武漢有線雙向交互式業(yè)務(wù)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)中對(duì)視頻編碼格式選擇的思考

1、武漢有線雙向交互式業(yè)務(wù)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)中對(duì)視頻編碼格式選擇的思考(2008-05)2009-06-08    新聞來(lái)源：武漢電視臺(tái)          鞠宏  武漢廣電數(shù)字網(wǎng)絡(luò)公司技術(shù)總監(jiān)  高級(jí)工程師  廣電交互式業(yè)務(wù)是數(shù)字電視廣播技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它把電視傳播方式與信息技術(shù)集于一身，使觀眾能以新的方式觀看和利用電視節(jié)目?jī)?nèi)容。交互式業(yè)務(wù)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)涉及多種技術(shù)領(lǐng)域中的高科技術(shù)，其主要技術(shù)的正確選取與否直接影響到交互式

2、業(yè)務(wù)開(kāi)展的成敗，這其中最重要的技術(shù)選擇是視頻編碼格式的選擇。武漢的雙向交互式業(yè)務(wù)平臺(tái)選用何種視頻編碼格式，除了要考慮宏觀的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)外，還需要綜合考慮這種選擇的費(fèi)效比。1.視頻編碼格式應(yīng)用現(xiàn)狀目前開(kāi)展雙向交互式業(yè)務(wù)采用的視頻編碼方式主要有MPEG2（帶寬高，但節(jié)目?jī)?nèi)容和數(shù)量都非常豐富）、MPEG4（又稱為H.263、MEPG4-ASP、MPEG4 Part2，將被取代，專利費(fèi)高，僅杭州能提供一定的片源）、H.264（又稱為MPEG4 Part10或MPEG4 AVC，帶寬低，專利費(fèi)較高）和AVS（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前支持廠商較少，內(nèi)容資源也較少）四種。目前，深圳天威采用MEPG2格式開(kāi)展雙向交互式

3、業(yè)務(wù)，僅杭州在現(xiàn)有用戶中采用MPEG4（標(biāo)清）標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展VOD業(yè)務(wù)，同時(shí)杭州計(jì)劃在余下的用戶中采用H.264標(biāo)準(zhǔn)部署雙向交互式業(yè)務(wù)，也采用H.264作為高清VOD業(yè)務(wù)的編碼格式。此外，已采用或準(zhǔn)備采用H.264標(biāo)準(zhǔn)部署雙向交互式業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)上還有：揚(yáng)州、淄博、溫州、紹興等地。在IPTV領(lǐng)域，中國(guó)電信在2005年開(kāi)展IPTV業(yè)務(wù)時(shí)，通過(guò)上海電信研究院進(jìn)行大規(guī)模的測(cè)試，確立H.264為中國(guó)電信IPTV企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；但在07年，中國(guó)電信也開(kāi)始了AVS標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試工作。不過(guò)，在08年6月中國(guó)電信進(jìn)行的IPTV機(jī)頂盒大宗采購(gòu)(57.4萬(wàn)臺(tái))招標(biāo)中，依舊規(guī)定機(jī)頂盒必須使用H.264標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)網(wǎng)通很早就確定采用AVS

4、編碼格式為開(kāi)展IPTV的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。近期，AVS也被確立為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一。在國(guó)際上，在開(kāi)展雙向交互式視頻業(yè)務(wù)中采用H.264格式作為編碼標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是大勢(shì)所趨，DVD 聯(lián)盟、日本廣播電視公司、歐洲D(zhuǎn)VB Steering Board、美國(guó)數(shù)字電視在內(nèi)的眾多機(jī)構(gòu)都已經(jīng)采用或決定采納H.264 標(biāo)準(zhǔn)。支持H.264標(biāo)準(zhǔn)的廠商眾多，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，具有運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模運(yùn)營(yíng)的成熟案例。H.264作為早在05年確立的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)業(yè)鏈的成熟程度是AVS尚不能企及的。2.編碼效率在D1分辨率/SD清晰度相同條件下，幾種編碼標(biāo)準(zhǔn)的比較如表2。表2 幾種編碼標(biāo)準(zhǔn)的編碼效率比較壓縮標(biāo)準(zhǔn)類別MPEG2MPEG4H.264壓縮率

5、約30約200300傳輸速率4Mbps1.1-1.6Mbps0.8-1.1Mbps最小宏塊尺寸16*168*84*4幀類型I/B/PI/B/PI/B/P/SI/SP主要應(yīng)用DVD/DVB交互多媒體新一代媒體格式    可見(jiàn)，編碼效率上和抗干擾能力上均是H.264占優(yōu)。3.編碼設(shè)備投入分析（1）、采用MEPG2編碼格式以24路/64QAM調(diào)制的IPQAM為例，擁有24個(gè)模擬頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)通常擁有38Mbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬速率，按照MPEG2節(jié)目源的峰值3.75Mbs（標(biāo)清）來(lái)看，每個(gè)頻點(diǎn)可以容納10個(gè)VOD MPEG2的節(jié)目（單個(gè)頻點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)資源都是獨(dú)立的），這臺(tái)IPQA

6、M可同時(shí)播放168路節(jié)目。以一個(gè)中等規(guī)模城市為例，市區(qū)用戶數(shù)為20萬(wàn)戶，假設(shè)有30%用戶開(kāi)通了視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)，峰值點(diǎn)播率（即在同一時(shí)間有多少比例的用戶在點(diǎn)播）為50%，那么在同一時(shí)間需要產(chǎn)生的并發(fā)流數(shù)為：20萬(wàn)*30%*50%=3萬(wàn)個(gè)，一個(gè)IPQAM可以支持的并發(fā)流數(shù)為240個(gè)，每臺(tái)可支持的用戶數(shù)為：240/(0.3*0.5)=1600戶，共需要125個(gè)IPQAM設(shè)備。以Seachange服務(wù)器為例，服務(wù)器每臺(tái)可支持2.8Gbps帶寬流的推送，約744個(gè)MPEG2節(jié)目的并發(fā)流（MPEG2的平均碼率3.75Mbps），3萬(wàn)個(gè)并發(fā)流則至少需要40臺(tái)VOD Server。從存儲(chǔ)來(lái)看，一個(gè)1小時(shí)的MPE

7、G2節(jié)目（3.75Mbs碼率），占用的存儲(chǔ)容量約為1.7GB。（2）、采用H.264編碼格式H.264格式按照節(jié)目源峰值1.1Mbs來(lái)看，每個(gè)模擬頻點(diǎn)可以容納34個(gè)VOD H.264的節(jié)目，那這臺(tái)IPQAM則可同時(shí)支持34x 24 = 816路并發(fā)流。以前面同樣的模型按3萬(wàn)個(gè)并發(fā)流計(jì)算，共需要36個(gè)IPQAM設(shè)備，只有MPEG2使用設(shè)備的三分之一。而VOD Server方面，服務(wù)器支持2.8Gbps帶寬流的推送，單服務(wù)器可同時(shí)推送約1500（考慮服務(wù)器過(guò)多流推送而產(chǎn)生50%的效率開(kāi)銷，即2800X55%1500）個(gè)H.264節(jié)目流，3萬(wàn)個(gè)并發(fā)流則只需要20臺(tái)VOD Server，也比采用MPE

8、G2少用一半的設(shè)備。從存儲(chǔ)來(lái)看，一個(gè)1小時(shí)的H.264節(jié)目（1.1Mbs），占用的存儲(chǔ)容量約為500MB，比采用MPEG2節(jié)省約2/3的存儲(chǔ)空間。同時(shí)，此計(jì)算還不包含因此而節(jié)省的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)傳輸費(fèi)用等。（3）數(shù)據(jù)分包處理無(wú)論是采用MPEG2、MPEG4、AVS或者是H.264，在系統(tǒng)層上都是采用TS的封裝方式，只不過(guò)在具體的CDN分發(fā)、存儲(chǔ)及碼流播發(fā)時(shí)，采取了TS Over IP技術(shù)將TS包分拆重新封裝為IP數(shù)據(jù)包，然后通過(guò)IPQAM將IP包重新組織成TS流供機(jī)頂盒使用，或直接通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)供機(jī)頂盒使用；不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)形成的TS流中，不同的只是數(shù)據(jù)包中內(nèi)容的編碼方法。正因?yàn)槿绱?，就VOD系

9、統(tǒng)播出和存儲(chǔ)而言，無(wú)論采用何種編碼方式，其硬件基本沒(méi)有大的區(qū)別，所不同的只是軟件上的差異；也就是說(shuō)從一種編碼方式變化到另外一種編碼方式，往往只需要進(jìn)行軟件上的改變（軟件升級(jí)或者運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買支持某種編碼方式的授權(quán)）。當(dāng)然，對(duì)于需要實(shí)時(shí)編碼的時(shí)移業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，編碼部分可以采用第三方的實(shí)時(shí)編碼器來(lái)加以實(shí)現(xiàn)；即使是帶有實(shí)時(shí)編碼功能的VOD系統(tǒng)，編碼方式的變化也只需要進(jìn)行編碼模塊的硬件更替而已。一般來(lái)說(shuō)，獨(dú)立的實(shí)時(shí)H.264編碼器（或編碼模塊組件）較MEPG2編碼器（或編碼模塊組件）在價(jià)格上高出近20%，但在總體投資中所占比例非常有限；獨(dú)立的實(shí)時(shí)H.264編碼器（或編碼模塊組件）較MPEG4編碼器（編碼模塊）

10、價(jià)格相近，成本差異基本可以忽略不計(jì)。4.專利費(fèi)（許可費(fèi)）MPEG2的專利費(fèi)體系已經(jīng)為大家所熟知，這里就不再進(jìn)行比較和介紹。AVS號(hào)稱“1元專利費(fèi)”，不過(guò)具體的收費(fèi)形式至今尚不明確，有的企業(yè)收到的AVS專利費(fèi)報(bào)價(jià)為H.264的兩倍，也未確定是向設(shè)備廠商收取還是向芯片廠商收取。國(guó)家制定AVS標(biāo)準(zhǔn)的主要目的是防止大筆專利費(fèi)外流外國(guó)企業(yè)，專利池由國(guó)內(nèi)企業(yè)管理。但對(duì)于運(yùn)營(yíng)商自身而言，在經(jīng)濟(jì)上并沒(méi)有明顯的收益，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)所不同的只是繳納費(fèi)用的對(duì)象和費(fèi)用的額度不同而已。各標(biāo)準(zhǔn)的專利費(fèi)也存在隨著時(shí)間的推移而進(jìn)行下降調(diào)整的可能性，這主要是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)之間的競(jìng)爭(zhēng)而造成的專利費(fèi)下降（AVS同H.264標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)

11、，H.264專利池的管理者也在積極考慮進(jìn)一步降低H.264的專利費(fèi)用），以及專利費(fèi)雙方在公開(kāi)專利標(biāo)準(zhǔn)之下協(xié)商談判而妥協(xié)的專利費(fèi)下降。因此，這里主要對(duì)比一下MPEG4和H.264現(xiàn)階段的專利費(fèi)（見(jiàn)表3）。表3 MPEG4和H.264的專利費(fèi)比較專利費(fèi)對(duì)比表格如上表所示，從中可以看出：（1）首先,H.264每臺(tái)解碼設(shè)備比MPEG4 part2便宜0.05美元,這意味著當(dāng)一個(gè)運(yùn)營(yíng)商擁有100萬(wàn)用戶時(shí),使用H.264可以為其節(jié)省5萬(wàn)美元的投資;（2）對(duì)于收費(fèi)點(diǎn)播節(jié)目的專利費(fèi)H.264至少比MPEG4節(jié)省0.02美元/內(nèi)容。按照每個(gè)用戶每周點(diǎn)播1部影片計(jì)算,H.264每年至少比MPEG4 part2節(jié)省

12、104萬(wàn)美元。（3）使用MPEG4 part2同時(shí)還要需要按時(shí)間交費(fèi)（2美分/小時(shí)）,這意味著每個(gè)用戶如果每天看兩個(gè)小時(shí)的節(jié)目,每年需要繳納約15美元。而H.264則無(wú)此方面的專利費(fèi)。（4）最后,H.264還降低了各項(xiàng)專利費(fèi)的入門(mén)難度，有利于運(yùn)營(yíng)商初期業(yè)務(wù)開(kāi)展。l         H.264編解碼器10萬(wàn)以下無(wú)費(fèi)用;而MPEG4為5萬(wàn)以下無(wú)費(fèi)用；l         10萬(wàn)個(gè)包月用戶以內(nèi)無(wú)費(fèi)用;而MPEG4為每個(gè)用戶0.04美元；l

13、60;        每年最高許可費(fèi)用也大大降低；5.業(yè)務(wù)支持和擴(kuò)展性（1）編碼轉(zhuǎn)換武漢有線雙向交互式業(yè)務(wù)技術(shù)平臺(tái)的視頻資源來(lái)源一般有三種：一、平臺(tái)自有視頻節(jié)目資源，為MPEG2格式；二、總臺(tái)視頻節(jié)目資源，為MPEG2、MPEG4、H.264以及模擬視音頻等多種格式；三、其他第三方的各類視頻資源（各節(jié)目商或兄弟單位交流），為MPEG2、H.264或MPEG4格式。若平臺(tái)采用H.264作為編碼標(biāo)準(zhǔn)，平臺(tái)在使用其他不同格式節(jié)目資源時(shí)，必須進(jìn)行編碼格式的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換可以采取手動(dòng)或者自動(dòng)的方式進(jìn)行。首先，我們列出如下主要格式轉(zhuǎn)碼效

14、率的測(cè)試數(shù)據(jù)，如表4。表4 幾種格式的轉(zhuǎn)碼效率項(xiàng)目序號(hào)源格式目標(biāo)格式轉(zhuǎn)碼速度（相對(duì)1 x播放速度）1MPEG-1 352x24029.97fps 1.5Mbps (VCD)AVC/H.264 352x24029.97fps3.5x2MPEG-2 720x48029.97fps 8Mbps (DVD)AVC/H.264 720x48029.97fps1.0x3MPEG-2 1920x108025fps 15Mbps (HDTV)AVC/H.264 1920x108025fps0.3x4MPEG-4 640x48025fps 1.3MbpsAVC/H.264 640x48025fps2.2 x5M

15、PEG-4 1280x72025fps3MbpsAVC/H.264 1280x72025fps0.7x6MPEG-4 1920x81625fps11MbpsAVC/H.264 1920x81625fps 0.5x測(cè)試平臺(tái)：Intel 酷睿2 E6300 2.1Ghz/ 2G DDR2 667 / 250G (SATA2) / GeForce 7300GT從上述測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，若1萬(wàn)小時(shí)的標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目（全部為MPEG2編碼），采用8臺(tái)工作站（含軟件采購(gòu)總價(jià)不超過(guò)15萬(wàn)）每天工作8小時(shí)進(jìn)行H.264轉(zhuǎn)碼，共需要約156天；若節(jié)目源中部分為MPEG4編碼，所需時(shí)間將更少。也就是說(shuō)，保守估計(jì)，

16、在平臺(tái)開(kāi)播后半年時(shí)間內(nèi)，就可以積累至少1萬(wàn)小時(shí)的標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目?jī)?nèi)容，每周可更新節(jié)目在320個(gè)小時(shí)左右。（2）高清VOD的支持和跨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)支持從目前國(guó)內(nèi)國(guó)際的應(yīng)用實(shí)際情況看來(lái)，H.264編碼的TS流實(shí)際上已經(jīng)成為了高清視頻點(diǎn)播的主要格式，也被眾多的知名電影、電視劇制作公司（如索尼、米高梅、華納、TVBS等）作為標(biāo)準(zhǔn)供片格式之一，在互聯(lián)網(wǎng)上甚至可以免費(fèi)下載到大量的該格式視頻文件（當(dāng)然是盜版的）。由于MPEG2雙向機(jī)頂盒只能通過(guò)IPQAM方式傳送視頻流到機(jī)頂盒，隨著用戶數(shù)量的增加，面對(duì)如高清等新業(yè)務(wù)，由于帶寬過(guò)大，導(dǎo)致IPQAM單臺(tái)支持并發(fā)流數(shù)量銳減，必須再大量增加IPQAM設(shè)備，并采用更加邊緣化

17、的網(wǎng)絡(luò)分布式布置方式，投入巨大。而H.264既支持通過(guò)IPQAM傳送視頻到機(jī)頂盒，單臺(tái)支持的并發(fā)流數(shù)量也較MPEG2有較大提高，同時(shí)也支持通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)（LAN或者ADSL等多種方式）傳送到機(jī)頂盒，能夠比較好的支持跨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)，有效的幫助運(yùn)營(yíng)商規(guī)避了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。6. 多種視頻資源的接入前述三類視頻資源來(lái)源也可自動(dòng)式同平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)，邏輯結(jié)構(gòu)如圖11所示，其他格式的視頻資源通過(guò)轉(zhuǎn)碼為H.264格式后，同H.264格式的資源一道通過(guò)內(nèi)容管理上載系統(tǒng)上載到VOD業(yè)務(wù)系統(tǒng)。圖11 視頻資源接入邏輯系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示：圖12 視頻資源接入方案拓?fù)淦渲?，武漢本地節(jié)目平臺(tái)可在現(xiàn)有索貝系統(tǒng)上加以擴(kuò)建，其

18、工作流程如下:（1）接口服務(wù)器通訊，按約定的通訊協(xié)議傳送視頻元數(shù)據(jù)（包含編碼格式、內(nèi)容簡(jiǎn)介、文件名稱、大小、碼率、時(shí)間長(zhǎng)度、版權(quán)信息等等）；（2）依據(jù)元數(shù)據(jù)信息，H.264格式視頻和其他格式視頻分別上傳至不同的緩存區(qū)；（3）接口服務(wù)器向格式仲裁服務(wù)器提起格式仲裁申請(qǐng)，通過(guò)審核的H.264資源由格式仲裁服務(wù)器告知上載服務(wù)器，被上載服務(wù)器上傳到H.264近線存儲(chǔ)，并將信息同步到內(nèi)容管理服務(wù)器；（4）未通過(guò)審核的視頻由格式仲裁服務(wù)器向編輯轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)提出申請(qǐng)，編輯轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)完成格式轉(zhuǎn)換后告知格式仲裁服務(wù)器，并進(jìn)行再次仲裁。（5）再次仲裁通過(guò)后，重復(fù)步驟3；否則進(jìn)行人工干預(yù)處理。（6）內(nèi)容管理服務(wù)器依據(jù)需要，將H.264視頻信息供給交互式視頻業(yè)務(wù)系統(tǒng)，進(jìn)行審核發(fā)布后，將內(nèi)容傳送至交互式視頻業(yè)務(wù)在線存儲(chǔ)。7.結(jié)論綜上所述：（1）隨著互聯(lián)網(wǎng)上視頻應(yīng)用的增加、3G和視訊服務(wù)的興起、以及高容量視頻存儲(chǔ)的需求，面向IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的、低碼率信源編碼技術(shù)