復(fù)雜度很高，實(shí)際中應(yīng)用較少，后者則在H.263和MPEG中廣泛采用。

2.2　H.264標(biāo)準(zhǔn)簡介

2003年，ITU-T通過了一個(gè)新的數(shù)字視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，即H.264標(biāo)準(zhǔn)，H.264是由ISO/IEC與ITU-T組成的聯(lián)合視頻組制定的新一代視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)。國際電信聯(lián)盟將該系統(tǒng)命名為H.264/AVC，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會(huì)將其稱為14496-10/MPEG-4 AVC。

H.264標(biāo)準(zhǔn)只有3個(gè)子集：基本子集、主體子集和擴(kuò)展子集。基本子集是專為視頻會(huì)議應(yīng)用設(shè)計(jì)的，能夠提供強(qiáng)大的差錯(cuò)隱消技術(shù)，并且支持低延時(shí)編/解碼技術(shù)，使視頻會(huì)議顯得更自然。主體子集和擴(kuò)展子集更適合于電視應(yīng)用（數(shù)字廣播、DVD）和延時(shí)影響不會(huì)太大的視頻流應(yīng)用。

H.264標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）幀內(nèi)預(yù)測編碼

幀內(nèi)編碼用來縮減圖像的空間冗余。為了提高H.264幀內(nèi)編碼的效率，在給定幀中充分利用相鄰宏塊的空間相關(guān)性，相鄰的宏塊通常含有相似的屬性。因此，在對(duì)一給定宏塊編碼時(shí)，首先可以根據(jù)周圍的宏塊預(yù)測，然后對(duì)預(yù)測值與實(shí)際值的差值進(jìn)行編碼，這樣，相對(duì)于直接對(duì)該幀編碼而言，可以大大減小碼率。H.264提供6種模式進(jìn)行4×4像素宏塊預(yù)測，包括1種直流預(yù)測和5種方向預(yù)測，H.264也支持16×16的幀內(nèi)編碼。

（2）幀間預(yù)測編碼

幀間預(yù)測編碼利用連續(xù)幀中的時(shí)間冗余來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償。H.264的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償支持以往的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中的大部分關(guān)鍵特性，而且靈活地添加了更多的功能，除了支持P幀、B幀外，H.264還支持一種新的流間傳送幀——SP幀，碼流中包含SP幀后，能在有類似內(nèi)容但有不同碼率的碼流之間快速切換，同時(shí)支持隨機(jī)接入和快速回放模式。

（3）整數(shù)變換

在變換方面，H.264使用了基于4×4像素塊的類似于DCT的變換，但使用的是以整數(shù)為基礎(chǔ)的空間變換，不存在反變換。與浮點(diǎn)運(yùn)算相比，整數(shù) DCT變換會(huì)引起一些額外的誤差，但因?yàn)镈CT變換后的量化也存在量化誤差，與之相比，整數(shù)DCT變換引起的量化誤差影響并不大。此外，整數(shù)DCT變換還具有減少運(yùn)算量和復(fù)雜度，有利于向定點(diǎn)DSP移植的優(yōu)點(diǎn)。

（4）量化

H.264中可選32種不同的量化步長，這與H.263中有31個(gè)量化步長很相似，但是在H.264中，步長是以12.5%的復(fù)合率遞進(jìn)的，而不是一個(gè)固定常數(shù)。在H.264中，變換系數(shù)的讀出方式也有兩種：之字形（Zigzag）掃描和雙掃描，大多數(shù)情況下使用簡單的之字形掃描；雙掃描僅用于使用較小量化級(jí)的塊內(nèi)，有助于提高編碼效率。

（5）熵編碼

視頻編碼處理的最后一步就是熵編碼，H.264標(biāo)準(zhǔn)采用的熵編碼有兩種：一種是基于內(nèi)容的自適應(yīng)變長編碼（CAVLC）與統(tǒng)一的變長編碼（UVLC）結(jié)合；另一種是基于內(nèi)容的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼（CABAC）。CAVLC與CABAC根據(jù)相臨塊的情況進(jìn)行當(dāng)前塊的編碼，以達(dá)到更好的編碼效率。CABAC比CAVLC壓縮效率高，但要復(fù)雜一些。

2.3　AVS標(biāo)準(zhǔn)簡介

AVS是基于我國創(chuàng)新技術(shù)和部分公開技術(shù)的自主標(biāo)準(zhǔn)，AVS標(biāo)準(zhǔn)包括系統(tǒng)、視頻、音頻、數(shù)字版權(quán)管理等4個(gè)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和一致性測試等支撐標(biāo)準(zhǔn)。2002年在信息產(chǎn)業(yè)部支持下，成立了“數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”工作組（簡稱AVS工作組），在國內(nèi)外上百家企業(yè)和科研單位共同參與下，AVS標(biāo)準(zhǔn)制定工作進(jìn)展順利，其中最重要的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)于2005年通過國家廣電總局測試，2006年1月得到信息產(chǎn)業(yè)部批準(zhǔn)，2月國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)正式頒布，3月1日起實(shí)施。

AVS視頻編解碼的核心技術(shù)包括：8×8整數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預(yù)測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、二維熵編碼等。

（1）變換量化

AVS的8×8變換與量化可以在16位處理器上無失配地實(shí)現(xiàn)，從而克服了H.264之前所有視頻壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)中采用的8×8 DCT變換存在失配的固有問題。而H.264所采用的4×4整數(shù)變換在高分辨率的視頻圖像上的去相關(guān)性能不及8×8的變換有效。AVS采用了64級(jí)量化，可以完全適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對(duì)碼率和質(zhì)量的要求。

（2）幀內(nèi)預(yù)測

AVS的幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)沿襲了H.264幀內(nèi)預(yù)測的思路，用相鄰塊的像素預(yù)測當(dāng)前塊，采用代表空間域紋理方向的多種預(yù)測模式。但AVS亮度和色度幀內(nèi)預(yù)測都是以8×8塊為單位的。亮度塊采用5種預(yù)測模式，色度塊采用4種預(yù)測模式，而這4種模式中又有3種和亮度塊的預(yù)測模式相同。在編碼質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，AVS采用較少的預(yù)測模式，使方案更加簡潔、實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大為降低。

（3）幀間預(yù)測

幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼是混合編碼技術(shù)框架中最重要的部分之一。AVS標(biāo)準(zhǔn)采用了16×16，16×8，8×16和8×8的塊模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，而去除了H.264標(biāo)準(zhǔn)中的8×4，4×8，4×4的塊模式，目的是能更好地刻畫物體運(yùn)動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)搜索的準(zhǔn)確性。較少的塊模式，能降低運(yùn)動(dòng)矢量和塊模式傳輸?shù)拈_銷，從而提高壓縮效率、降低編解碼實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

（4）熵編碼

AVS熵編碼采用自適應(yīng)變長編碼技術(shù)，在AVS熵編碼過程中，所有的語法元素和殘差數(shù)據(jù)都是以指數(shù)哥倫布碼的形式映射成二進(jìn)制比特流。采用指數(shù)哥倫布碼的優(yōu)勢在于：一方面 ，它的硬件復(fù)雜度比較低，可以根據(jù)閉合公式解析碼字，無需查表；另一方面，它可以根據(jù)編碼元素的概率分布靈活地確定以k階指數(shù)哥倫布碼編碼，如果k選得恰當(dāng)，則編碼效率可以逼近信息熵。

3、三種編碼標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比與選擇

3.1　基本性能對(duì)比

3種編碼標(biāo)準(zhǔn)的基本功能對(duì)比如表1：
表1　3種視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的基本功能

這3種主要編碼技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)榘l(fā)布較早，產(chǎn)業(yè)化程度較高，因此產(chǎn)品相對(duì)成熟，內(nèi)容比較豐富、價(jià)格也較低，同時(shí)算法復(fù)雜度較低，但相應(yīng)的問題是編碼效率也相對(duì)較低，需要占用較多的帶寬，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求較高，對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行升級(jí)改造才能滿足其需求。

對(duì)于H.264標(biāo)準(zhǔn)，目前市場上已經(jīng)有多家廠商提供H.264芯片和機(jī)頂盒，產(chǎn)品開始成熟，內(nèi)容也逐漸豐富，而且因?yàn)椴捎昧硕囗?xiàng)提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施，在不影響視頻效果的情況下能夠比MPEG-4節(jié)約39%的碼率，因而占用帶寬較低。例如要達(dá)到標(biāo)清的播放質(zhì)量，MPEG-4編碼需要1.5～2Mbit/s的碼率，而H.264只需要1.2～1.5Mbit/s碼率即可；對(duì)于高清圖像質(zhì)量，MPEG-4編碼的視頻碼率需要 6～8Mbit/s，而H.264只需要4～6Mbit/s。因此采用H.264可以大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，減少網(wǎng)絡(luò)改造的壓力，且在帶寬相同的情況下能夠覆蓋更多的用戶。同時(shí)，由于H.264是由ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合制定的，所以對(duì)解碼兼容性有著明確的定義，具有較強(qiáng)的抗誤碼能力，容易獲得穩(wěn)定的圖像，適用于丟包率高、干擾嚴(yán)重的信道傳輸。不過H.264的算法復(fù)雜度較高，系統(tǒng)開銷也比較大。

AVS是近幾年才提出的視頻標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程落后于H.264。但是AVS的編碼效率與H.264相當(dāng)，而算法復(fù)雜度比H.264明顯低，其編碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的30%；解碼復(fù)雜度相當(dāng)于H.264的70%，軟硬件實(shí)現(xiàn)成本都低于H.264；同時(shí)由于我國掌握主要知識(shí)產(chǎn)權(quán)，專利授權(quán)模式簡單，專利費(fèi)用低，因此可以預(yù)見AVS標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)是支撐國家數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.2　專利費(fèi)用對(duì)比

如果采用國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不得不面臨高昂的專利費(fèi)用的問題。3種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的專利費(fèi)用如表2所示：

表2　3種標(biāo)準(zhǔn)的專利費(fèi)用

可以看出在專利費(fèi)方面AVS占有絕對(duì)的優(yōu)勢。MPEG-4和H.264不僅要收軟硬件的專利費(fèi)，而且還要收取節(jié)目點(diǎn)播費(fèi)用等，如果按照這兩種標(biāo)準(zhǔn)的專利收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，中國龐大用戶群將給運(yùn)營商帶來每年數(shù)以億計(jì)的巨大專利費(fèi)負(fù)擔(dān)；而AVS只收取1元人民幣的象征性費(fèi)用，對(duì)于運(yùn)營商來講非常具有吸引力。

3.3　應(yīng)用情況對(duì)比

從目前的應(yīng)用情況來看，MPEG-4和H.264在中國市場具有一定的發(fā)展優(yōu)勢，在中國電信和中國網(wǎng)通已經(jīng)開展的IPTV試驗(yàn)及商用網(wǎng)中， MPEG4和H.264同時(shí)存在，例如中國電信在上海截止目前已經(jīng)有15萬左右的IPTV用戶，使用的是H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)；廣東電信的IPTV商用網(wǎng)也將實(shí)現(xiàn)MPEG4向H.264標(biāo)準(zhǔn)的整體平移。中國網(wǎng)通現(xiàn)已開展了基于AVS標(biāo)準(zhǔn)的IPTV試驗(yàn)。由于AVS推出較晚，還處于上下游產(chǎn)業(yè)鏈的完善階段，在市場的推廣和開拓方面還有待加強(qiáng)，真正商用有待驗(yàn)證其圖像質(zhì)量、商用情況是否滿足商用要求和產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸成熟。目前3種標(biāo)準(zhǔn)常見的應(yīng)用場景列舉如表3：

表3　3種標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用場景

3.4　三種編碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇

由上面的對(duì)比可以看出，3種編碼標(biāo)準(zhǔn)在性能、設(shè)備成本、產(chǎn)業(yè)化程度及專利費(fèi)用方面都各有千秋，具體選擇哪種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)還需綜合考慮各方面因素。對(duì)于IPTV產(chǎn)業(yè)來說，H.264得到了電信運(yùn)營商及設(shè)備提供商的支持，目前已經(jīng)逐漸占據(jù)市場主流的地位，而AVS憑借低廉的專利費(fèi)優(yōu)勢，長遠(yuǎn)來說對(duì)運(yùn)營商更具誘惑力，同時(shí)又得到了中國政府的支持，今后的應(yīng)用前景將比較樂觀。

4、結(jié)束語

本文討論了目前國內(nèi)IPTV產(chǎn)業(yè)中主要采用的3種編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4、H.264及AVS。通過介紹和對(duì)比這3種標(biāo)準(zhǔn)，可以看出 H.264/AVS是目前主流的選擇。當(dāng)然事物都在不斷發(fā)展，音視頻編解碼技術(shù)也處于不斷演進(jìn)的過程中，因此多種編碼標(biāo)準(zhǔn)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還將繼續(xù)共存。今后的IPTV舞臺(tái)上，編碼標(biāo)準(zhǔn)將花落誰家，讓我們拭目以待。