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編碼方式的介紹

作者:未知    

    所謂編碼方式就是指通過特定的壓縮技術,將某個視頻格式的文件轉換成另一種視頻格式文件的方式。目前視頻流傳輸中最為重要的編解碼標準有國際電聯的H.261、H.263,運動靜止圖像專家組的M-JPEG和國際標準化組織運動圖像專家組的MPEG系列標準,此外在網際網路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。
    MPEG是活動圖像專家組(Moving Picture Exports Group)的縮寫,於1988年成立,是為數位視/音頻制定壓縮標準的專家組,目前已擁有300多名成員,包括IBM、SUN、BBC、NEC、INTEL、AT&T等世界知名公司。MPEG組織最初得到的授權是制定用於「活動圖像」編碼的各種標準,隨後擴充為「及其伴隨的音頻」及其組合編碼。後來針對不同的應用需求,解除了「用於數位存儲媒體」的限制,成為現在制定「活動圖像和音頻編碼」標準的組織。MPEG組織制定的各個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。

MPEG-1標準
MPEG-1標準於1993年8月公佈,用於傳輸1.5Mbps數據傳輸率的數位存儲媒體運動圖像及其伴音的編碼。該標準包括五個部分:   
    第一部分說明了如何根據第二部分(視頻)以及第三部分(音頻)的規定,對音頻和視頻進行復合編碼。第四部分說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程。第五部分是一個用完整的C語言實現的編碼和解碼器。
  
MPEG-2標準
MPEG組織於1994年推出MPEG-2壓縮標準,以實現視/音頻服務與應用互操作的可能性。 MPEG-2標準是針對標準數位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,標準的正式規範在ISO/IEC13818中。MPEG-2不是MPEG-1的簡單升級,MPEG-2在系統和傳送方面作了更加詳細的規定和進一步的完善。MPEG-2特別適用於廣播級的數位電視的編碼和傳送,被認定為SDTV和HDTV的編碼標準。
      MPEG-2標準在廣播電視領域中的主要應用如下:
(1)視音頻資料的保存
      採用MPEG-2壓縮編碼的DVD視盤,給資料保存帶來了新的希望。電視節目、音像資料等可通過MPEG-2編碼系統編碼,保存到低成本的CD-R光盤或高容量的可擦寫DVD-RAM上,也可利用DVD編著軟件(如Daikin Scenarist NT、Spruce DVDMaestro等)製作成標準的DVD視盤,既可節約開支,也可節省存放空間。
(2)電視節目的非線性編輯系統及其網絡
        由於採用MPEG-2 IBP視頻壓縮技術,數據量成倍減少,降低了存儲成本,提高了數據傳輸速度,減少了對計算機總線和網絡帶寬的壓力,可採用純以太網組建非線性編輯網絡系統已成為可能,而在目前以太網是最為成熟的網絡,系統管理比較完善,價格也比較低廉。
   基於MPEG-2的非線性編輯系統及非線性編輯網絡將成為未來的發展方向。
(3)衛星傳輸
    MPEG-2已經通過ISO認可,並在廣播領域獲得廣泛的應用,如數位衛星視頻廣播(DVB-S)、DVD視盤和視頻會議等。目前,全球有數以千萬計的DVB-S用戶,DVB-S信號採用MPEG-2壓縮格式編碼,通過衛星或微波進行傳輸,在用戶端經MPEG-2衛星接收解碼器解碼,以供用戶觀看。此外,採用MPEG-2壓縮編碼技術,還可以進行遠程電視新聞或節目的傳輸和交流。
(4)電視節目的播出
   在整個電視技術中播出是一個承上啟下的環節,對播出系統進行數位化改造是非常必要的,其中最關鍵一步就是構建硬盤播出系統。MPEG-2硬盤自動播出系統因編播簡便、儲存容量大、視頻指標高等優點,而為人們所青睞。但以往MPEG-2播出設備因非常昂貴,而只有少量使用。隨著MPEG-2技術的發展和相關產品成本的下降,MPEG-2硬盤自動系統播出可望得到普及。

MPEG-3標準
MPEG-3是ISO/IEC最初為HDTV(高清晰電視廣播)制定的編碼和壓縮標準,但由於MPEG-2的出色性能已能適用於HDTV,因此MPEG-3標準並未制定,我們通常所說的MP3指的是MPEG Layer 3,只是MPEG的一個音頻壓縮標準。

MPEG-4標準
   運動圖像專家組MPEG 於1999年2月正式公佈了MPEG-4(ISO/IEC14496)標準第一版本。同年年底MPEG-4第二版亦告底定,且於2000年年初正式成為國際標準。
     MPEG-4與MPEG-1和MPEG-2有很大的不同。MPEG-4不只是具體壓縮算法,它是針對數位電視、交互式繪圖應用(影音合成內容)、交互式多媒體(WWW、資料擷取與分散)等整合及壓縮技術的需求而制定的國際標準。MPEG-4標準將眾多的多媒體應用集成於一個完整的框架內,旨在為多媒體通信及應用環境提供標準的算法及工具,從而建立起一種能被多媒體傳輸、存儲、檢索等應用領域普遍採用的統一數據格式。
    與MPEG-1、MPEG-2相比,MPEG-4具有如下獨特的優點:
   (1) 基於內容的交互性
   (2)高效的壓縮性
   (3)通用的訪問性
    這些特點無疑會加速多媒體應用的發展,從中受益的應用領域有:因特網多媒體應用;廣播電視;交互式視頻遊戲;實時可視通信;交互式存儲媒體應用;演播室技術及電視後期製作;採用面部動畫技術的虛擬會議;多媒體郵件;移動通信條件下的多媒體應用;遠程視頻監控;通過ATM網絡等進行的遠程數據庫業務等。MPEG-4主要應用如下:
   (1)應用於因特網視音頻廣播
   (2)應用於無線通信
   (3)應用於靜止圖像壓縮
   (4)應用於電視電話  
   (5)應用於計算機圖形、動畫與仿真
   (6)應用於電子遊戲

MPEG-7標準
MPEG-7標準被稱為「多媒體內容描述接口」,為各類多媒體信息提供一種標準化的描述,這種描述將與內容本身有關,允許快速和有效的查詢用戶感興趣的資料。它將擴展現有內容識別專用解決方案的有限的能力,特別是它還包括了更多的數據類型。換而言之,MPEG-7規定一個用於描述各種不同類型多媒體信息的描述符的標準集合。該標準於1998年10月提出。
     MPEG-7的目標是支持數據管理的靈活性、數據資源的全球化和互操作性。
     在我們的日常生活中,日益龐大的可利用音視頻數據需要有效的多媒體系統來存取、交互。這類需求與一些重要的社會和經濟問題相關,並且在許多專業和消費應用方面都是急需的,尤其是在網絡高度發展的今天,而MPEG-7的最終目的是把網上的多媒體內容變成像現在的文本內容一樣,具有可搜索性。這使得大眾可以接觸到大量的多媒體內容,MPEG-7標準可以支持非常廣泛的應用,具體如下:
   (1)音視數據庫的存儲和檢索;
   (2)廣播媒體的選擇(廣播、電視節目);
   (3)因特網上的個性化新聞服務;
   (4)智能多媒體、多媒體編輯;
   (5)教育領域的應用(如數位多媒體圖書館等);
   (6)遠程購物;
   (7)社會和文化服務(歷史博物館、藝術走廊等);
   (8)調查服務(人的特徵的識別、辯論等);
   (9)遙感;
   (10)監視(交通控制、地面交通等);
   (11)生物醫學應用;
   (12)建築、不動產及內部設計;
   (13)多媒體目錄服務(如,黃頁、旅遊信息、地理信息系統等);
   (14)家庭娛樂(個人的多媒體收集管理系統等)。

MPEG-21標準
     網際網路改變了物質商品交換的商業模式,這就是「電子商務」。新的市場必然帶來新的問題:如何獲取數位視頻、音頻以及合成圖形等「數位商品」,如何保護多媒體內容的知識產權,如何為用戶提供透明的媒體信息服務,如何檢索內容,如何保證服務質量等。此外,有
許多數位媒體(圖片、音樂等)是由用戶個人生成、使用的。這些「內容供應者」同商業內容供應商一樣關心相同的事情:內容的管理和重定位、各種權利的保護、非授權存取和修改的保護、商業機密與個人隱私的保護等。
目前雖然建立了傳輸和數位媒體消費的基礎結構並確定了與此相關的諸多要素,但這些要素、規範之間還沒有一個明確的關係描述方法,迫切需要一種結構或框架保證數位媒體消費的簡單性,很好地處理「數位類消費」中諸要素之間的關係。MPEG-21就是在這種情況下提出的。
     制定MPEG-21標準的目的是:(1)將不同的協議、標準、技術等有機地融合在一起;(2)制定新的標準;(3)將這些不同的標準集成在一起。MPEG-21標準其實就是一些關鍵技術的集成,通過這種集成環境就對全球數位媒體資源進行透明和增強管理,實現內容描述、創建、發佈、使用、識別、收費管理、產權保護、用戶隱私權保護、終端和網絡資源抽取、事件報告等功能。

H.261
    H.261又稱為P*64,其中P為64kb/s的取值範圍,是1到30的可變參數,它最初是針對在ISDN上實現電信會議應用特別是面對面的可視電話和視頻會議而設計的。實際的編碼算法類似於MPEG算法,但不能與後者兼容。H.261在實時編碼時比MPEG所佔用的CPU運算量少得多,此算法為了優化帶寬佔用量,引進了在圖像質量與運動幅度之間的平衡折中機制,也就是說,劇烈運動的圖像比相對靜止的圖像質量要差。因此這種方法是屬於恆定碼流可變質量編碼而非恆定質量可變碼流編碼。

H.263
H.263是國際電聯ITU-T的一個標準草案,是為低碼流通信而設計的。但實際上這個標準可用在很寬的碼流範圍,而非只用於低碼流應用,它在許多應用中可以認為被用於取代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。
    1998年IUT-T推出的H.263+是H.263建議的第2版,它提供了12個新的可協商模式和其他特徵,進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,圖像時鐘頻率也有多種選擇,拓寬應用範圍;另一重要的改進是可擴展性,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、易丟包異構網絡環境下的傳輸。另外,H.263+對H.263中的不受限運動矢量模式進行了改進,加上12個新增的可選模式,不僅提高了編碼性能,而且增強了應用的靈活性。H.263已經基本上取代了H.261。

H.264
JVT(Joint Video Team,視頻聯合工作組)於2001年12月在泰國Pattaya成立。它由ITU-T和ISO兩個國際標準化組織的有關視頻編碼的專家聯合組成。JVT的工作目標是制定一個新的視頻編碼標準,以實現視頻的高壓縮比、高圖像質量、良好的網絡適應性等目標。目前JVT的工作已被ITU-T接納,新的視頻壓縮編碼標準稱為H.264標準,該標準也被ISO接納,稱為AVC(Advanced Video Coding)標準,是MPEG-4的第10部分。H.264的數據壓縮率在MPEG2的2倍以上、MPEG4的1.5倍以上。從理論上來說,在相同畫質、相同容量的情況下,可比目前的DVD光盤多保存2倍以上時間的影像。有望作為電影與音樂會等映像內容與便攜設備的編解碼器廣泛使用。預計支持該技術的產品與服務將於2004年內問世。

M-JPEG
M-JPEG(Motion- Join Photographic Experts Group)技術即運動靜止圖像(或逐幀)壓縮技術,廣泛應用於非線性編輯領域可精確到幀編輯和多層圖像處理,把運動的視頻序列作為連續的靜止圖像來處理,這種壓縮方式單獨完整地壓縮每一幀,在編輯過程中可隨機存儲每一幀,可進行精確到幀的編輯,此外M-JPEG的壓縮和解壓縮是對稱的,可由相同的硬件和軟件實現。但M-JPEG只對幀內的空間冗余進行壓縮。不對幀間的時間冗余進行壓縮,故壓縮效率不高。採用M-JPEG數位壓縮格式,當壓縮比7:1時,可提供相當於Betecam SP質量圖像的節目。
     JPEG標準所根據的算法是基於DCT(離散餘弦變換)和可變長編碼。JPEG的關鍵技術有變換編碼、量化、差分編碼、運動補償、霍夫曼編碼和游程編碼等
     M-JPEG的優點是:可以很容易做到精確到幀的編輯、設備比較成熟。缺點是壓縮效率不高。
     此外,M-JPEG這種壓縮方式並不是一個完全統一的壓縮標準,不同廠家的編解碼器和存儲方式並沒有統一的規定格式。這也就是說,每個型號的視頻服務器或編碼板有自己的M-JPEG版本,所以在服務器之間的數據傳輸、非線性製作網絡向服務器的數據傳輸都根本是不可能的。
MP3
MP3是應用於MPEG-1的一項音頻壓縮技術標準,英文全稱是MPEG-1 Audio Layer3。做出這個定義的依據是:第一,MPEG官方已經明確表示,MP3和MPEG-1 Audio Layer3是指同一件事情。第二、Layer技術的發佈者Fraunhofer IIS-A〔注1〕官方技術文檔中也提到過,MP3就是MPEG-1 Audio Layer3。此外,在很多知名廠商比如SONY、Philips的一些相關技術文檔中也直接說明了MP3是MPEG-1 Audio Layer3的問題。

其它壓縮編碼標準
1.Real Video
   Real Video是Real Networks公司開發的在窄帶(主要的網際網路)上進行多媒體傳輸的壓縮技術。
   2.WMT
     WMT是微軟公司開發的在網際網路上進行媒體傳輸的視頻和音頻編碼壓縮技術,該技術已與WMT服務器與客戶機體系結構結合為一個整體,使用MPEG-4標準的一些原理。
   3.QuickTime
     QuickTime是一種存儲、傳輸和播放多媒體文件的文件格式和傳輸體系結構,所存儲和傳輸的多媒體通過多重壓縮模式壓縮而成,傳輸是通過RTP協議實現的。
     標準化是產業化成功的前提,H.261、H.263推動了電視電話、視頻會議的發展。早期的視頻服務器產品基本都採用M——JPEG標準,開創視頻非線性編輯時代。MPEG-1成功地在中國推動了VCD產業,MPEG-2標準帶動了DVD及數位電視等多種消費電子產業,其它MPEG標準的應用也在實施或開發中,Real-Networks的Real Video、微軟公司的WMT以及Apple公司的QuickTime帶動了網絡流媒體的發展,視頻壓縮編解碼標準緊扣應用發展的脈搏,與工業和應用同步。未來是信息化的社會,各種多媒體數據的傳輸和存儲是信息處理的基本問題,因此,可以肯定視頻壓縮編碼標準將發揮越來越大的作用。
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