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    新一代视频编码在教育视频资源中的应用 新一代视频编码

    时间:2019-01-14 03:38:49 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

      【摘要】在对高清电视和三网融合环境下视频应用特点进行分析的基础上,介绍了三种新一代高效视频编码标准的技术特点和各自的应用所长,进而探讨新一代视频压缩编码技术在教育视频资源建设中的具体应用。内容包括数字视频应用域和视频编码的分层结构,不同应用阶段对图像质量冗余的要求,视频压缩优化与编码参数配置的关系。
      【关键词】视频压缩编码;MPEG-4 AVC/H.264;VC-1;AVS
      【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)10―0121―07
      
      一 MPEG-2传统视频领域的事实标准
      
      影响视频资源应用的主要因素,一是视频压缩编码的效率,即能否提供图像质量与所用资源之间的最佳平衡;二是视频格式的通用程度,即是否具有良好的互操作应用环境。作为第一代视频压缩编码标准的MPEG-2(及相似编码技术)在传统数字视频领域中得到了前所未有的应用。
      1 数字视频工作流程与应用特点
      数字视频的工作流程包括素材采集――后期制作――节目发布等阶段。不同应用阶段对压缩编码结构和图像质量冗余有着不同的要求,因此应该根据不同应用阶段的特点,有针对性地对编码参数进行优化配置,以取得最佳的压缩效果。
      一方面,视频压缩是有损压缩,但只要将压缩视频的码率保持在“透明质量”要求的最低码率之上,就能获得近似“透明”的转码效果,确保图像质量的有效传承,所以视频文件存档应以达到最低透明码率所要求码率值进行记录。另一方面,从素材制作到节目发布,随着对图像质量冗余度要求的依次降低视频压缩的码率可以相应地减少。
      (1) 视频素材编码
      由于需要进行后期编辑合成处理,对视频素材编码的基本要求是具有帧精度的编辑能力和能够经受多次编解码处理的质量冗余。前者意味着压缩编码的GOP(图像组)结构宜短不宜长,采用全I帧方式要优于IBP长GOP方式;后者表明在色信号取样方式上演播室标准的4:2:2取样要优于亚取样的4:2:0或4:1:1方式。在分辨率一定的条件下要同时满足这2个条件就必须保持相对较高的记录码率。
      (2) 节目存档与发布编码
      用于节目存档或发布的视频编码,由于处于应用链的末端因而可以降低其质量冗余,故宜采用4:2:0取样和IBBP长GOP编码以提高压缩效率,减少记录码率,达到节省存储和传输资源的目的。
      2 MPEG-2的特点与应用
      (1) 有效而灵活的编码结构
      因设计有二维的类(Profile)和级(Level)的分层编码结构,加上GOP可由I、P、B不同类型帧灵活搭配的构成机制,MPEG-2能够被用于不同解析度、不同应用阶段和不同码率需求下视频编码。详见表1。
      
      应用于制作链前端的视频素材编码时,应选择4:2:2P@ML或HL的I帧编码结构,以获得广播室级的图像压缩质量。因此标清电视广播级素材记录与视频制作都无一例外地都选择了4:2:2取样,全I帧,50Mb/s高码率的压缩编码格式。
      应用于制作链末端的节目发布编码时,因可降低对图像质量冗余的要求,应选用4:2:0取样与IBBP长GOP结构相结合的编码方式,可进一步提高压缩效率,节省存储和传输资源。因此标清的数字电视广播DVB和DVD光盘格式都采用了MP@ML,IBBP长GOP编码方式,将标清节目的记录码率降低到6-9Mb/s。
      (2) 成熟稳定的技术环境
      相对成熟的软硬件应用环境使MPEG-2被主流应用所普遍接受,成为传统数字视频领域事实上的应用标准,详见表2。
      
      3 高清应用面临的挑战
      大尺寸显示屏幕的应用对视频分辨率提出了更高的要求,对小屏幕来说标清电视的画面是可以接受的;但对于29英寸以上屏幕的显示就要求具有高清电视分辨率的图像了。高清图像(1920×1080)的数据量是标清电视(720×576)的4-5倍,以MPEG-2的压缩效率,如果要达到与标清电视同等图像质量的效果,则高清素材(4:2:2取样,全I帧编码)的记录码率就需要从标清素材的50Mb/s提高到200-250Mb/s;而高清节目(4:2:0取样,IBBP长GOP编码)的记录码率也要相应提高到30-50Mb/s。如此高的视频数据量对现有系统的记录、存储和网络传输能力无疑都是沉重的负担,因此对于高清分辨率的图像来说需要一种全新的、比MPEG-2更加高效的视频编码技术,即能够以接近现有的系统资源来再现高清分辨率画质能力的编码方式。
      
      二 新一代压缩编码的超越
      
      1 更高效的压缩编码技术
      属于新一代视频压缩编码标准的主要有国际标准的H. 264 /MPEG - 4 AVC和 VC1 (WMV9)以及我国的AVS标准,它们的共同之处是都运用了现代视频编码的最新技术,使压缩编码效率比MPEG-2提高了1到2倍。
      (1) 在DCT变换编码中选用更小、更灵活的块尺寸, 可使块效应的主观感觉减弱;同时采用整数系数变换算法,以得到最大精度的计算结果。
      (2) 运动估值预测编码采用1 / 4甚至1 / 8像素算法和自适应匹配块选择以及前后多个参考帧的编码方式,提高了运动预测的精确度和效率。
      (3) 熵编码采用了基于上下文的自适应变字长编码(CAVLC)或基于内容的二进制算术编码(CABAC)算法,能够自适应地利用视频流中前后文内容的相关性,更好地去除帧间冗余,提高压缩效率。
      (4) 除了时间域预测外,在空间域中采用了复杂的、多模式的帧内预测技术,提高了I帧的压缩效果。
      (5) 在编码环中引入了去块效应滤波器,对边界能够自适应地选择相应的去块效应滤波器以“平滑”块的边界,这在较低码率时仍能保持较好的主观视觉效果。
      2 全领域应用催生具有更宽泛适应性的编码标准
      三网融合使视频应用覆盖到广播电视、互联网和移动通信等领域,横跨了从低码率(网络与移动视频)应用到高码率应用(数字电影与高清)的各种业务。新一代编码标准需要能够应对更加宽泛视频业务的架构,同时具有更好的对于网络和移动传输环境的适应能力。数字视频应用业务见表3:
      
      H.264、VC-1和AVS虽然都代表了当前视频编码技术的最高水准,但应用取向、处理编码效率与技术难度的平衡等细节方面仍存在着一定差异,在实际运用中需要针对具体应用的诉求重点,择优选用。
      
      三MPEG 4 AVC/H.264的特点与应用
      
      1 编码标准
      (1) MPEG 4 AVC/H.264(以下简称H.264)由国际联合视频组JVT共同制定,除了具有高质量、高效率的特点外,还设计了能够覆盖整个视频应用领域的分层分级编码结构。H.264分为基本应用、主应用、扩展应用和高级应用等4大应用层次,共17个应用类别(Profile)。
      基本应用层,共2类(CBP和BP),用于低成本的视频会议和移动视频;
      主应用层,1类(Main Profile),采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术,用于标清电视DVB和DVD光盘;
      扩展应用层,1类(Extended Profile),具有低损耗高压缩比性能,用于各种网络流媒体视频传输。
      高级应用层,包括4个附加的应用大类High Profile(HiP),用于高清电视广播DVB与高清视盘Blu-ray Disc存储;High 10 Profile (Hi10P),针对主流用户之外的10比特应用;High 4:2:2 Profile(Hi422P),针对10比特隔行扫描的演播室4:2:2应用;High 4:4:4 Predictive Profile(Hi444PP),针对14b比特RGB 4:4:4顶级应用。
      高级专业化制作应用4类,是与上述高级应用类相对应的全I帧编码,针对于专业化制作的素材拍摄和后期编辑:High 10 Intra Profile ,10bit全I帧应用;High 4:2:2 Intra Profile,10bit 4:2:2全I帧,针对于高清电视素材记录与制作应用;High 4:4:4 Intra Profile,14bit 4:4:4全I帧,针对于数字电影制作应用;CAVLC 4:4:4 Intra Profile 基于上下文的自适应长度编码的4:4:4全I帧应用。
      可伸缩编码应用3类,作为相应类延伸的可伸缩编码工具:Scalable Baseline Profile, 用于视频会议、移动视频和监控应用;Scalable High Profile,用于广播电视和流媒体视频应用;Scalable High Intra Profile,全I帧伸缩编码应用。
      立体影视应用2类:Stereo High Profile,双视点3D立体视频应用;Multiview High Profile, 多视点3D立体视频应用。
      H.264编码的分级(level)以数字代码表示。每个级规定了相应类的图像分辨率标准。通过类与级的组合,就可以确定不同具体压缩方案下的图像分辨率(从128x96直至 4096×2304)、帧频率和最大视频码率(从64Kb/s到960Mb/s),详见表4。
      
      
      H.264的系统架构可分为VCL视频编码层和NAL网络提取层。前者用于视频内容的表示,即视频压缩的编解码;后者则为前者提供一个与网络无关的统一接口,能够以网络所要求的恰当方式对数据进行封装打包和传送[3]。这种架构将高效率的视频编码和对网络高度亲和的任务分别交由VCL和NAL来完成,因而能在实现高效率编码的同时增强对编码差错的恢复能力,使H.264能够更好地适应IP和无线传输的网络应用环境。
      2 应用特点
      (1) 适用于高质量视频素材的记录与制作
      H.264标准针对数字电影制作(4:4:4取样)和演播室(4:2:2取样)的应用需求,专门设计了相应的Intra Profile和级。因此对于需要高效率记录标准色信号取样、全I帧编码素材的影视制作业务来说,H.264是其素材记录与制作压缩编码的首选格式。例如AVC Intra 格式(1920×1080,H.264,4:2:2,I)能够以100Mb/s的码率实现与D5格式(1920×1080,MPEG-2,I)用245Mb/s记录码率时相当的图像记录质量,因此已成了为高清制作中的主流记录格式。
      (2) 出色的网络视频应用能力
      H.264具有出色的低码率高效压缩和抗误码、抗丢包能力,在复杂多变的网络环境和移动应用场合容易获得平稳的图像质量。因此欧洲DVB、美国ATSC和DVD联盟等机构都决定采用H.264编码标准。同时H.264能够以较低的码率传送基于IP网络协议的视频流能力,也已被广泛应用于IPTV的业务。
      (3) 技术复杂性问题
      H.264的卓越性能是以增加编解码的复杂性为代价的,H.264视频编解码的复杂程度分别是MPEG2的10倍和3倍。这种技术复杂性势必要增加其运行时的系统资源负担,于是要么增添专用的编解码硬件,要么是占用大量的CPU资源进行编解码运算。不过随着支持SSE2指令集的CPU和类似NVIDIA显卡的GPU功能的增强和相应软件的支持,H.264编解码难度的问题会有所缓解。
      考虑到H.264因技术复杂性带来的局限性,VC-1和AVS标准都采用了相对简化的设计理念和技术方案,以降低技术复杂性来提高压缩编码的易实现度。
      
      四 VC- 1编码标准与应用
      
      VC-1(WMV)是微软公司在其Windows Media Video 9的基础上开发的视频压缩编码标准,后获得SMPTE的通过并被命名为SMPTE 421M,成为国际通用标准。
      VC-1标准拥有3个大类(Profile)共10个级(Level)的分层编码能力,可满足高清(HDTV)、标清(SDTV)和多媒体视频(CIF、QCIF)等不同分辨率的应用,码率选择范围可从96Kpbs到135Mpbs不等。WMV格式的压缩效率是MPEG2的2倍,与H.264基本相当,具有图像质量高,占用资源少和技术难度低的优点。
      由于VC-1目前尚不支持4:2:2取样和全I帧的编码,故不宜用作制作链前端的高质量的素材记录。但因其出自微软的技术背景,天生占有在计算机和网络上应用的优势和便利,因而在PC环境和互联网中得到广泛应用。尽管H.264也可以应用在微软的IPTV平台上,但已经采用WMV9平台的用户会更倾向于使用完整的微软IPTV集成方案。在消费电子市场中VC-1也已成为蓝光DVD的强制性编码标准。
      
      
      五 AVS编码标准与应用
      
      AVS是我国自主开发的视频编码标准,其主要创新在于运用了一系列的优化措施,将编解码的复杂程度降低到H.264的70%,即能够在技术复杂度较低的情况下实现与H.264相当的编码性能和质量。
      AVS视频目前只定义了一个基本类别(profile)和4个级别(level),分别对应高清晰度与标准清晰度应用。与H.264相比,AVS减少了CABAC等实现难度大的技术,从而增强了可实现性。与VC-1相似,AVS目前不支持4:2:2取样和全I帧编码,也不宜用作高质量素材记录和专业制作,而主要应用在地面数字电视、IPTV和光盘播放机的方面。由于AVS具有自主知识产权和低廉的版权使用费等优势,使其在世界范围视频编码三足鼎立的局面中占有了一席之地。在IPTV规范中,H.264、MPEG―2和VC1、AVS都是可选的标准;而在CMMB标准里,关于视频解码的规定有两个选项,即AVS和H.264。
      
      六 新编码技术在教育视频资源中的应用
      
      欧盟合作委员会已经表示在2012年之后将不再接受新的MPEG-2设备。用新一代压缩技术取代传统的MPGE-2编码标准,旨在获得更高的图像质量和资源利用效率,这是大势所趋,势在必行。教育技术界也应该具有这种技术视野,不失时机地在教育视频资源的建设中开始从有现有技术环境向高清和IP技术环境过度。具体做法可以先从高清视频素材的积累和新技术应用环境的引入着手,作为下一步全面应用的资源和技术储备。
      1 采用H.264格式拍摄高清视频素材
      (1) AVC Intra广播级高清素材记录格式
      记录标准1920×1080,50i,4:2:2取样,10bit量化,H.264全I帧编码,记录码率100Mb/s。记录载体为P2卡,主要用于广播级高清视频制作。
      (2) AVC HD民用级高清素材记录格式
      采用H.264,4:2:0取样,IBP长GOP编码,记录码率13-25Mb/s,使用廉价的SD存储卡记录,用于低成本高清视频业务。
      2 搭建支持新视频格式的后期处理环境
      (1) 素材的编辑制作
      Avid、Final CutPro、Eduis和Premiere pro等主流非编平台都已支持H.264格式视频的编辑与合成。具体方式有:
      AVC Intra 素材的源码直接编辑。全I帧的帧内压缩结构本身就易于实现被称为“流线编辑”的源封装数据直接剪辑,同时AVC Intra采用的帧内分片编码技术能够很好地支持多核CPU的并行处理运算,有利于加快软件编辑的处理速度。
      采用变换为中间编辑格式的方式来实现多格式或多层视频的混编合成制作。先将不同格式的素材统一上变换成平台支持的中间编辑格式,然后再进行多层特效的合成制作是一种高效高质的混编制作方法。中间编辑格式都具有高效率和高质量压缩的特性,例如Avid平台的DNxHD格式和Fin Cut平台的ProRes422 HD格式和Eduis平台的HQ格式等。
      AVC HD格式长GOP素材的编辑,因采用长GOP的帧间编码方式,AVC HD格式在获得更高压缩比的同时也因数据的帧间依存关系而增加了后期制作处理的复杂程度。好在低成本的H.264编解码硬件已开始投放市场,这使得AVC HD格式的实时编辑已不再困难。例如Matrox公司采用MAX加速技术的MXO2(接口箱和加速硬件)和Compress HD (PCIe加速板卡);草谷公司的Eduis FIRECODER Blu Booster板卡等,都可以通过其中的硬件加速引擎实时完成H.264视频的编辑和生成,输出H.264文件的GOP结构可选,支持低到iPod高至蓝光DVD的多种分辨率标准,压缩码率范围可从100Kb/s到50Mb/s不等。
      (2) 视频资源格式转换工具
      运用转码工具软件可将原有的,格式纷乱的视频资料分批转换成格式相对统一,压缩效率更高的新视频编码格式存档,逐步实现视频资源效率的升级。常见的转换工具软件有:
       Adobe Media Encoder CS4:可输出多种码率、多种分辨率的H.264和WMV9文件。
       TMPGEnc 4.0 XPress:可输出H.264(仅BP和MP类)和WMV9(MP和Advanced P类)文件。
       JetAudio\ Convert Video:可将字幕、语言可选的MKV文件转换成H.264和WMV9文件。
      3 新技术环境下的MPEG2
      由于具有较为成熟技术基础和历史形成的应用环境,MPEG-2仍然会被继续使用,在高标清并存的时期尤其需要多种技术和资源的共享。CCTV出台的高标清同播技术管理方案就是一例,如其中规定了在高清网络化制播体系中节目制作必须提交以下4个版本的配套文件:
      (1) 原码高清文件(100Mb)。
      (2) 与原码文件捆绑的字幕工程文件。
      (3) 50Mb IBP格式高清文件。
      (4) 4Mb MP4低码率审片文件。[5]
      其中(1)是素材文件,选用高质高效压缩的AVC Intra 100格式;(3)是制作后播出的节目文件,仍采用技术相对成熟的播出服务器支持的MPEG-2,IBP格式;(2)是节目应叠加的图文字幕信息;(4)是作为网络审片用的低码率节目代理视频文件,沿用了传统的低分辨率MPEG-4格式。
      4 教学视频节目的存档与发布
      (1) 教学视频节目存档,
      在标清领域应用的教学视频节目,仍可以MPEG-2格式编码,继续使用传统容量的DVD光盘存档;也可以采用占用资源更少的高效编码格式编码。
      对于高清领域应用的教学视频节目,应选用高效压缩的H.264格式编码,并转用大容量高密度Blu-ray Disc光盘(支持H.264和VC-1格式)存档。
      (2) 在PC环境下应用的网络多媒体教学视频节目文件,建议采用微软VC-1标准的WMV9格式编码,除了用其较高的编码质量和效率之外,还取其在客户端无需另行安装其他媒体播放软件之利,有利于视频资源与教学环境的有效融合。
      5 新技术环境下视频资源质量控制
      在新技术环境下教学视频资源建设应如何把握图像质量,尽管目前尚无可以直接套用的现成系统标准,但我们如能从现有视频主流应用实例中找出相关依据并作为实用参考指标,仍不失为一种切实可行的办法。
      (1) 数字视频主流应用实例,详见表6
      
      (2) 应用中需要注意的问题
      首先根据应用目标进行分层分级,并按照应用域标准图像确定视频分辨率;然后再根据视频应用阶段的诉求要点优化配置编码参数(取样方式、GOP结构);最后依据由①与②的具体组合确定出压缩编码所需的最低质量冗余和视频码率值。
      信源编码应注重图像质量的可接受性,信道编码则需要更多考地虑信道带宽和最终的传输效果。如在H.264标准中就设计了CABAC和CAVLCL两种熵编码方式,前者运用了复杂的编码技术,适用于追求高质量压缩的场合;后者采用了简化的编码方式,更适用于网络和移动传输环境下使用。
      切勿仅仅根据文件后缀来判断视频文件的压缩格式,应区分视频文件的封装格式与压缩格式。封装格式是用于交换的视频封装容器,而决定视频质量的是后者,即视频实体的编码格式。常见的封装格式及其支持的压缩格式见表7。
      
      
      
      七 结束语
      
      面对三网融合后视频进入全领域化应用的大环境,教育视频资源建设需要引入新一代视频编码技术,并使其与MPEG-2等传统技术形成技术共享,有序过度。对于同属新技术的三大编码标准也应做到用其所长,优势互补。H.264的优势是用于制作链前端的素材记录和编辑,而VC-1和AVS的亮点则在于视频节目的传输和发布。新技术的应用将推动教育视频资源和应用环境的高质量化和高效率化,进而更好地发挥视频媒体在教学中不可替代的作用。
      
      参考文献
      [1] MPEG 基础和协议分析指南[OL].
      [2] MPEG 4 AVC/H.264 标准 [OL].
      
      [3] 松下公司,“P2HD通向未来之路”,奥运许备[2007]第29号.
      [4] 微软. VC-1 Technical Overview. [OL].
      
      [5] 颜枫.中央电视台高标清同播情况介绍[J].现代电视技术.2010,(1).
      [6] Comparison of container formats[OL].
      

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