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IPTV編解碼標準比較

馮偉斌 2007/12/27

　　IPTV以IP網(wǎng)絡(luò)為媒介，通過整合各個內(nèi)容提供商，向用戶提供包括直播電視業(yè)務(wù)、VOD視頻點播業(yè)務(wù)、時移電視業(yè)務(wù)等高質(zhì)量的視頻服務(wù)。視頻節(jié)目在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸首先需要編碼壓縮，以滿足當前的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此，音視頻編解碼是IPTV的核心技術(shù)，選擇何種音視頻編解碼標準對IPTV應(yīng)用有著重大影響。

　　三大標準簡介

　　目前IPTV采用的編解碼標準主要有MPEG-4、H.264和我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AVS三種，均為第二代信源標準。同第一代信源標準MPEG-2比較，MPEG-4的編碼效率是MPEG-2的1.4倍，AVS和H.264相當，都是MPEG-2的兩倍以上。

　　MPEG-4標準

　　MPEG全稱是MovingPicturesExpertsGroup，即動態(tài)圖象專家組,由ISO/IEC在1988年成立。MPEG-1標準于1992年推出，主要應(yīng)用于CD和VCD，MPEG-2標準于1994年推出，主要應(yīng)用于數(shù)字電視和DVD。目前的有線電視、衛(wèi)星電視和DVD都采用MPEG-2格式，可以作為IPTV視頻服務(wù)的節(jié)目源。MPEG-4是該專家組制定的第四代標準，在2000年初正式成為國際標準。

　　MPEG-4標準同前幾代標準最大的區(qū)別是提出了基于對象編碼的思想。MPEG-4在編碼時將一幅圖像分成一些在時間和空間上互相聯(lián)系的對象，分別進行編碼，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮斩撕�，再分別進行解碼，然后將解碼后的對象組合成所需要的圖像。這樣做可以對一幅圖像的不同對象采用不同的編碼方法，有利于不同數(shù)據(jù)類型之間的融合。MPEG-4采用了一系列創(chuàng)新性的技術(shù)，并在前幾代標準的基礎(chǔ)上進行了完善和改進。MPEG-4標準所需帶寬相對較低，憑借其低碼流高質(zhì)量的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在多媒體傳輸和存儲等領(lǐng)域。

　　H.264標準

　　H.264是由ISO/IEC與ITU-T組成的聯(lián)合視頻組(JVT)制定的新一代視頻編解碼標準。ITU-T將該標準命名為H.264，而ISO/IEC將其稱為MPEG-4AVC，作為MPEG-4的第10部分。H.264實現(xiàn)了視頻壓縮比高、圖像清晰、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性好等目標。H.264壓縮率是MPEG-4的1.5至2倍，在同等的畫質(zhì)下，H.264比MPEG-4平均節(jié)約39％的傳輸碼流。H.264包括三個層次：基線層、主體層和擴展層。基線層主要用于可視電話、電視會議等實時視頻通信;主體層主要用于數(shù)字廣播電視與數(shù)字視頻存儲;擴展層主要用于流媒體中。各層次的清晰度和編碼速度取值也各不相同。

　　H.264應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有：運動預(yù)測塊中采用了全面預(yù)測技術(shù)；多參考幀預(yù)測，最多可達16幀；簡化處理的4×4整數(shù)DCT變換；糾錯編碼采用CAVLC和CABAC；引入層次化運算，將矩陣數(shù)據(jù)塊變成小塊運算；增加了幀內(nèi)預(yù)測和環(huán)路濾波等技術(shù)。這一系列技術(shù)的采用使H.264具有非常好的壓縮率和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，在實時視頻通信、數(shù)字廣播電視、數(shù)字視頻存儲、流媒體等應(yīng)用領(lǐng)域中得到了充分的體現(xiàn)。H.264的高壓縮率是建立在編碼的大運算量之上的，H.264的編碼運算量是MPEG-2的十多倍，不過解碼的運算量并沒有增加很多，因此用戶終端進行解碼播放沒有什么難度。另一方面，現(xiàn)今計算機的運算能力迅速發(fā)展，CPU主頻和內(nèi)存容量的增幅遠比編碼運算量要大，因此在編碼上也沒有難度。

　　AVS標準

　　AVS標準由成立于2002年6月的AVS工作組自主制定，主要面向高清晰度和高質(zhì)量的數(shù)字廣播電視、數(shù)字媒體存儲、網(wǎng)絡(luò)電視以及其它相關(guān)應(yīng)用。AVS標準在技術(shù)方案上采用國際主流技術(shù)方案，主要采納公開的專利技術(shù)和我國的自主創(chuàng)新技術(shù)。AVS標準已于2006年3月獲批成為國家標準，標準中的視頻部分于2007年5月獲得ITU-T批準，正式成為4個可選視頻編碼格式之一。

　　AVS的編碼效率是MPEG-2標準的2-3倍，與H.264的編碼效率相當。在獲得高編碼效率的同時，AVS的算法復(fù)雜度比H.264要低，編碼復(fù)雜度相當于H.264的30%，解碼復(fù)雜度相當于H.264的70%，因此軟硬件實現(xiàn)成本都低于H.264。

　　2007年1月在信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院進行了端到端的AVS和H.264視頻圖像質(zhì)量對比測試，結(jié)果表明對于平均圖像質(zhì)量系數(shù)PQR，華為的AVS機頂盒優(yōu)于H.264機頂盒5.02分，中興的AVS機頂盒優(yōu)于H.264機頂盒3.79分。AVS的另外一個優(yōu)點是專利授權(quán)模式簡單，知識產(chǎn)權(quán)清晰。AVS的專利許可費用大大低于MPEG-4和H.264，僅每臺編解碼器象征性的收1元人民幣的專利費，不對節(jié)目內(nèi)容收費。此外AVS的系統(tǒng)應(yīng)用兼容廣電現(xiàn)有的MPEG-2系統(tǒng)，現(xiàn)有電視臺基于MPEG-2的編輯和傳輸系統(tǒng)不需要改變。

　　跟H.264相比，AVS采用的不同關(guān)鍵技術(shù)主要有：最小8×8塊的變塊大小運動補償；低復(fù)雜度的1/4像素運動補償；B幀采用一種新型的對稱預(yù)測模式，前向運動向量可直接預(yù)測后向運動向量；B幀采用了時域/空域相結(jié)合的直接預(yù)測模式；8×8整數(shù)變換/量化；基于上下文的適應(yīng)性熵編碼2DVLC；低復(fù)雜度的環(huán)路濾波，濾波邊數(shù)降為1/4；圖像級幀場自適應(yīng)選擇由MBAFF降為PAFF；低復(fù)雜度的幀內(nèi)預(yù)測，基于8×8塊進行，只使用5種模式；H.264使用5個參考幀來提高編碼效率，AVS則限定至多兩個參考幀。

　　應(yīng)用情況比較

　　MPEG-4標準

　　相對于H.264和AVS，MPEG-4標準起步時間最早，已經(jīng)有相當長的一段時間作為發(fā)展基礎(chǔ)，因此MPEG-4產(chǎn)業(yè)化程度最高，是目前應(yīng)用最廣泛的視頻編碼標準。雖然H.264在技術(shù)上比MPEG-4更為先進，但H.264的商用成本較高，MPEG-4芯片相對于H.264芯片具有一定軟硬件開發(fā)成本上的優(yōu)勢，同檔次的H.264機頂盒價格比MPEG-4ASP機頂盒價格高出約300元到500元人民幣。另一方面，IPTV的節(jié)目內(nèi)容主要來自于廣電系統(tǒng)，而廣電系統(tǒng)采用MPEG-2標準存儲節(jié)目內(nèi)容，將MEPG-2格式的節(jié)目內(nèi)容轉(zhuǎn)換成MPEG-4格式相對簡單，而轉(zhuǎn)換成H.264格式則相對復(fù)雜得多，成本也更高。MPEG-4需2Mbit/s的帶寬就可以達到標清效果，在3Mbit/s的帶寬條件下即可流暢播放視頻，并且質(zhì)量良好、頻道切換時間在2s左右。目前中國網(wǎng)通在哈爾濱開展的IPTV業(yè)務(wù)就是基于MPEG-4編碼。

　　MPEG-4標準現(xiàn)在的主要問題是其過于苛刻的專利收費。MPEG-4除了對每個編解碼器收取0.25美元的費用，還對傳輸環(huán)節(jié)進行收費。MPEG-4根據(jù)節(jié)目播放時間對提供視頻服務(wù)的節(jié)目發(fā)行商（如音像出版公司）或內(nèi)容運營商（如電視臺、IPTV運營商等）收取每小時0.02美元的許可費，這種收費模式引起了內(nèi)容運營商的強烈反對。因此設(shè)備提供商和內(nèi)容運營商開始尋求專利收費更為友善的新標準，H.264正由于其高性能和較MPEG-4更為公正的專利體系，代替MPEG-4的呼聲越來越高。

　　H.264標準

　　由于H.264是ITU-T和ISO/IEC共同提出的視頻編碼標準，并且在編解碼設(shè)備互通性上比MPEG-4要好，因此H.264已經(jīng)成為當前IPTV視頻編解碼標準的發(fā)展趨勢。目前眾多的主流編碼器廠家都支持H.264標準并已經(jīng)進入商業(yè)應(yīng)用階段。中國電信在上海開展的IPTV業(yè)務(wù)就是基于H.264編碼。

　　H.264的許可體系較MPEG-4更為友善的地方在部分格式將無償使用、基本層全員免費、提供了早期低價格許可等方面。H.264仍然對傳輸環(huán)節(jié)收費，雖然這種方式退化成按節(jié)目、按訂戶以及按本地發(fā)射臺數(shù)來收費，但這對運營商來說仍然是難以接受的。對于中國的IPTV產(chǎn)業(yè)來說，使用H.264標準，除了每個編解碼器要交納0.02美元的費用外，每點播一個節(jié)目還需要交納0.02美元的費用，為此IPTV運營商每年將要支出數(shù)千萬人民幣的專利使用費。更為嚴重的是，H.264的知識產(chǎn)權(quán)歸屬復(fù)雜，目前有MPEG-LA、VIALicensing和Thomson三家專利代理組織負責(zé)收費。加入MPEGLA參與收費的專利權(quán)人共17家，既MPEGLA之后，Via Licensing成立了另一個H.264，推出了另一收費政策，目前有5家專利權(quán)人加入，而Thomson公司聲稱不加入任何一家，單獨收費，也就是說目前已經(jīng)有17C、5C和1C聲稱對H.264收費，DVD所面臨的3C、6C、1C收費的情況又將上演。

　　AVS標準

　　決定選用何種標準的最大因素并不是技術(shù)問題，而是標準的專利授權(quán)問題。AVS標準同MPEG-4和H.264相比最大的優(yōu)勢就在于專利使用費低，國際標準MPEG-4和H.264的專利授權(quán)問題讓IPTV運營商難以負擔，而AVS只對編解碼設(shè)備收取每臺1元錢的專利費，并不對運營商收取任何費用。同時AVS的知識產(chǎn)權(quán)歸屬清晰，AVS的專利池包括了實施AVS標準需要的全部專利，用戶不需要再向MPEG-LA等專利機構(gòu)取得任何授權(quán)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，IPTV運營商如果使用MPEG-4標準，平均每戶每年需支出80元人民幣左右的專利費用，如果使用H.264標準，平均每戶每年需支出40元人民幣左右的專利費用。目前我國有3.7億戶的固定電話用戶，假設(shè)將來全部轉(zhuǎn)化為IPTV用戶，IPTV運營商每年需要向國外標準支付的專利費將高達150億到300億元人民幣。通過使用AVS標準，將使運營商節(jié)省掉這筆巨額的專利費用，為我國IPTV產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大大節(jié)省成本。

　　同MPEG-4和H.264相比，AVS由于起步最晚，產(chǎn)業(yè)化程度還不足。目前AVS的產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，聯(lián)合信源和上廣電已經(jīng)推出基于AVS標準的編碼器，編碼芯片還在測試中。解碼芯片已經(jīng)可以量產(chǎn)，展訊、龍晶和博通等芯片廠商都推出了支持AVS的高清解碼芯片，另有多家機頂盒廠商可以提供支持AVS標準的IPTV機頂盒。

　　作為IPTV產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，中國電信和中國網(wǎng)通等電信運營商對于采用何種音視頻編解碼標準的思路相似，都在力推AVS。中國網(wǎng)通已經(jīng)明確表示今后將會在網(wǎng)通的IPTV系統(tǒng)中采用AVS標準。2007年10月，網(wǎng)通在大連的AVS-IPTV試驗網(wǎng)絡(luò)驗收成功，首次實現(xiàn)了端到端的AVS-IPTV系統(tǒng)整合。試驗網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃用戶數(shù)為3500，VOD節(jié)目時長為3000小時，直播頻道數(shù)為60路，每個頻道60分鐘即時時移，3天節(jié)目回看，AVS節(jié)目碼率為1.3Mbit/s（視頻）。驗收結(jié)果表明基于AVS標準的IPTV系統(tǒng)及其設(shè)備已具備規(guī)模商用的能力。目前中國電信的AVS測試工作已經(jīng)完成了大部分測試任務(wù)，進展順利，相信電信企業(yè)在IPTV系統(tǒng)上也將轉(zhuǎn)型采用AVS。

　　發(fā)展趨勢

　　MPEG-4標準起步最早，商用條件最為成熟，是目前應(yīng)用最為廣泛的音視頻編碼標準，但苛刻的專利收費限制了MPEG-4進一步的發(fā)展,同時由于IPTV對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求嚴格，目前國內(nèi)MPEG-4編碼在3Mbit/s的帶寬下還達不到標清的圖像質(zhì)量,因此MPEG-4被技術(shù)上更為先進、編解碼設(shè)備互通性更好、專利收費也相對更為公正的H.264標準取代已經(jīng)成為IPTV產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。但H.264也并不是十全十美的標準，目前面臨著AVS標準的激烈競爭。正如上邊所說的，AVS同MPEG-4和H.264相比主要具有以下優(yōu)勢： 　　目前為止，AVS產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的會員單位已經(jīng)達到26家，產(chǎn)業(yè)鏈正在逐漸成熟。今后隨著AVS標準產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，基于AVS標準的IPTV將在不遠的時間內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模商用。相對于國際標準MPEG-4和H.264，AVS標準必然將在我國的IPTV編解碼標準競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位。

通信世界周刊


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