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移動(dòng)流媒體技術(shù)的視頻編碼協(xié)議及標準

馮開(kāi)江 2009/06/26

一、流媒體主要技術(shù)特征

　　近年來(lái)，移動(dòng)數字電視、手機電視、IPTV等數字新媒體迅速涌現，其相關(guān)技術(shù)及標準成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，而流媒體技術(shù)在其中更是一枝獨秀。流媒體是指視頻、聲音等數據以實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議承載，并以連續的流的形式從源端向目的端傳輸，在目的端接收到一定緩存數據后就可以播放出來(lái)的多媒體應用。

　　流媒體采用流式傳輸方式在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器與客戶(hù)端之間進(jìn)行傳輸，它的協(xié)議的設計和制定就是為了實(shí)現流媒體服務(wù)器和客戶(hù)端的通訊，流媒體傳輸協(xié)議無(wú)疑成為流媒體技術(shù)的重中之重。流媒體按傳輸方式的不同分為：順序流（ProgressiveStreaming）傳輸和實(shí)時(shí)流（RealTimeStreaming）傳輸。順序流傳輸是順序下載，在下載文件的同時(shí)用戶(hù)可以觀(guān)看在線(xiàn)媒體，在特定時(shí)刻用戶(hù)只能觀(guān)看已下載的那部分，而不能跳到還未下載的部分。順序流傳輸基于HTTP協(xié)議，也稱(chēng)為HTTP流式傳輸，用標準的WEB服務(wù)器就可以實(shí)現順序流式服務(wù)。實(shí)時(shí)流傳輸基于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）或微軟公司專(zhuān)有的多媒體協(xié)議，實(shí)時(shí)流傳輸能保證媒體信號帶寬與網(wǎng)絡(luò )匹配，使媒體可以被實(shí)時(shí)觀(guān)看。實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP是最典型、最廣泛的服務(wù)于流媒體的傳輸層協(xié)議,通常運行于UDP協(xié)議上，也可以基于A(yíng)AL5/ATM或IPX等無(wú)連接的通信協(xié)議，提供端到端的服務(wù)，與具體的承載網(wǎng)絡(luò )分離。RTP協(xié)議本身包括兩部分：RTP數據傳輸協(xié)議和RTCP傳輸控制協(xié)議。為了可靠、高效地傳送實(shí)時(shí)數據，RTP和RTCP必須配合使用，通常RTCP包的數量占所有傳輸量的5％。RTCP協(xié)議作為RTP協(xié)議的一個(gè)重要的控制補充協(xié)議，以它的反饋機制實(shí)現對流媒體服務(wù)的QoS控制，配合傳輸層協(xié)議，保證了流媒體的實(shí)時(shí)性特征，滿(mǎn)足了在IP網(wǎng)上對QoS的需求。同時(shí)在傳輸包文件中還包含資源預定協(xié)議RSVP（ResourceReservationProtocol）,它通過(guò)預留一部分網(wǎng)絡(luò )資源（帶寬）的措施，在一定程度上為流媒體實(shí)時(shí)流傳輸提供QoS保證。雖說(shuō)在理論上RTP的底層傳輸協(xié)議也可以采用TCP協(xié)議，但在現在的應用中幾乎都采用的是RTP/UDP模式。

　　把流媒體技術(shù)應用到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和終端上，為移動(dòng)用戶(hù)提供在線(xiàn)的不間斷的聲音、影像或動(dòng)畫(huà)等多媒體服務(wù)，而無(wú)須用戶(hù)事先將其下載到本地的技術(shù)稱(chēng)之為移動(dòng)流媒體技術(shù)。我國現在已開(kāi)發(fā)出基于自主知識產(chǎn)權，面向3G和2.75G的移動(dòng)流媒體平臺，并率先在CDMA1X、GPRS等2.5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現了6幀/秒以上流暢音視頻內容實(shí)時(shí)直播、點(diǎn)播和下載播放及互動(dòng)服務(wù)。現在完整的移動(dòng)流媒體平臺，可提供從前端的內容編碼轉換、制作到終端解碼、播放，以及服務(wù)器端內容分發(fā)、播出管理等，而且可以實(shí)現移動(dòng)音視頻短信、移動(dòng)音視頻直播等，從而可以構成了完整的移動(dòng)流媒體產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈。

二、移動(dòng)流媒體核心技術(shù)協(xié)議——H.264協(xié)議

　　移動(dòng)流媒體傳輸視頻數據都采用H.264視頻壓縮算法進(jìn)行壓縮，以適合無(wú)線(xiàn)傳輸的低帶寬編碼(15-25kpbs)可以傳輸更好質(zhì)量的圖像，或者用更少的帶寬傳輸相同質(zhì)量的視頻。

　　H.264/MPEG-4AVC是目前最新、最有前途的視頻壓縮標準。H.264是由ITU-T和ISO/IEC組成的聯(lián)合視頻組（JVT）共同開(kāi)發(fā)的最新國際視頻編碼標準。國際電信聯(lián)盟將其命名為H.264/AVC。國際標準化組織和國際電工委員會(huì )將其稱(chēng)為14496-10/MPEG-4AVC。通過(guò)該標準，在同等圖像質(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標準只有三個(gè)子集:基本子集、主題子集和擴展子集。基本子集是專(zhuān)為視頻會(huì )議應用設計的，這套標準幾近完美，能夠提供強大的差錯隱消技術(shù)。應用該技術(shù)，即使在Internet這樣的易錯網(wǎng)絡(luò )上也可以得到較好的視頻效果，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。主題子集和擴展子集更適合于電視應用（數字廣播、DVD）和延時(shí)顯得并不很重要的視頻流應用。

　　H.264協(xié)議最大的優(yōu)勢體現在以下10個(gè)方面：
  1. 將每個(gè)視頻幀分離成由像素組成的塊；

  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；

  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；

  5. 在同等的還原圖像質(zhì)量的情況下，H.264要比MPEG-4節省50%以上的碼率；

  6. 允許流媒體在更低的帶寬上傳輸，節省帶寬資源適用性強；

  7. 具備從電話(huà)應用到高端廣播和存儲應用的各種類(lèi)型；

  8. 有較強的容錯能力，在質(zhì)量不穩定的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，可以得到較好的質(zhì)量；

  9. 低處理時(shí)延：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時(shí)延必須最小化。在編碼過(guò)程一個(gè)較大的處理時(shí)延會(huì )導致視頻隊列重新組合的混亂。時(shí)延是編碼、網(wǎng)絡(luò )和解碼時(shí)延的總和。為了將時(shí)延最小化，必須在編碼和解碼過(guò)程中進(jìn)行最小時(shí)延的處理；

  10. 優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。
　　H.264編碼的特征在于：
  1. 低碼流：和MPEG-2和MPEG-4ASP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MPEG-2的1/8，MPEG-4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)量的圖像：H.264能提供連續流暢的高質(zhì)量圖像；

  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（NetworkAdaptationLayer），使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò )上傳輸。
　　H.264協(xié)議的優(yōu)勢和特征說(shuō)明，雖然早期的視頻編碼標準如MPEG-4和H.263可以為移動(dòng)應用提供充分的視頻圖像質(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)，因此H.264協(xié)議會(huì )成為移動(dòng)流媒體技術(shù)的核心協(xié)議。

三、移動(dòng)流媒體中的音視頻編碼標準

　　眾所周知，系統之間的互操作性、兼容性和可擴展性至關(guān)重要，而保持這些的關(guān)鍵就是需要制定設備制造商及運營(yíng)商在制造產(chǎn)品及提供服務(wù)過(guò)程中必須遵守共同的開(kāi)放標準。在移動(dòng)流媒體方面，已經(jīng)有數個(gè)音、視頻壓縮標準及基于包傳輸的標準得到了較充分的發(fā)展。而通過(guò)對視頻編碼標準的壓縮效率、可擴展性、容錯能力及占用的運算資源等因素加以折衷考慮可以認為，最適合目前移動(dòng)通信技術(shù)及移動(dòng)終端制造水平的應該是H.264視頻編碼標準。

　　2.1　視頻編碼標準

　　近年來(lái)，國際電信聯(lián)盟VCEG（視頻編碼專(zhuān)家組）和ISO的MPEG（活動(dòng)圖像專(zhuān)家組）的專(zhuān)家們組建了JVT（聯(lián)合視頻小組）共同研究視頻圖像的高效壓縮編碼。他們制定的標準被分別稱(chēng)為H.264和MPEG-4高級視頻編碼。在信息產(chǎn)業(yè)部和中國科學(xué)院支持下，中國音視頻編碼標準化工作組也制定了適合于移動(dòng)流媒體的視頻編碼標準AVS-M。這些編碼標準不僅能夠適應相對惡劣的無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境，還能滿(mǎn)足移動(dòng)流媒體傳輸系統在傳輸質(zhì)量、傳輸速度及傳輸時(shí)延等方面的要求。下面我們首先以AVS-M視頻編碼標準為例，對這些特性加以簡(jiǎn)單的描述：

　　高壓縮比及低運算量

　　一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)信道所能提供的帶寬或數據比特率是受限的，而且與移動(dòng)終端用戶(hù)在無(wú)線(xiàn)鏈路上傳送的總數據量成正比，這就要求流媒體傳輸系統在對流媒體進(jìn)行編碼時(shí)，要有較高的壓縮效率，尤其對視頻編碼更是如此。AVS-M視頻壓縮標準提供了包括宏塊內運動(dòng)矢量，無(wú)限運動(dòng)矢量，幀內預測等視頻壓縮工具，從而可以較好地滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)流媒體應用對高壓縮比的要求。

　　在選擇視頻編碼標準的時(shí)候，不僅要考慮獲得高壓縮比，還要根據目前移動(dòng)終端的硬件環(huán)境考慮到該標準的運算復雜度。采用較高計算復雜度的編解碼標準不僅會(huì )提高移動(dòng)終端的硬件成本，而且由于功耗的增加，會(huì )減少移動(dòng)終端的電源持續時(shí)間。和以前的編碼標準相比，AVS-M的實(shí)現復雜度更加適合無(wú)線(xiàn)流媒體的應用。

　　傳輸速率可擴展性

　　同時(shí)，為了適應各類(lèi)應用對碼速率的要求及無(wú)線(xiàn)鏈路實(shí)際狀況，音視頻編碼器應該能調整諸如幀的大小、幀頻及解析度等參數。AVS-M編碼器就可以通過(guò)調整這些參數，使得編碼后的視頻流具備多樣的數據速率,從而滿(mǎn)足移動(dòng)流媒體應用對編碼器可擴展性的要求。

　　高容錯性

　　相對于有線(xiàn)傳輸信道，移動(dòng)通信所要使用的無(wú)線(xiàn)傳輸信道環(huán)境要惡劣得多，數據包的接收誤碼率要高出幾個(gè)數量級。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感，即使接收到數據包的誤碼率很低，也會(huì )對解碼后的圖像質(zhì)量造成很?chē)乐氐挠绊憽＿@是由于壓縮編碼去掉了原運動(dòng)圖像中所包含的大部分空間域及時(shí)間域上的冗余信息，編碼后的視頻流即使僅僅出現一個(gè)比特的錯誤，也會(huì )使得解碼后的圖像中有很大一部分空間域及時(shí)間域圖像數據受到影響無(wú)法正常解碼顯示。而如果受數據包誤碼影響的幀是作為后面預測幀的參考幀時(shí)，造成一個(gè)數據包的誤碼會(huì )向后面的圖像幀擴散，從而使得解碼后圖像質(zhì)量的惡化情況更加嚴重。為了盡量降低AVS-M視頻流對誤碼的敏感性，以保證壓縮視頻解壓后的恢復質(zhì)量，AVS-M提供了多種抗誤碼工具，承載流媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )傳輸層及底層移動(dòng)通信系統也可以進(jìn)一步改善流媒體傳輸的抗誤碼性能。

　　2.2　音頻編碼標準

　　在音頻編碼標準的制定上，目前無(wú)線(xiàn)多媒體標準組織將注意力集中到幾個(gè)現存的蜂窩通信語(yǔ)音編碼標準上。這些標準包括應用于GSM并得到3GPP支持的AMR(AdaptiveMulti-Rate)編碼算法以及應用于CDMA得到3GPP2支持的EVRC(EnhancedVariableRateCoder)編碼算法，這兩種算法都具有良好的抗誤碼能力。

　　MPEG-4音頻包括如MPEG-4AAC(AdvancedAudioCoding)等音頻編碼標準，以支持寬帶、可擴展音頻通信。

　　2.3　第三代移動(dòng)流媒體傳輸標準

　　3G-324M作為3GPP提出的第三代移動(dòng)通信流媒體傳輸標準，可確保有線(xiàn)視頻傳輸系統與第三代移動(dòng)視頻傳輸系統之間的互操作性。它與ITU-TH.324中的視訊會(huì )議標準有較緊密的聯(lián)系。3G-324M適用于UMTS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的64kbit/s電路交換鏈路，其復用協(xié)議為H.223；控制協(xié)議為H.245；視頻編碼器采用H.264及MPEG-4；缺省語(yǔ)音編碼器則為GSM-AMR和G.723.1。3GPP2將類(lèi)似的標準集應用于3GPP2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電路交換視頻會(huì )議業(yè)務(wù)。最近，3GPP采納了基于IP協(xié)議的流媒體傳輸架構，該協(xié)議規定了控制信令、背景描述、媒體傳輸、媒體封裝及動(dòng)靜態(tài)圖像、語(yǔ)音、文本的編解碼等標準，推薦了基于流媒體技術(shù)的H.264作為MPEG-4視音頻流媒體網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議。

四、結語(yǔ)

　　伴隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)運營(yíng)商可以為用戶(hù)提供基于移動(dòng)流媒體技術(shù)的豐富應用。可以隨時(shí)隨地在移動(dòng)終端上點(diǎn)播和下載高質(zhì)量的音樂(lè )和MTV，收看收聽(tīng)電視臺的直播節目，欣賞精彩的電視劇和電影片，體驗激烈的體育賽事，實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監控和交通路況查詢(xún)，以及開(kāi)展各行各業(yè)的專(zhuān)項應用。移動(dòng)流媒體技術(shù)也是廣電與電信技術(shù)和業(yè)務(wù)融合發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，具有廣電與電信的“雙重屬性”，它的出現也體現了“三網(wǎng)融合”的發(fā)展趨勢。隨著(zhù)技術(shù)的普及和發(fā)展，移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)將在某種程度上改變人們的生活方式，進(jìn)一步開(kāi)拓獲取信息和休閑娛樂(lè )的途徑。隨著(zhù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )和廣播電視內容分發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，特別是3G時(shí)代的到來(lái)，它最高2Mbp的傳輸速率，能達到電視實(shí)時(shí)傳輸的效果，移動(dòng)流媒體增值業(yè)務(wù)已經(jīng)成為話(huà)音業(yè)務(wù)之外重要的利潤增長(cháng)點(diǎn)，對未來(lái)移動(dòng)通信起到一種新的支撐市場(chǎng)的應用，移動(dòng)流媒體增值業(yè)務(wù)將為我們帶來(lái)一個(gè)無(wú)限的前景。

慧聰廣電網(wǎng)


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