IPTV系統(tǒng)中幾種編碼格式的分析和比較

1、文檔供參考，可復制、編制，期待您的好評與關(guān)注！ IPTV系統(tǒng)中幾種編碼格式的分析和比較A few codings format analysis and compare of the IPTV system內(nèi)容摘要：IPTV是近年來迅速發(fā)展起來的、以“電視機+機頂盒”為主要終端設(shè)備、能為用戶提供多種寬帶服務(wù)，包括影視服務(wù)、電視節(jié)目在內(nèi)的互動多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)寬帶增值業(yè)務(wù)，它為我國廣大電視用戶提供了全新的寬帶體驗和收視方式。IPTV技術(shù)是一項系統(tǒng)技術(shù)，包括多方面的內(nèi)容，本文主要介紹了IPTV系統(tǒng)中的幾種音視頻編碼格式，以及各種格式的分析和比較。Abstract：The IPTV develops

2、quickly in recent years of, regard" television+ set top box" as the main terminal equipments and can provide for the customer various breadths take the service, including the network breadth of the interactive multi-media in inside in service, television program in showbiz contents take to

3、 increase in value the business, it was a large television in our country customer to provide the all new breadth takes to experience personally with accept to see the way. The technique of IPTV is analysis that a few that a system technique, include the various contents, this text introduced the IP

4、TV system inside primarily see the code the format, and every kind of format with compare.關(guān)鍵詞IPTV； MPEG-2； MPEG-4； H.264； AVSKey Word： IPTV； MPEG-2； MPEG-4； H.264； AVS前言IPTV作為IP網(wǎng)絡(luò)上的視頻應(yīng)用，對音視頻編解碼有很高的要求。首先，編碼要有高的壓縮效率和好的圖像質(zhì)量，壓縮效率越高，傳輸占用帶寬越?。粓D像質(zhì)量越高，用戶體驗則越好。其次，IPTV平臺應(yīng)能兼容不同編碼標準的媒體文件，以適應(yīng)今后業(yè)務(wù)的發(fā)展。最后，要求終端支持多種編

5、碼格式或具備解碼能力在線升級功能。目前主流的視頻編碼格式有以下幾種：MPEG-2（ISO/IEC 13818-2）、MPEG-4 Part 2（ISO/IEC14496-2）、H.264/AVC（即MPEG-4 Part10）、AVS、微軟的WMV-9、Real公司的視頻格式、SVC（可伸縮視頻編碼，應(yīng)用于變帶寬、變速率環(huán)境）和VC-1（美國SMPTE 于2004年底頒布的壓縮標準）。常見的標準有MPEG-2、MPEG-4、H.264和AVS，它們有各自的特點。以下主要對MPEG-2、MPEG-4、H.264以及AVS的視頻編碼格式進行簡單的分析和比較。MPEG-2是運動圖像壓縮標準。該標準完

6、全兼容MPEG-1標準，其處理能力可達到廣播級水平，適應(yīng)于1.550Mbit/s編碼范圍。它應(yīng)用于DVD方案，應(yīng)用于高清晰度電視（HDTV）的方案，也應(yīng)用于現(xiàn)在廣播式有線數(shù)字電視系統(tǒng)的編碼。MPEG-4（Part 2）是ISO為傳輸數(shù)碼率低于64kbit/s的實時圖像設(shè)計的，是一種高效的編碼標準。編碼比特率相應(yīng)可分為384kbit/s1Mbit/s、64kbit/s384kbit/s、64kbit/s以下，對多媒體應(yīng)用領(lǐng)域的各種編碼進行兼容。廣泛應(yīng)用于有線、無線、移動通信、Internet以及數(shù)字存儲回放等各個領(lǐng)域。H.264（IEC 14496-10AVC）是2003年ITU-T 通過的數(shù)字

7、視頻編解碼標準。H.264標準有基本子集、主體子集和擴展子集等三個子集，基本子集專為視頻會議應(yīng)用設(shè)計的，它提供了強大的差錯消隱技術(shù)，并支持低延時編/解碼技術(shù)，使視頻會議顯得更自然。主體子集和擴展子集更適合于電視應(yīng)用（數(shù)字廣播、DVD）和延時顯得不太重要的視頻流應(yīng)用。 AVS是我國創(chuàng)新技術(shù)自行研制的編碼標準。它包括系統(tǒng)、視頻、音頻、數(shù)字版權(quán)等四個主要技術(shù)標準和致性測試等支撐標準。AVS視頻編解碼標準的核心技術(shù)包括：8X8整數(shù)變換、量化、幀內(nèi)預測、1/4精度像素插值、特殊的幀間預測運動補償、二維熵編碼等。該標準達到國際先進水平的數(shù)字音視頻編解碼標準，可應(yīng)用于高清晰度數(shù)字電視、高清晰度激光視盤機、網(wǎng)

8、絡(luò)電視、視頻通信等領(lǐng)域。與MPEG-4相比，其壓縮效率明顯提高；與H.264相比，又減少了CABAC等實現(xiàn)難度大的技術(shù)，從而增加了可實現(xiàn)性。一、 各種編解碼技術(shù)的分析1.1 MPEG-2（ISO/EC 13818-2）MPEG-2標準從1990年開始研究，并于1994年由國際標準化組織正式發(fā)布。它是一個直接與數(shù)字電視廣播有關(guān)的高質(zhì)量圖像和聲音編碼標準。MPEG-2編碼格式主要是用于傳輸聲音、圖象數(shù)據(jù)壓縮的標準，它是MPEG-1的進一步發(fā)展，碼流在1.5Mb/s到50Mb/s之間。MPEG-2編碼格式與MPEG-1編碼格式的基本編碼算法都相同，但在MPEG-1的基礎(chǔ)上增加了許多新的功能，例如增加

9、了隔行掃描電視的編碼，提供了位速率的可變性能（Scalability）功能。MPEG-2要達到的最基本目標是：位速率為49 Mbit/s，最高達15 Mbit/s。MPEG-2編碼格式的數(shù)據(jù)流有兩種形式，一種稱為程序數(shù)據(jù)流（Program Stream，PS），另一種稱為傳輸數(shù)據(jù)流（Transport Stream，TS）。程序數(shù)據(jù)流是組合一個或者多個規(guī)格化的基本數(shù)據(jù)流（Packetised Elementary Streams，PES）而生成的一種數(shù)據(jù)流，用在出現(xiàn)錯誤相對比較少的環(huán)境下，適合使用軟件處理的應(yīng)用；傳輸數(shù)據(jù)流也是組合一個

10、或者多個PES而生成的一種數(shù)據(jù)流，它用在出現(xiàn)錯誤相對比較多的環(huán)境下，例如在有損失或者有噪聲的傳輸系統(tǒng)中。1.2 MPEG-4 Part 2（ISO/IEC14496-2)MPEG-4標準是國際標準化組織于1998年頒布的又一種新的編碼格式標準，其主要針對互聯(lián)網(wǎng)及無線信道的應(yīng)用，并充分考慮了不同信道傳輸條件的特點，提供了一些關(guān)鍵技術(shù)。1.2.1 編碼理念：引入基于對象的編碼方法（Object-based Coding）MPEG-4標準同以前標準的最顯著的差別在于它是采用基于對象的編碼理念，即在編碼時將1幅景物分成若干在時間和空間上相互聯(lián)系的視頻音頻對象，分別編碼后，再經(jīng)過復用傳輸?shù)浇邮斩耍缓笤?/p>

11、對不同的對象分別解碼，從而組合成所需要的視頻和音頻。這樣既方便我們對不同的對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，并且這樣也可以方便的實現(xiàn)對于各種對象的操作及編輯。例如，我們可以將一個卡通人物放在真實的場景中，或者將真人置于一個虛擬的演播室里，還可以在互聯(lián)網(wǎng)上方便的實現(xiàn)交互，根據(jù)自己的需要有選擇的組合各種視頻音頻以及圖形文本對象。1.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：采用特殊的二進制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BIFS（Binary Format for Scenes）及XMT（Extensible Markup Text）考慮到MPEG-4面向?qū)ο蟮木幋a特點，壓縮后的數(shù)據(jù)采用一種特殊的二進制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BI

12、FS，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中封裝了各種媒體對象數(shù)據(jù)流以及表征這些對象間時域空域關(guān)系的信息，為不同媒體數(shù)據(jù)的復用，傳輸和重構(gòu)提供了便利。用戶可以通過和服務(wù)器間的交互，由服務(wù)器發(fā)送特殊的命令（BIFS-COMMAND）來改變各個對象的參數(shù)，在重構(gòu)圖像中，我們可以改變物體的大小，物體的位置與傾角，還可以將其它圖像中的物體加到該圖像中。除了這種二進制結(jié)構(gòu)，MPEG-4標準又擴展出一種新的原文數(shù)據(jù)格式XMT，即擴展標記文本（Extensible Markup Text），它能夠涵蓋其他的擴展描述語言（XML），可以通過簡單的標記來表示信息的各種含義，并且能夠被編譯成二進制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BIFS，這樣我們就可以更加方便

13、直觀的標記出各對象的信息及其相互關(guān)系。1.2.3 時域空域可調(diào)性（Spatial and Temporal Scalability）在互聯(lián)網(wǎng)及無線的應(yīng)用中，都面臨著帶寬受限的問題，為了解決這個問題，MPEG-4提供了一些措施來實現(xiàn)編碼的時域空域可調(diào)性，以便用戶根據(jù)不同的帶寬狀況及接收終端的限制來選擇不同的分辨率，這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于多種多媒體應(yīng)用中，比如視頻數(shù)據(jù)庫瀏覽，視頻移分辨率回放等等。1.2.4 有效的抗差錯措施（Error Resilience Tools）互聯(lián)網(wǎng)傳輸面臨的一個重要問題是網(wǎng)絡(luò)阻塞和丟包，而無線傳輸中由于多徑時延與衰落以及多普勒頻移的存在，也同樣面臨著惡劣的信道條件，所以M

14、PEG-4標準制定過程中，考慮了不同的信道條件，提出了多種行之有效的抗差錯措施，例如再同步標志，可逆變長編碼，數(shù)據(jù)分割等等。1.3 H.264/AVC（即MPEG-4 Part10）H.264標準是ITU-T在日本的會議上正式通過，并于2003年5月正式公布的繼MPEG-x系列之后的又一音視頻編碼新標準。國際電信聯(lián)盟將該系統(tǒng)命名為H.264/AVC，國際標準化組織和國際電工委員會將其稱為14496-10/MPEG-4 AVC。H.264和之前的標準一樣，也是DPCM加變換編碼的混合編碼模式。但它采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計，不用眾多的選項，獲得比H.263+好得多的壓縮性能；加強了對各種信道的適

15、應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，能很好的處理誤碼和丟包；應(yīng)用目標范圍較寬，可以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸場合的需求。 同時，H.264提出了一個新的概念，在視頻編碼層（Video Coding Layer, VCL）和網(wǎng)絡(luò)提取層（Network Abstraction Layer, NAL）之間進行概念性分割，前者是視頻內(nèi)容的核心壓縮內(nèi)容之表述，后者是通過特定類型網(wǎng)絡(luò)進行遞送的表述，這樣的結(jié)構(gòu)便于信息的封裝和對信息進行更好的優(yōu)先級控制。 H.264標準的關(guān)鍵技術(shù)包括：1.3.1.幀內(nèi)預測編碼幀內(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

16、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，在對一給定宏塊編碼時，首先可以根據(jù)周圍的宏塊預測，然后對預測值與實際值的差值進行編碼，這樣，相對于直接對該幀編碼而言，可以大大減小碼率。H.264提供6種模式進行4×4像素宏塊預測，包括1種直流預測和5種方向預測。H.264也支持16×16的幀內(nèi)編碼。1.3.2.幀間預測編碼幀間預測編碼利用連續(xù)幀中的時間冗余來進行運動估計和補償。H.264的運動補償支持以往的視頻編碼標準中的大部分關(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

17、同碼率的碼流之間快速切換，同時支持隨機接入和快速回放模式。（1）不同大小和形狀的宏塊分割 對每一個16×16像素宏塊的運動補償可以采用不同的大小和形狀，H.264支持7種模式。小塊模式的運動補償為運動詳細信息的處理提高了性能，減少了方塊效應(yīng)，提高了圖像的質(zhì)量。 （2）高精度的像素運動補償 在H.263中采用的是半像素精度的運動估計，而在H.264中可以采用1/4或者1/8像素精度的運動估值。在要求相同精度的情況下，H.264使用1/4或者1/8像素精度的運動估計后的殘差要比H.263采用半像素精度運動估計后的殘差來得小。這樣在相同精度下，H.264在幀間編碼中所需的碼率更小。 （3）

18、多幀預測 H.264提供可選的多幀預測功能，在幀間編碼時，可選5個不同的參考幀，提供了更好的糾錯性能，這樣更可以改善視頻圖像質(zhì)量。這一特性主要應(yīng)用于以下場合：周期性的運動、平移運動、在兩個不同的場景之間來回變換攝像機的鏡頭。 （4）去塊濾波器 H.264定義了自適應(yīng)去除塊效應(yīng)的濾波器，這可以處理預測環(huán)路中的水平和垂直塊邊緣，大大減少了方塊效應(yīng)。1.2.3.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，因為取舍而存在誤差的問題。與浮點運算相比，整數(shù)DCT變換會引起一些額外的誤差，但因為DCT變換后的量化也存在量

19、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變換還具有減少運算量和復雜度，有利于向定點DSP移植的優(yōu)點。1.3.4.量化H.264中可選32種不同的量化步長，這與H.263中有31個量化步長很相似，但是在H.264中，步長是以12.5%的復合率遞進的，而不是一個固定常數(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的塊內(nèi)，有助于提高編碼效率。1.3.5.熵編碼視頻編碼處理的最后一步就是熵編碼，在H.264中采用了兩種不同的熵編碼方法：通用可變長編碼（UVLC）和基于文本

20、的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼（CABAC）。在H.263等標準中，根據(jù)要編碼的數(shù)據(jù)類型如變換系數(shù)、運動矢量等，采用不同的VLC碼表。H.264中的UVLC碼表提供了一個簡單的方法，不管符號表述什么類型的數(shù)據(jù)，都使用統(tǒng)一變字長編碼表。其優(yōu)點是簡單；缺點是單一的碼表是從概率統(tǒng)計分布模型得出的，沒有考慮編碼符號間的相關(guān)性，在中高碼率時效果不是很好。1.4 AVS音視頻編碼標準AVS是中國自主制定的音視頻編碼技術(shù)標準。AVS工作組成立于2002年6月，并于2003年12月確定AVS視頻部分。該標準以當前國際上最先進的MPEG-4 AVC/H.264框架為起點，制定適合數(shù)字視頻應(yīng)用的中國標準，其中強調(diào)自主知識

21、產(chǎn)權(quán)，同時充分考慮了實現(xiàn)難度。AVS與MPEG-4 AVC/H.264標準的主要技術(shù)差異包括：1.4.1 8x8整數(shù)變換AVS采用整數(shù)8x8變換，它可以在16位處理器上無失配地實現(xiàn)，從而克服了視頻壓縮編碼國際標準中采用的8x8 DCT變換存在失配的固有問題。AVS采用了64級量化，可以完全適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對碼率和質(zhì)量的要求。目前AVS所采用的8x8變換與量化方案大大降低了芯片的實現(xiàn)難度。1.4.2 幀內(nèi)預測參照MPEG-4 AVC/H.264幀內(nèi)預測的思路，AVS采用幀內(nèi)預測技術(shù)，用相鄰塊的像素預測當前塊，同時采用代表空間域紋理方向的多種預測模式。但AVS亮度和色度幀內(nèi)預測都是以8x8塊為

22、單位的。亮度塊采用5種預測模式，色度塊采用4種預測模式，而這4種模式中又有3種和亮度塊的預測模式相同。在編碼質(zhì)量相當?shù)那疤嵯?，AVS采用較少的預測模式，使方案更加簡潔、實現(xiàn)的復雜度大為降低。1.4.3 特殊的幀間預測運動補償幀間運動補償編碼是混合編碼技術(shù)框架中最重要的部分之一。AVS標準采用了16×16，16×8，8×16和8×8的塊模式進行運動補償，而去除了MPEG-4 AVC/H.264標準中的8×4，4×8，4×4的塊模式，能更好地刻畫物體運動，提高運動搜索的準確性。實驗表明，對于高分辨率視頻，AVS選用的塊模式已經(jīng)能

23、足夠精細地表達物體的運動。較少的塊模式，能降低運動矢量和塊模式傳輸?shù)拈_銷，從而提高壓縮效率、降低編解碼實現(xiàn)的復雜度。1.4.4 1/4精度像素插值A(chǔ)VS和MPEG-4 AVC/H.264都采用了1/4像素精度的運動補償技術(shù)。MPEG-4 AVC/H.264采用6抽頭濾波器進行半像素插值并采用雙線性濾波器進行1/4像素插值。而AVS采用了不同的4抽頭濾波器進行半像素插值和1/4像素插值，在不降低性能的情況下減少插值所需要的參考像素點，減小了數(shù)據(jù)存取帶寬需求，這在高分辨率視頻壓縮應(yīng)用中是非常有意義的。 在傳統(tǒng)的視頻編碼標準（MPEG-x系列與H.26x系列）中，雙向預測幀B幀都只有一個前向參考幀與

24、一個后向參考幀，而前向預測幀P 幀則只有一個前向參考幀。而新近的MPEG-4 AVC/H.264充分地利用圖片之間的時域相關(guān)性，允許P幀和B幀有多個參考幀，最多可以有31個參考幀。多幀參考技術(shù)在提高壓縮效率的同時也將極大地增加存儲空間與數(shù)據(jù)存取的開銷。AVS中P幀可以利用至多2幀的前向參考幀，而B幀采用前后各一個參考幀，P幀與B幀（包括后向參考幀）的參考幀數(shù)相同，其參考幀存儲空間與數(shù)據(jù)存取的開銷并不比傳統(tǒng)視頻編碼的標準大，而恰恰是充分利用了必須預留的資源。 AVS的B幀雙向預測使用了直接模式（direct mode）、對稱模式（symmetric mode）和跳躍模式（skip mode）。使

25、用對稱模式時，碼流只需要傳送前向運動矢量，后向運動矢量可由前向運動矢量導出，從而節(jié)省后向運動矢量的編碼開銷。對于直接模式，前塊的前、后向運動矢量都是由后向參考圖像相應(yīng)位置塊的運動矢量導出，無需傳輸運動矢量，因此也可以節(jié)省運動矢量的編碼開銷。跳躍模式的運動矢量導出方法和直接模式的相同，跳躍模式編碼塊的運動補償?shù)臍埐钜簿鶠榱?，即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號，而不需要傳輸運動矢量、補償殘差等附加信息。1.4.5二維熵編碼、去塊效應(yīng)環(huán)內(nèi)濾波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，則編碼效率可以逼近信息熵。對預測殘差的塊變換系數(shù)，經(jīng)掃描形成（level、run）對串，level、run不是獨立事件，而存在著很強的相關(guān)性，在AVS中l(wèi)evel、run采用二維聯(lián)合編碼，并根據(jù)當前l(fā)evel、run的不同概率分布趨勢，自適應(yīng)改變指數(shù)哥倫布碼的階數(shù)。二、 各類編