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高清电视压缩编码技术浅谈
日期:2011-11-30 7:33:59 阅读:   来源:张小静

MPEG-2是标请数字电褪广泛应m的压缩编码标准,该标准是MPEG工作组(Moving Picmre Experts Group)继MPEG-1以VCD和MP3等MPEG-1产品成功受到到肯定后.于l994年发布的视频和音频压缩国际标准,是针对标准数字电视和高清晰电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送,被认定为SDTV和HDTV的编码标准。

MPEG-2压缩基本原理是利用了图像的空间相关性和时间相关性,这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。MPEG一2编码压缩技术的特点是:1、去除空间冗余,即:识别视频画面中的重要元素,移除重复、基本无影响、人限容易忽略的元素;2、去除空间冗余,即:利用视觉暂留现象,去除时间轴上相似视频画面的冗余,进行视频压缩;3、可变比特率,即:根据动态画面的复杂程度,适时调整数据传输率/比特率,实现适合一致的编码效果与流畅均衡的视频效果。将图像的冗余信息去除,只保留少量非相关信息进行传输,大大节省了传输频带。而解码器,利用这些非相关信息,按照一定的解码算法,可以在保证一定的图像质量的前提恢复原始图像。

MPEG-2标准分为9个部分,统称为IS0/IECl3818国际标准,其中MPEG-2视频编码是IS0/IECl3818的第2部分。MPEG--2视频编码标准是一个分等级的系列,按编码图像的分辨率分成四个级(Levds);按所使用的编码工具的集合分成五个类(ProfiIes)。MPEG一2依据类(Profile)和级(Levei)可实现不同层次的清晰度,具体分为5类4级,如(表1)。

目前的标清数字电视采用的是MP@ML主类和主级,而HDTV采用的是MP@HL主类和高级。

MPEG一2是第一代影音压缩标准。标准发布时间长,经过了多年的研究与改进,具有技术成熟、可靠性高等优势,成为应用最广泛的标准。MPEG一2不仅被标清数字电视系统所采用,而且随着压缩编码技术的发展,编码器厂家进一步提高了MPEG-2的压缩效率。MPEG一2高清编码压缩到20Mbps或更低,在我国和国外高清电视上都有应用。

H.264标准

H264标准是ITU—T和IS0/IEC两个标准组织于2003年联合发布的视频压缩标准,在IS0/I卫C中称作14496—10(MPEG一4 Partl0,也称MPEG AVC)。

MPEG-2发布后,随着视频压缩编码技术的不断进步以及互联网视频传输的需求,MPEG组织于1998年发布了具有更高压缩效率的MPEG一4编码标准,它继承了MPEG-2编码的优势,进一步优化了压缩率,在网络传输性、版权保护、字幕、音轨的支持等方面进行了改进,并大幅扩展和延伸了多领域的应用框架,不仅应用于语音传输(可视电话、网络视频、光盘存储与广播电视,而且发展出一系列子标准。涉及数字视频压缩编解码的是MPEG一4 Part 2(也为MPEG一4 Visual)的部分,其余还有用于传送时的整合架构规范、文件格式、软件规范、相关定义等。MPEG系列的标准归属于IS0/IEC,而制订国际通讯标准的ITU—T在完成H263标准后与IS0/IEC机构合作开始进行H.264标准的制订,两机构共同成立名为JVT(Joint Video Team)的联合工作小组。以MPEG-4技术为基础进行更适于视频会议应用的技术标准,因为是联合制订,因此在ITU—T方面称为H.264,在IS0/IEC的MPEG方面就作为了MPEG-4 Part l0(MPEG-4第10部分),H.264的另一个名称是MPEG-4 AVC(Advanccd Video Codin9,先进视频编码)。

H.264(MPEG-4 Partl 0)与MPEG一4(MPEG一4 Part 2)相比具有更高的压缩率,同时在授权费用方面较MPEG一4合理,得到了众多运营商的支持,在国外发展迅速,成为海外运营商应用最多的压缩编码技术。

H.264编码基本结构与MPEG-1、MPEG-2类似,在以前标准基础上采用了许多新技术,如多参考帧、7种宏块编码模式(16×16、16 x 8、8 x16、8×8、8×4、4×8、4x4)、四分之一 像素运动估计、13种帧内预测、4×4整数变换、自适应系数编码、更加精确的量化以及灵活的宏块组织形式等。H.264仍沿用了MPEG-2的类(Profile)、级(Level)定义方珐,针对不同的应用领域,初次发布时定义了三个类:8—lineProfile、Main Profile和Extended Profile。 2004年增加了High Profiie(HP)、HighlO Profile(HilOP)、High 4:2:2Profile(Hi422P)、High 4:4:4 Profile(Hi444P)四个类,支持高清晰度电视和光盘产业。

在图像质量方面,H264 MP只需60%的带宽即可获得MPEG-4 PART2的效果,同样只需55%的带宽即可获得MPEG-2的质量效果。H 264使图像压缩技术上升到了一个更高的阶段,能够在较低带宽上提供高质量的图像传输。在同等的画质下,H.264LL上一代编码标准 MPE(32平均节约64%的传输码流,而比MPEG一4 ASP要平均节约39%的传输码流。H.264获得优越性能的代价是计算复杂度的大幅增加,但所增加的运算复杂度相对于压缩性能的提升效果而言微不足道,并且不断提高的硬件处理能力和不断优化的软件算法保证了H.264标准的应用。

H.264的应用目标广泛,可满足各种不同速率、不同场合的视频应用,具有较好的抗误码和抗丢包的处理能力。由于H.264的优良性能,得到了业界的广泛支持,发展迅速.技术和产业化已很成熟,应用广泛。高清蓝光DVD,采用H.264进行视频压缩,高清电视如日本广播电视公司、欧洲DVB Stcering Board、美国数字电视的卫星传送等机构都采用H.264标准,我国国内的一些IPTV运营部门、CMMB移动手持电视也采用了H.264作为编解码标准,而互联网上H.264压缩格式的高清、非高清视频最为广泛。

AVS标准

AVS(Audio and Video coding Standard信息技术先进音视频编码)是我国具备自主知识产权的信源编码标准。2002年6月,数字音视频编解码技术标准工作组由国家信息产业部科学技术司批准成立,宣布准备针对移动多媒体、广播、DVD等应用编写一份国家标准,该视频标准就是AVS。AVS工作组经过几年的工作,AVS标准不断完善.2006年3月1日起AVS第二部分(AVSl-P2)正式成为我I司音视频编码的国家标准。

AVS标准包括高清晰度视频编码、立体声和多声道音频编码、面向移动多媒体的视频编码和高效语音与音频编码、面向视频监控应用的视音频编码、音视频编码用于广播、IP网和存储等环境的系统封装和流媒体技术、数字媒体版权保护技术等。AVS标准中涉及视频压缩编码的有两个独立的部分:AVS第二部分(AVSl-p2),主要针对高清晰度数字电视广播和高密度存储媒体应用:AVS第七部分(AVSl-P7),主要针对低码率、低复杂度、较低图像分辨率的移动媒体应用。

AVS视频与MPEG标准一样也采用混合编码框架,包括变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测、环路滤波等技术模块。AVS的主要创新在于提出了一批具体的优化技术,在较低的复杂度下实现了与国际标准相当的技术性能,但并未使用国际标准背后的大量复杂的 专利。AVS视频当中具有特征性的核心技术包括:8 x 8整数变换、量化、帧内预测、l/4精度像素插值、特殊的帧问预测运动补偿、二维熵编码、去块效应环内滤波等。AVS视频目前定义了一个基准档次(baseline profile),该基准档次又分为4个级月U(1eveI),分别对应高清晰度与标准清晰度应用。与H.264的baseline profile相比,AVS一视频增加了B帧、interlace等技术,压缩效率明显提高,而与H.264的main profile相比,又减少了CABAC等实现难度大的技术,减少了设备复杂程度。

目前AVS—P2(AVS高解析视频标准)在压缩率方面大概是MPEG2的口倍,几乎与H.264不相上下,而其复杂度大约是H.264的70%,软硬件实现成本都低于H.264。AVS的另一个优势是专利费用低,每台终端仅收取l元人民币,远低于MPEG-2和H.264的授权费用。

AVS标准从2002年开始研发,历经 4年,在2006年成为国标。经过几年不断的完善和发展,产业化程度也有了长足的进步,在我同国内安防领域、IPTV和广电都有了实际的应用。在高清方面经测试对比,AVS编码与H.26水平相当。

MPEG-2、H.264和AVS的对比

1. 编码技术对比

从图(表2)中可以看出MPEG-2压缩编码运算最简单,对硬件要求也最低,H.264最复杂,AVS次之,这主要因为MPEG-2发布时间比较早,是由当时的软硬件水平所决定的。作为第二代压缩编码技术的H 264和AVS可以说是在MPEG-2基础上发展而来,吸取了以前压缩编码技术的各种优点,配合不断进步的硬件和软件算法,可以采用较复杂的算法和硬件实现更高效率的压缩编码。

对于高清电视,采用MPEG-2技术压缩码率为20Mbps左右,采用H.264或AVS仪需要10Mbps左右,H.264、AVS的压缩率是MPEG-2的两倍。我国有线数字电视系统采用欧洲标准DVB-C,采用64QAM调制时,一个8MHz模拟频道对应传送码率约为38Mbps,仅能传输2套MPEG-2格式的高清节目,对有线电视系统的频谱资源是极大的浪费,可以说在现在高标清同播强烈需求之下MPEG-2高清编码难以满足当前应用。采取高效的音视频编码H.264、AVS压缔的高清节目可以传输4套,而H.264加上统计复用技术可以传输更多套书目。在地面数字高清电视和卫星高清电视中有在同样问题。

2. 编码质量和稳定性

三种技术标准中MPEG-2已经经趟十几年的发展,技术最为成熟,国外一线编码器厂商都在生产,高清电视编码质量优异,软硬件稳定可靠。H.264在国外得到了广泛的支持.技术不断进步,产业链成熟、完整,编解码器也达到甚至超越了MPEG-2的水平AVS是我国 自主知识产权的标准.产业链基本都在围内,几年来产业化程度和产品质量那断提高,但还没有吸引国外的一线编码设备厂家参与进来,而编码质量需要编码器厂商不断优化压缩编码技术,稳定可靠的产品也依赖于厂家的技术实力。不同于其他运营商,广电肩负政治宣传重任.编码质量和设备的稳定可靠性是选择设备的决定性因素,可以理解我国的直播卫星和9家高清卫视播出时仍然选择了MPEG-2技术标准。

3. 专利费比较

MPEG-2标准授权费用比较简单,每台终端需支付2 5美元,对终端收费,不对前端收费。但如果全国有线电视6000万用户数字整体转换使用MPEG2机顶盒,授权费用将达到6000万盒子X 2.5美元:

H.264标准授权费用复杂。H.264专利池的拥有商们将通过MPEG—LA和VIA Licensin9两个授权代理商向H.264的使用者收费。MPEG LA对H.264的授权,量产使用H.264技术的产品每件收取0. 2美元.每年量产超过500万件每件收取0.1美元,最低至少要授权l0万件,若为营运商使用则每年收取350万~500万-美元,播放使用H.264技术的电视节目运营商,用来编码须支付2,5009;元(仅需付一次),然后再依据收视户数收费,10万户以下免费,10万~50万户收取2,500美元,50万~l00万户收取5,000美元,超过100万户收取l万美元,针对订阅性收视则为l0万户以下免费,l0万~50万户收取25,000美元,50万~75万户收取50,000美元,75万~l00万户收取75,000美元,超过100万户收取l0万美元。而针对付费性收视则每次点击收取0.02美元(或者是收费额的2%)。Via授权公司对H.264技术的授权,每件运用产品收取0.25美元,营运总体收费一年250万美元,PC随附软件每年400万美元。对付费性收视方面依据播放时间收费,30分钟内收取0.005美元.30~90分钟收取0. 015美元,超过则0.025美元。对我围而言,运营商多、用户多,若采用H.264技术,授权费用非常巨大。

AVS作为中国拥有自主知识产权的标准。仅象征性地向终端设备制造商收取每台1元人民币的专利费,不仅使中国企业避免专利费的困扰。并且起着保护和促进国内数字化音视频相关产业健康发展的战略作用。

4. 高清电视应用情况

三种标准中MPEG一2发布最早,是当前应用最广泛的数字电视标准。国内外的标清数字有线电视、标清数字卫星电视等几乎都采用了MPEG一2技术标准,我国的高清电视和一些国外早期的高清电视也采用了这一标准。H.264技术标准近几年在高清电视中得到了大量迅速的应用,国外的IPTV、高清卫视节目几乎部是采用的H.264技术压缩编码。据截至2009年10月的不完全统计,日本、中国、韩国、泰国、菲律宾、越南、澳大利亚、新西兰等亚太国家以及欧美的电视机构和付费电视运营商,租用20颗通信卫星的C/KU波段转发器.共为亚太地区的有线电视系统、DTH卫星电视家庭以及其他用户提供了l48个HDTV频道的服务。在这148个频道中除了中国、菲律宾、澳大利亚及韩国共35个频道仍采用DVB/MPEG一2技术标准,日本BSAT2A卫星及.JCSATll022星的19个HDTV,频道采用本国ISDB标准及MULTl2技术,以及Apstar2K]]_星c波段的2个IaA3TV频道采用早期的Di gicipner2技术标准外,其余92个HDTV频道均采用世界上最新的DVB—s2传输标准及H.264数字压缩技术,反映了亚太地区如同欧美市场,也选择DVB—S2/H.264作 为HDTV传输的主流标准。

AVS在高清方面也实现了产业化,提供了包括高清编码器、机顶盒、高清播放机等产品,在广东番禺进行了高清实验,新疆开播的地面无线高清采用了AVS技术。

可以看出,国外高清电视大多采用了H.264压缩编码技术,我国大多采用TMPEG-2标准,AVS标准正在加紧推进,快速发展。

结束语

MPEG-2是标清数字电视广泛应用的压缩编码标准,在世界范围内得到了广泛应用,但MPEG-2标准制订于1994年,现在MPEG-2标准在高清数字电视的应用上不再高效与经济。具有更高压缩效率的H264和AVS更适合高清电视的压缩编码,H.264技术和产业成熟.但存在专利授权费用的问题。AVS对比H.264算法更为简便,压缩编码技术水平与H.264相当,专利授权模式简便,收费低廉,今后应该继续优化与完善,为我国的高清电视发展服务。