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视频信源编码技术标准概述
【摘 要】 视频信源编码技术在视频的传输过程中起到非常重要的作用,有着十分广泛的应用.本文介绍了从第一代视频信源编码标准MPEG-2 到第二代视频信源编码标准的发展过程,并对第二代信源编码标准中的MPEG-4,H.264 与S 进行了介绍与分析比较.
【关键词】 信源编码 MPEG-4 H.264 S
随着大量视频类应用的问世,视频在生活中的影响越来越显著,视频在网络中的传输也有了越来越高的要求.因此,视频信源编码技术变得越来越重要,需要对视频信源编码技术制定相应的标准.之前国际普遍使用的是欧美MPEG专家组研发的第一代标准,如MPEG-2,国际数字欧洲委员会2011 年宣布MPEG-2 技术将被新技术取代.现在,第二代视频信源编码标准已投入使用,如MPEG-4 和在此基础上开发出的H.264 以及中国自主研发的S.与第一代信源编码标准相比,第二代标准对网络宽带的要求更低,速度更快.本文将对MPEG-4,H.264 和S 三种常见的视频信源编码标准进行介绍与比较.
一、MPEG-2/MPEG-4 标准介绍
MPEG-2 由MPEG 专家组与ITU 在1994 年联合制定,其中的图像压缩原理包括两个相关性的部分：空间和时间.空间相关性即每个像素点与周围像素点在亮度,色度上的联系；时间相关性即连续图像序列每一帧前后之间的联系,这种相关性使图像压缩过程中出现偏差的概率降低.与为CDROM光盘的视频存储和播放制定的MPEG-1 相比,MPEG-2可以适用于传输率要求更高,数据量更大的视频信源,因此可以作为数字电视特别是广播级数字电视的编码输送标准.另外,MPEG-2 可以在一定范围内改变压缩比以适应不同的画面质量、存储容量及带宽要求.在很长一段时间内,MPEG-2 成为国际上包括我国在内普遍使用的信源编码标准,其优良的性能甚至让MPEG 专家组取消了MPEG-3 的发布.然而随着技术发展,视频信源信号的要求也越来越高.MPEG-2 由于网络带宽要求较高,压缩后视频存储空间较大,加上由于时间相关性与空间相关性产生的大量冗余信息需要复杂的算法进行过滤,已不能满足目前视频信号的需求,因此各国相继以MPEG-2 标准为基础,开发新的信源编码标准.
1998 年11 月MPEG-4 被正式宣布作为视频信源编码的正式标准,其突出特点在于其兼容性.MPEG-4 设计初衷即是一种“国际化”标准,不针对某一特定比特率的视频,而且可以与JPEG 等标准反向兼容,不需要大数据量,相同大小的视频压缩后的数据量仅为MPEG-2 的十分之一左右.MPEG-4 的编码特征主要为“基于对象”和“基于模型”两方面,其中,“基于对象”中的对象是指根据运动状况,纹理,形状等特征进行区分的实体.不同于第一代编码标准,MPEG-4 对视频中的内容加入了更多的“理解”,可以区分单音道、多音道与立体声音频、运动与静止的个体、2D 与3D 视频及图像与文字等不同个体,再根据事先设计的“模型”给予不同的压缩比,如静止的个体采用较高的压缩比和损失比,运动的个体采用较低的压缩比和损失比.这样就可以减压缩后的大小和对带宽的要求,同时又让接收方可以对不同视频进行选择,更加简单方便.表1 对MPEG-2和MPEG-4 基本特征进行比较.
二、H.264 标准介绍
H.264 全名MPEG-4 C,简称C 或JVT,H.264 是人们的通称.H.264 是2003 年ITU 批准通过的由MPEG 的JVT（联合视频组）与ITU-T 的VCEG（视频编码专家组）联合制定的新视频编码标准.在MPEG-4 的基础上,ITU-T提出针对实时通讯的H.26x 系列,包括从H.261 到H.264.
该系列普遍具有以下特点：
第一,在MPEG-4 区分不同“对象”的基础上,又将画面分为若干个像素块,对各个像素块分别进行识别与处理；第二,对原始画面中的空间冗余部分进行变换量化处理和熵编码,减少空余部分的空间占用量.
第三,对于画面中的各个像素块进行“预判”,结合上一帧和下一帧的运动矢量,通过运动估计和运动补偿,用相应的编码器及解码器进行预测.
最后,H.264 能利用每一帧的任何空间冗余和编码残余块,提高了空间利用率.
上述特点使H.26x 系列既有MPEG-4 的兼容性,又有更高的总体压缩比,而H.264 又有新的特点：
(1) 结合可变块大小变化,增强运动估计和运动补偿.一个16*16 的像素块,可以拆分成六种不同大小的像素块,每个像素块的补偿块可以更加细致,而又减少了多余的补偿块占用空间.实验数据表明,应用七种不同大小及形状的像素块,比单纯利用16*16 像素块提高了15% 以上的压缩率.
(2) 整数编码的应用.先前的编码标准大都采用8*8 或4*4 的离散余弦变换,即DCT 变换,而H.264 使用的是4*4的整数变换.这种整数变换实际上是DCT 变换的一种近似计算,只是将浮点运算转为整数运算,减少了运算量.同时,用更小的数据块进行处理,又可以减小失真,提高了画面质量与编码效率.
(3) 熵代码增强.H.264 可以用通用变长编码或基于上下文的自适应二进制算数编码（CCL）对剩余像素块“之”字形扫描编码.同时对于像素块中的大量无用信息（长0 串）进行量化处理,减少无用信息所占的空间.
由于以上优点,H.264 的传码率更低,图像质量也更高,拥有更加广阔的发展前景.在IPTV 领域,H.264 已崭露头角,包括诺基亚,Broadcom 等诸多公司都投入基于H.264 的研究.如今,H.264 已成为欧美国家广泛推广的视频信源编码标准,然而H.264 对于解码器的要求也非常高,对于不同类型的视频也需要不同的算法来进行解码,略显复杂.
三、S 标准介绍
S 是第二代视频信源编码标准,是我国自主制定并具有独立知识产权的的标准,包括系统与IP 网络传输等十个部分.2009 年,S 标准正式被确立为IPTV 的国际音视频标准之一,这也成为我国近年来电子信息迅速发展的一个表现.
我国视音频信源编码技术起步较晚,于是对较早的MPEG-1,MPEG-2 采取等同转换核心部分的策略,同时根据多年来积累的技术经验,不断进行摸索,因此和国际上通用的MPEG-4,H.26x 系列都有所不同,但在编码性能上和H.264 相当.S 的核心技术有场编码、帧间预测、环滤波器、量化变换等,编码上远比H.264 简单,传输效果却相对来说更优质一些,是一种国际领先的编码标准.
S 能在国内引起巨大的反响,在于它迎合了国内电子信息发展的需求.一方面,因为S 拥有独立知识产权,所以避免了高昂的国际专利收费,而技术独立又可以反作用推动新技术的发展.同时,S 又能与国际编码标准兼容,精简掉其中不必要的模块,提高了性价比,而这种兼容性,又为日后S 进入国际市场提供了必要条件.另一方面,S 复杂度低,不需要对不同电视系统进行变换,又可以一站式办理,很适合中国目前中小企业使用,即更适应中国目前基本国情,因此在国内已成为主要的视音频信源编码标准.从上海、杭州,到呼和浩特、乌鲁木齐,S 应用的区域越来越广,各大公司已独立研发出十多款S 系列芯片,配套的解码器也已投入生产,我国将在视音频信源编码领域实现弯道超车.
目前,国际上正处于视频信源编码标准飞速发展的时期,要想在国际形成竞争力,必须对产业不断创新延伸,各个领域都需要不断调试,开发出新的应用领域.另外,在调整时要与华为,中兴等数字信息企业协商合作,充分利用大数据分析,使S 应用更加实用.
四、MPEG-4/H.264/S 标准的分析比较
从表2 中可以看出,H.264 与S 标准相比于MPEG-4在带宽要求和压缩率上都有了很大的进步,能够在现有的基础上节约大量的网络带宽,为之后的业务发展打下了良好的基础；而中国后续自主研发的S 标准对带宽的要求比H.264 更低,压缩率与H.264 基本相同,结合我国拥有自主产权的优势,更适用于在国内的大范围推广.
五、结语
本文对三种常见的视频信源编码技术进行了介绍,并对其性能进行了比较.视频信源编码经历了从以MPEG-2 为代表的第一代标准到第二代的转型,第二代的视频信源编码标准各有利弊.当更新更便捷的标准出现的时候,旧标准也将意味着被淘汰,总体上朝着更精确,压缩比更大而又使用更便捷的方向发展.
由于各地域发展情况各不相同,我们不能强迫全球统一视频信源编码标准,但某一标准如果不能随着时代不断更新,也难免会被淘汰.我国视频信源编码基础较弱,却开发出了世界领先水平的S 系列标准,S 能否成为未来国际的通用标准,取决于国家的支持及各大企业把握机遇和产业化发展的能力.为了保留在信源编码上的优势,我们还需要不断创新和发展.
参 考 文 献
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技术标准论文范文结:
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1、农村新技术杂志
2、现造技术论文