視頻壓縮編解碼標準綜述

標簽：視頻傳輸 視頻壓縮編解碼

隨著(zhù)Internet帶寬的不斷增長(cháng),在Internet上傳輸視頻的相關(guān)技術(shù)也成為Internet節研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。目前,許多實(shí)驗性的高速寬帶網(wǎng)絡(luò )都把視頻傳輸的技術(shù)和應用作為研究的重點(diǎn)課題。在Internet上傳輸視頻有許多困難,其根本的原因在于Internet的無(wú)連接每包轉發(fā)機制主要為突發(fā)性的數據傳輸設計,不適用于對連續媒體流的傳輸。為了在Internet上有效的、高質(zhì)量的傳輸視頻流,需要多種技術(shù)的支持,其中數字視頻的壓縮編碼技術(shù)是Internet視頻傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外,在多媒體的傳輸、處理、應用中還有許多問(wèn)題：如何在網(wǎng)絡(luò )上傳輸視頻?如何通過(guò)手機上網(wǎng)并接收視頻和圖像?如何對多媒體數據進(jìn)行快速有效的檢索?如何對多媒體信息進(jìn)行統一的存取?等等。

目前視頻流傳輸中最為重要的編解碼標準有國際電聯(lián)的H.261、H.263,運動(dòng)靜止圖像專(zhuān)家組的M-JPEG和國際標準化組織運動(dòng)圖像專(zhuān)家組的MPEG系列標準,此外在互聯(lián)網(wǎng)上被廣泛應用的還有Real-Networks的RealVideo、微軟公司的WMT以及Apple公司的QuickTime等。具體如下：

一、國際電聯(lián)的H.261、H.263標準

1.H.261

H.261又稱(chēng)為P*64,其中P為64kb/s的取值范圍,是1到30的可變參數,它最初是針對在ISDN上實(shí)現電信會(huì )議應用特別是面對面的可視電話(huà)和視頻會(huì )議而設計的。實(shí)際的編碼算法類(lèi)似于MPEG算法,但不能與后者兼容。H.261在實(shí)時(shí)編碼時(shí)比MPEG所占用的CPU運算量少得多,此算法為了優(yōu)化帶寬占用量,引進(jìn)了在圖像質(zhì)量與運動(dòng)幅度之間的平衡折中機制,也就是說(shuō),劇烈運動(dòng)的圖像比相對靜止的圖像質(zhì)量要差。因此這種方法是屬于恒定碼流可變質(zhì)量編碼而非恒定質(zhì)量可變碼流編碼。

2.H.263

H.263是國際電聯(lián)ITU-T的一個(gè)標準草案,是為低碼流通信而設計的。但實(shí)際上這個(gè)標準可用在很寬的碼流范圍,而非只用于低碼流應用,它在許多應用中可以認為被用于取代H.261。H.263的編碼算法與H.261一樣,但做了一些改善和改變,以提高性能和糾錯能力。.263標準在低碼率下能夠提供比H.261更好的圖像效果,兩者的區別有：(1)H.263的運動(dòng)補償使用半象素精度,而H.261則用全象素精度和循環(huán)濾波;(2)數據流層次結構的某些部分在H.263中是可選的,使得編解碼可以配置成更低的數據率或更好的糾錯能力;(3)H.263包含四個(gè)可協(xié)商的選項以改善性能;(4)H.263采用無(wú)限制的運動(dòng)向量以及基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼;(5)采用事先預測和與MPEG中的P-B幀一樣的幀預測方法;(6)H.263支持5種分辨率,即除了支持H.261中所支持的QCIF和CIF外,還支持SQCIF、4CIF和16CIF,SQCIF相當于QCIF一半的分辨率,而4CIF和16CIF分別為CIF的4倍和16倍。

1998年IUT-T推出的H.263+是H.263建議的第2版,它提供了12個(gè)新的可協(xié)商模式和其他特征,進(jìn)一步提高了壓縮編碼性能。如H.263只有5種視頻源格式,H.263+允許使用更多的源格式,圖像時(shí)鐘頻率也有多種選擇,拓寬應用范圍;另一重要的改進(jìn)是可擴展性,它允許多顯示率、多速率及多分辨率,增強了視頻信息在易誤碼、易丟包異構網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的傳輸。另外,H.263+對H.263中的不受限運動(dòng)矢量模式進(jìn)行了改進(jìn),加上12個(gè)新增的可選模式,不僅提高了編碼性能,而且增強了應用的靈活性。H.263已經(jīng)基本上取代了H.261。

二、M-JPEG

M-JPEG(Motion- Join Photographic Experts Group)技術(shù)即運動(dòng)靜止圖像(或逐幀)壓縮技術(shù),廣泛應用于非線(xiàn)性編輯領(lǐng)域可精確到幀編輯和多層圖像處理,把運動(dòng)的視頻序列作為連續的靜止圖像來(lái)處理,這種壓縮方式單獨完整地壓縮每一幀,在編輯過(guò)程中可隨機存儲每一幀,可進(jìn)行精確到幀的編輯,此外M-JPEG的壓縮和解壓縮是對稱(chēng)的,可由相同的硬件和軟件實(shí)現。但M-JPEG只對幀內的空間冗余進(jìn)行壓縮。不對幀間的時(shí)間冗余進(jìn)行壓縮,故壓縮效率不高。采用M-JPEG數字壓縮格式,當壓縮比7:1時(shí),可提供相當于Betecam SP質(zhì)量圖像的節目。

JPEG標準所根據的算法是基于DCT(離散余弦變換)和可變長(cháng)編碼。JPEG的關(guān)鍵技術(shù)有變換編碼、量化、差分編碼、運動(dòng)補償、霍夫曼編碼和游程編碼等

M-JPEG的優(yōu)點(diǎn)是：可以很容易做到精確到幀的編輯、設備比較成熟。缺點(diǎn)是壓縮效率不高。

此外,M-JPEG這種壓縮方式并不是一個(gè)完全統一的壓縮標準,不同廠(chǎng)家的編解碼器和存儲方式并沒(méi)有統一的規定格式。這也就是說(shuō),每個(gè)型號的視頻服務(wù)器或編碼板有自己的M-JPEG版本,所以在服務(wù)器之間的數據傳輸、非線(xiàn)性制作網(wǎng)絡(luò )向服務(wù)器的數據傳輸都根本是不可能的。

三、MPEG系列標準

MPEG是活動(dòng)圖像專(zhuān)家組(Moving Picture Exports Group)的縮寫(xiě),于1988年成立,是為數字視/音頻制定壓縮標準的專(zhuān)家組,目前已擁有300多名成員,包括IBM、SUN、BBC、NEC、INTEL、ATT等世界知名公司。MPEG組織最初得到的授權是制定用于“活動(dòng)圖像”編碼的各種標準,隨后擴充為“及其伴隨的音頻”及其組合編碼。后來(lái)針對不同的應用需求,解除了“用于數字存儲媒體”的限制,成為現在制定“活動(dòng)圖像和音頻編碼”標準的組織。MPEG組織制定的各個(gè)標準都有不同的目標和應用,目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21標準。

1.MPEG-1標準

MPEG-1標準于1993年8月公布,用于傳輸1.5Mbps數據傳輸率的數字存儲媒體運動(dòng)圖像及其伴音的編碼。該標準包括五個(gè)部分：

第一部分說(shuō)明了如何根據第二部分(視頻)以及第三部分(音頻)的規定,對音頻和視頻進(jìn)行復合編碼。第四部分說(shuō)明了檢驗解碼器或編碼器的輸出比特流符合前三部分規定的過(guò)程。第五部分是一個(gè)用完整的C語(yǔ)言實(shí)現的編碼和解碼器。

該標準從頒布的那一刻起,MPEG-1取得一連串的成功,如VCD和MP3的大量使用,Windows95以后的版本都帶有一個(gè)MPEG-1軟件解碼器,可攜式MPEG-1攝像機等等。

2.MPEG-2標準

MPEG組織于1994年推出MPEG-2壓縮標準,以實(shí)現視/音頻服務(wù)與應用互操作的可能性?！PEG-2標準是針對標準數字電視和高清晰度電視在各種應用下的壓縮方案和系統層的詳細規定,編碼碼率從每秒3兆比特～100兆比特,標準的正式規范在ISO/IEC13818中。MPEG-2不是MPEG-1的簡(jiǎn)單升級,MPEG-2在系統和傳送方面作了更加詳細的規定和進(jìn)一步的完善。MPEG-2特別適用于廣播級的數字電視的編碼和傳送,被認定為SDTV和HDTV的編碼標準。