绪论

  H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2视频压缩标准发布以后的最新、最有前途的视频压缩标准。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的联合开发组共同开发的最新国际视频编码标准。通过该标准,在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上,因此,H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。

H.264简介
H.264的发展历史


  H.264在1997年ITU的视频编码专家组(Video Coding Experts Group)提出时被称为H.26L,在ITU与ISO合作研究后被称为MPEG4 Part10(MPEG4 AVC)或H.264(JVT)。


H.264的高级技术背景

  H.264标准的主要目标是:与其它现有的视频编码标准相比,在相同的带宽下提供更加优秀的图象质量。

  然而,H.264与以前的国际标准如H.263和MPEG-4相比,最大的优势体现在以下四个方面:
  1. 将每个视频帧分离成由像素组成的块,因此视频帧的编码处理的过程可以达到块的级别。
  2. 采用空间冗余的方法,对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和熵编码(可变长编码)。
  3. 对连续帧的不同块采用临时存放的方法,这样,只需对连续帧中有改变的部分进行编码。该算法采用运动预测和运动补偿来完成。对某些特定的块,在一个或多个已经进行了编码的帧执行搜索来决定块的运动向量,并由此在后面的编码和解码中预测主块。
  4. 采用剩余空间冗余技术,对视频帧里的残留块进行编码。例如:对于源块和相应预测块的不同,再次采用转换、优化和熵编码。

H.264的特征和高级优势
  H.264是国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)共同提出的继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式,它即保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟的许多优点。

  1.低码流(Low Bit Rate):和MPEG2和MPEG4 ASP等压缩技术相比,在同等图像质量下,采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG2的1/8,MPEG4的1/3。
显然,H.264压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。
  2.高质量的图象:H.264能提供连续、流畅的高质量图象(DVD质量)。
  3.容错能力强:H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。
  4.网络适应性强:H.264提供了网络适应层(Network Adaptation Layer), 使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输(例如互联网,CDMA,GPRS,WCDMA,CDMA2000等)。

基于H.264的移动服务
  虽然早期的视频编码标准如MPEG-4和H.263可以为移动应用(如视频流和下载服务)提供充分的视频图象质量,但最新的视频编码标准H.264可以将移动应用面扩大和提供更强有力的服务。

下面介绍几种运用H.264高级编码技术的应用:

VOD下载应用

  VOD下载应用是通过Wap或Web门户提供给最终用户的。最终用户浏览媒体门户的时候,当他们找到一个要看的视频短片,就会点击该短片的链接。这样,该短片就会保存到用户移动终端的内存里面,用户可以直接使用移动终端离线观看该短片。


  现存的2.5G和3G移动网络,如GSM-GPRS,UMTS,CDMA 1XRTT和CDMA 1XEVDO,跟基于Internet宽带的网络带宽相比,都非常糟糕。因此,下载一个使用原宥编码技术(如MPEG-4和H.263)压缩的视频短片就非常慢了。举个例子,以64Kbps的速率下载下载一个1~3M的视频短片要花费好几分钟(平均4分钟)。

  正是因为这个原因,目前的视频下载应用都只是提供很小的视频短片(一般不会超过几百Kbytes)。如此小的视频短片所包含的信息往往难以满足最终用户的需求。

  跟以前的编码标准如MPEG-4和H.263相比,H.264可以保证在同样的图象质量下,将压缩比提高一倍,这样就使视频下载应用就更有吸引力了。服务供应商和内容所有者可以在不损失图象质量的情况下,提供的同样大小的视频短片,该短片所包含的信息量大约是以前的2倍。结果是大大缩小了下载时间或提供更多的数据量。

  在H.264高级编码技术的帮助下,视频下载应用无论是对服务供应商还是对最终用户都更加有吸引力。

流式视频直播应用
  典型的流式视频直播应用包括3个组件:一端是连接到PC的视频摄像机,中间是视频分发平台,另一端是配备移动设备的最终用户。目的是使最终用户访问该直播的时候感觉视频是直接从摄象机过来的,而视频分发平台对用户是透明的。利用这样一个视频直播平台,可以通过移动网络实现无数的应用,最终用户可以通过手机来观看需要看的地方,公共场所如迪斯科舞厅、娱乐中心和高速公路的车流等,私人场所如住房、后院等。


  虽然这些应用已经在移动市场已经推出,采用的是较少优势的视频压缩技术如 MPEG-4和H.263。因此,高级编码技术H.264可以更加有力地推进这些应用,如视频直播。

H.264的关键优势

  • 高效率的带宽利用:在典型的视频流会话中,大部分的数据传输带宽通常是被视频成分占用的。在视频会话连接期间,在不牺牲图象质量的前提下,由于一系列的原因,如终端用户数量的增加(包括家庭PC用户和移动用户),都会引起数据流量的大幅波动。因此,为了使视频流应用在低带宽下能够传输高质量的图象,就必须使用高效率的视频压缩工具。

  • 低处理延迟:为了保证解码的视频获得很好的质量,视频数据的处理和传输延迟必须最小化。在编码过程一个较大的处理延迟会导致视频队列重新组合的混乱。延迟是编码、网络和解码延迟的总和。在实时交互应用里,用户会对延迟超过250ms的视频感到非常厌恶。为了将延迟最小化,必须在编码和解码过程中进行最小延迟的处理。

  • 优秀的图象质量:在直播应用里,视频图象质量的好坏受多方面因素的影响:包括在视频源的噪声和光线的改变、重新组合的视频和网络丢包的情况。

      1. 预处理:视频帧噪声的存在和连续视频帧的光线改变,对会严重地降低视频编码效率。因此,为了降低噪声和光线改变对视频编码效率的影响,必须使用预处理工具。
      2. 避免马赛克:马赛克通常由一系列运动物体的拖尾痕迹的点所组成,而且非常明显。当在非常低的带宽下进行图象编码,就会被迫丢弃大量有用的数据(例如:使用一个很大的量化因子),从而引起了马赛克。因此,这样的马赛克应该被消除或减少。
      3. 容错处理:被视频编码器压缩过的数据流首先分成固定或不同长度的包,合成音频和其它数据类型,然后通过网络进行传输。一些数据包在通过物理链路传输的过程中会丢失或损坏,导致音频和视频数据变形。因此,为了保证最小限度的丢失和损坏,必须在编码过程对数据进行容错处理。

    MMS带视频附件的应用


      MMS服务已经在全球范围被多个移动运营商所提供,并且越来越多的用户开始喜欢并大量使用该服务。然而,一个基本的特征如视频短片附件应用却非常贫乏。主要原因是受设备的限制,大部分MMS终端不支持大于50Kbytes的附件(任何类型),而且,即使是配置较高的终端,配备了大容量的内存,也不会支持大于100Kbytes的附件。

      以上限制的原因是OMA委员会发布了统一文件,规定了MMS附件不能够超出以上所规定的大小。
    目前的视频压缩技术的主要限制是:使用移动终端的内置摄像机录一段10秒的视频,视频文件的大小平均为80~100Kbytes。采用目前的视频压缩技术(如MPEG-4和H.263),由于受文件大小的限制,最终用户就难以通过MMS附件来发送视频短片了。

      由此可以清楚地看出,H.264可以很好地解决以上的这些问题,使MMS和视频应用有机地结合起来。

    总结

      H.264代表了当前业界最先进的视频压缩技术。
      1.低码流(Low Bit Rate):和MPEG2和MPEG4 ASP等压缩技术相比,在同等图像质量下,采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG2的1/8,MPEG4的1/3。
    显然,H.264压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。
      2.高质量的图象:H.264能提供连续、流畅的高质量图象(DVD质量)。
      3.容错能力强:H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。
      4. 网络适应性强:H.264提供了网络适应层(Network Adaptation Layer), 使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输(例如互联网,CDMA,GPRS,WCDMA,CDMA2000等)。