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 校對：姚薇 2004/07/23

緒論

　　H.264/MPEG-4 AVC（H.264）是1995年自MPEG-2視頻壓縮標準發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標準。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開(kāi)發(fā)組共同開(kāi)發(fā)的最新國際視頻編碼標準。通過(guò)該標準，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認為是最有影響力的行業(yè)標準。

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(zhuān)家組（Video Coding Experts Group）提出時(shí)被稱(chēng)為H.26L，在ITU與ISO合作研究后被稱(chēng)為MPEG4 Part10（MPEG4 AVC）或H.264（JVT）。


H.264的高級技術(shù)背景

　　H.264標準的主要目標是：與其它現有的視頻編碼標準相比，在相同的帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖象質(zhì)量。

　　然而，H.264與以前的國際標準如H.263和MPEG-4相比，最大的優(yōu)勢體現在以下四個(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)程可以達到塊的級別。
　　2． 采用空間冗余的方法，對視頻幀的一些原始塊進(jìn)行空間預測、轉換、優(yōu)化和熵編碼（可變長(cháng)編碼）。
　　3． 對連續幀的不同塊采用臨時(shí)存放的方法，這樣，只需對連續幀中有改變的部分進(jìn)行編碼。該算法采用運動(dòng)預測和運動(dòng)補償來(lái)完成。對某些特定的塊，在一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)進(jìn)行了編碼的幀執行搜索來(lái)決定塊的運動(dòng)向量，并由此在后面的編碼和解碼中預測主塊。
　　4． 采用剩余空間冗余技術(shù)，對視頻幀里的殘留塊進(jìn)行編碼。例如：對于源塊和相應預測塊的不同，再次采用轉換、優(yōu)化和熵編碼。

H.264的特征和高級優(yōu)勢
　　H.264是國際標準化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）共同提出的繼MPEG4之后的新一代數字視頻壓縮格式，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)壓縮后的數據量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。
顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節省用戶(hù)的下載時(shí)間和數據流量收費。
　　2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。
　　3．容錯能力強：H.264提供了解決在不穩定網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。
　　4．網(wǎng)絡(luò )適應性強：H.264提供了網(wǎng)絡(luò )適應層（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準如MPEG-4和H.263可以為移動(dòng)應用（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準H.264可以將移動(dòng)應用面擴大和提供更強有力的服務(wù)。

下面介紹幾種運用H.264高級編碼技術(shù)的應用：

VOD下載應用
　　VOD下載應用是通過(guò)Wap或Web門(mén)戶(hù)提供給最終用戶(hù)的。最終用戶(hù)瀏覽媒體門(mén)戶(hù)的時(shí)候，當他們找到一個(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(hù)移動(dòng)終端的內存里面，用戶(hù)可以直接使用移動(dòng)終端離線(xiàn)觀(guān)看該短片。


　　現存的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的視頻短片要花費好幾分鐘（平均4分鐘）。

　　正是因為這個(gè)原因，目前的視頻下載應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(mǎn)足最終用戶(hù)的需求。

　　跟以前的編碼標準如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用就更有吸引力了。服務(wù)供應商和內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。結果是大大縮小了下載時(shí)間或提供更多的數據量。

　　在H.264高級編碼技術(shù)的幫助下，視頻下載應用無(wú)論是對服務(wù)供應商還是對最終用戶(hù)都更加有吸引力。

流式視頻直播應用
　　典型的流式視頻直播應用包括3個(gè)組件：一端是連接到PC的視頻攝像機，中間是視頻分發(fā)平臺，另一端是配備移動(dòng)設備的最終用戶(hù)。目的是使最終用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)該直播的時(shí)候感覺(jué)視頻是直接從攝象機過(guò)來(lái)的，而視頻分發(fā)平臺對用戶(hù)是透明的。利用這樣一個(gè)視頻直播平臺，可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)數的應用，最終用戶(hù)可以通過(guò)手機來(lái)觀(guān)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(chē)流等，私人場(chǎng)所如住房、后院等。


　　雖然這些應用已經(jīng)在移動(dòng)市場(chǎng)已經(jīng)推出，采用的是較少優(yōu)勢的視頻壓縮技術(shù)如 MPEG-4和H.263。因此，高級編碼技術(shù)H.264可以更加有力地推進(jìn)這些應用，如視頻直播。

H.264的關(guān)鍵優(yōu)勢

  • 高效率的帶寬利用：在典型的視頻流會(huì )話(huà)中，大部分的數據傳輸帶寬通常是被視頻成分占用的。在視頻會(huì )話(huà)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(hù)數量的增加（包括家庭PC用戶(hù)和移動(dòng)用戶(hù)），都會(huì )引起數據流量的大幅波動(dòng)。因此，為了使視頻流應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，視頻數據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 )導致視頻隊列重新組合的混亂。延遲是編碼、網(wǎng)絡(luò )和解碼延遲的總和。在實(shí)時(shí)交互應用里，用戶(hù)會(huì )對延遲超過(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(xiàn)的改變、重新組合的視頻和網(wǎng)絡(luò )丟包的情況。


    • 　　1. 預處理：視頻幀噪聲的存在和連續視頻幀的光線(xiàn)改變，對會(huì )嚴重地降低視頻編碼效率。因此，為了降低噪聲和光線(xiàn)改變對視頻編碼效率的影響，必須使用預處理工具。
    　　2. 避免馬賽克：馬賽克通常由一系列運動(dòng)物體的拖尾痕跡的點(diǎn)所組成，而且非常明顯。當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據（例如：使用一個(gè)很大的量化因子），從而引起了馬賽克。因此，這樣的馬賽克應該被消除或減少。
    　　3. 容錯處理：被視頻編碼器壓縮過(guò)的數據流首先分成固定或不同長(cháng)度的包，合成音頻和其它數據類(lèi)型，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。一些數據包在通過(guò)物理鏈路傳輸的過(guò)程中會(huì )丟失或損壞，導致音頻和視頻數據變形。因此，為了保證最小限度的丟失和損壞，必須在編碼過(guò)程對數據進(jìn)行容錯處理。

    MMS帶視頻附件的應用

    　　MMS服務(wù)已經(jīng)在全球范圍被多個(gè)移動(dòng)運營(yíng)商所提供，并且越來(lái)越多的用戶(hù)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用卻非常貧乏。主要原因是受設備的限制，大部分MMS終端不支持大于50Kbytes的附件（任何類(lèi)型），而且，即使是配置較高的終端，配備了大容量的內存，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)布了統一文件，規定了MMS附件不能夠超出以上所規定的大小。
    目前的視頻壓縮技術(shù)的主要限制是：使用移動(dòng)終端的內置攝像機錄一段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(hù)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和視頻應用有機地結合起來(lái)。

    總結

    　　H.264代表了當前業(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)壓縮后的數據量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。
    顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節省用戶(hù)的下載時(shí)間和數據流量收費。
    　　2．高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。
    　　3．容錯能力強：H.264提供了解決在不穩定網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。
    　　4． 網(wǎng)絡(luò )適應性強：H.264提供了網(wǎng)絡(luò )適應層（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


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