移動(dòng)流媒體技術(shù)的視頻編碼協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)
馮開(kāi)江 2009/06/26
一、流媒體主要技術(shù)特征
近年來(lái)，移動(dòng)數(shù)字電視、手機(jī)電視、IPTV等數(shù)字新媒體迅速涌現(xiàn)，其相關(guān)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，而流媒體技術(shù)在其中更是一枝獨(dú)秀。流媒體是指視頻、聲音等數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議承載，并以連續(xù)的流的形式從源端向目的端傳輸，在目的端接收到一定緩存數(shù)據(jù)后就可以播放出來(lái)的多媒體應(yīng)用。
流媒體采用流式傳輸方式在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與客戶端之間進(jìn)行傳輸，它的協(xié)議的設(shè)計(jì)和制定就是為了實(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)器和客戶端的通訊，流媒體傳輸協(xié)議無(wú)疑成為流媒體技術(shù)的重中之重。流媒體按傳輸方式的不同分為：順序流（ProgressiveStreaming）傳輸和實(shí)時(shí)流（RealTimeStreaming）傳輸。順序流傳輸是順序下載，在下載文件的同時(shí)用戶可以觀看在線媒體，在特定時(shí)刻用戶只能觀看已下載的那部分，而不能跳到還未下載的部分。順序流傳輸基于HTTP協(xié)議，也稱為HTTP流式傳輸，用標(biāo)準(zhǔn)的WEB服務(wù)器就可以實(shí)現(xiàn)順序流式服務(wù)。實(shí)時(shí)流傳輸基于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）或微軟公司專有的多媒體協(xié)議，實(shí)時(shí)流傳輸能保證媒體信號(hào)帶寬與網(wǎng)絡(luò)匹配，使媒體可以被實(shí)時(shí)觀看。實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP是最典型、最廣泛的服務(wù)于流媒體的傳輸層協(xié)議,通常運(yùn)行于UDP協(xié)議上，也可以基于AAL5/ATM或IPX等無(wú)連接的通信協(xié)議，提供端到端的服務(wù)，與具體的承載網(wǎng)絡(luò)分離。RTP協(xié)議本身包括兩部分：RTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和RTCP傳輸控制協(xié)議。為了可靠、高效地傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，RTP和RTCP必須配合使用，通常RTCP包的數(shù)量占所有傳輸量的5％。RTCP協(xié)議作為RTP協(xié)議的一個(gè)重要的控制補(bǔ)充協(xié)議，以它的反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)流媒體服務(wù)的QoS控制，配合傳輸層協(xié)議，保證了流媒體的實(shí)時(shí)性特征，滿足了在IP網(wǎng)上對(duì)QoS的需求。同時(shí)在傳輸包文件中還包含資源預(yù)定協(xié)議RSVP（ResourceReservationProtocol）,它通過(guò)預(yù)留一部分網(wǎng)絡(luò)資源（帶寬）的措施，在一定程度上為流媒體實(shí)時(shí)流傳輸提供QoS保證。雖說(shuō)在理論上RTP的底層傳輸協(xié)議也可以采用TCP協(xié)議，但在現(xiàn)在的應(yīng)用中幾乎都采用的是RTP/UDP模式。
把流媒體技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和終端上，為移動(dòng)用戶提供在線的不間斷的聲音、影像或動(dòng)畫(huà)等多媒體服務(wù)，而無(wú)須用戶事先將其下載到本地的技術(shù)稱之為移動(dòng)流媒體技術(shù)。我國(guó)現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，面向3G和2.75G的移動(dòng)流媒體平臺(tái)，并率先在CDMA1X、GPRS等2.5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)了6幀/秒以上流暢音視頻內(nèi)容實(shí)時(shí)直播、點(diǎn)播和下載播放及互動(dòng)服務(wù)。現(xiàn)在完整的移動(dòng)流媒體平臺(tái)，可提供從前端的內(nèi)容編碼轉(zhuǎn)換、制作到終端解碼、播放，以及服務(wù)器端內(nèi)容分發(fā)、播出管理等，而且可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)音視頻短信、移動(dòng)音視頻直播等，從而可以構(gòu)成了完整的移動(dòng)流媒體產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈。
二、移動(dòng)流媒體核心技術(shù)協(xié)議——H.264協(xié)議
移動(dòng)流媒體傳輸視頻數(shù)據(jù)都采用H.264視頻壓縮算法進(jìn)行壓縮，以適合無(wú)線傳輸?shù)牡蛶捑幋a(15-25kpbs)可以傳輸更好質(zhì)量的圖像，或者用更少的帶寬傳輸相同質(zhì)量的視頻。
H.264/MPEG-4AVC是目前最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.264是由ITU-T和ISO/IEC組成的聯(lián)合視頻組（JVT）共同開(kāi)發(fā)的最新國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電信聯(lián)盟將其命名為H.264/AVC。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)際電工委員會(huì)將其稱為14496-10/MPEG-4AVC。通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖像質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
H.264標(biāo)準(zhǔn)只有三個(gè)子集:基本子集、主題子集和擴(kuò)展子集�；咀蛹菍橐曨l會(huì)議應(yīng)用設(shè)計(jì)的，這套標(biāo)準(zhǔn)幾近完美，能夠提供強(qiáng)大的差錯(cuò)隱消技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)，即使在Internet這樣的易錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)上也可以得到較好的視頻效果，并且支持低延時(shí)編/解碼技術(shù)，使視頻會(huì)議顯得更自然。主題子集和擴(kuò)展子集更適合于電視應(yīng)用（數(shù)字廣播、DVD）和延時(shí)顯得并不很重要的視頻流應(yīng)用。
H.264協(xié)議最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下10個(gè)方面：
- 將每個(gè)視頻幀分離成由像素組成的塊；
- 采用空間冗余的方法，對(duì)視頻幀的一些原始?jí)K進(jìn)行空間預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和可變長(zhǎng)編碼；
- 對(duì)連續(xù)幀的不同塊采用臨時(shí)存放的方法，這樣，只需對(duì)連續(xù)幀中有改變的部分進(jìn)行編碼；
- 采用剩余空間冗余技術(shù)，對(duì)視頻幀里的殘留塊進(jìn)行編碼；
- 在同等的還原圖像質(zhì)量的情況下，H.264要比MPEG-4節(jié)省50%以上的碼率；
- 允許流媒體在更低的帶寬上傳輸，節(jié)省帶寬資源適用性強(qiáng)；
- 具備從電話應(yīng)用到高端廣播和存儲(chǔ)應(yīng)用的各種類型；
- 有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，在質(zhì)量不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以得到較好的質(zhì)量；
- 低處理時(shí)延：為了保證解碼的視頻獲得很好的質(zhì)量，視頻數(shù)據(jù)的處理和傳輸時(shí)延必須最小化。在編碼過(guò)程一個(gè)較大的處理時(shí)延會(huì)導(dǎo)致視頻隊(duì)列重新組合的混亂。時(shí)延是編碼、網(wǎng)絡(luò)和解碼時(shí)延的總和。為了將時(shí)延最小化，必須在編碼和解碼過(guò)程中進(jìn)行最小時(shí)延的處理；
- 優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。
H.264編碼的特征在于：
- 低碼流：和MPEG-2和MPEG-4ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)；
- 高質(zhì)量的圖像：H.264能提供連續(xù)流暢的高質(zhì)量圖像；
- 容錯(cuò)能力強(qiáng)：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要工具；
- 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層（NetworkAdaptationLayer），使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸。
H.264協(xié)議的優(yōu)勢(shì)和特征說(shuō)明，雖然早期的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)如MPEG-4和H.263可以為移動(dòng)應(yīng)用提供充分的視頻圖像質(zhì)量，但最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264可以將移動(dòng)應(yīng)用面擴(kuò)大和提供更強(qiáng)有力的服務(wù)，因此H.264協(xié)議會(huì)成為移動(dòng)流媒體技術(shù)的核心協(xié)議。
三、移動(dòng)流媒體中的音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)
眾所周知，系統(tǒng)之間的互操作性、兼容性和可擴(kuò)展性至關(guān)重要，而保持這些的關(guān)鍵就是需要制定設(shè)備制造商及運(yùn)營(yíng)商在制造產(chǎn)品及提供服務(wù)過(guò)程中必須遵守共同的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。在移動(dòng)流媒體方面，已經(jīng)有數(shù)個(gè)音、視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)及基于包傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)得到了較充分的發(fā)展。而通過(guò)對(duì)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效率、可擴(kuò)展性、容錯(cuò)能力及占用的運(yùn)算資源等因素加以折衷考慮可以認(rèn)為，最適合目前移動(dòng)通信技術(shù)及移動(dòng)終端制造水平的應(yīng)該是H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。
2.1 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)
近年來(lái)，國(guó)際電信聯(lián)盟VCEG（視頻編碼專家組）和ISO的MPEG（活動(dòng)圖像專家組）的專家們組建了JVT（聯(lián)合視頻小組）共同研究視頻圖像的高效壓縮編碼。他們制定的標(biāo)準(zhǔn)被分別稱為H.264和MPEG-4高級(jí)視頻編碼。在信息產(chǎn)業(yè)部和中國(guó)科學(xué)院支持下，中國(guó)音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)化工作組也制定了適合于移動(dòng)流媒體的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS-M。這些編碼標(biāo)準(zhǔn)不僅能夠適應(yīng)相對(duì)惡劣的無(wú)線傳輸環(huán)境，還能滿足移動(dòng)流媒體傳輸系統(tǒng)在傳輸質(zhì)量、傳輸速度及傳輸時(shí)延等方面的要求。下面我們首先以AVS-M視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)為例，對(duì)這些特性加以簡(jiǎn)單的描述：
高壓縮比及低運(yùn)算量
一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線信道所能提供的帶寬或數(shù)據(jù)比特率是受限的，而且與移動(dòng)終端用戶在無(wú)線鏈路上傳送的總數(shù)據(jù)量成正比，這就要求流媒體傳輸系統(tǒng)在對(duì)流媒體進(jìn)行編碼時(shí)，要有較高的壓縮效率，尤其對(duì)視頻編碼更是如此。AVS-M視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)提供了包括宏塊內(nèi)運(yùn)動(dòng)矢量，無(wú)限運(yùn)動(dòng)矢量，幀內(nèi)預(yù)測(cè)等視頻壓縮工具，從而可以較好地滿足無(wú)線流媒體應(yīng)用對(duì)高壓縮比的要求。
在選擇視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，不僅要考慮獲得高壓縮比，還要根據(jù)目前移動(dòng)終端的硬件環(huán)境考慮到該標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算復(fù)雜度。采用較高計(jì)算復(fù)雜度的編解碼標(biāo)準(zhǔn)不僅會(huì)提高移動(dòng)終端的硬件成本，而且由于功耗的增加，會(huì)減少移動(dòng)終端的電源持續(xù)時(shí)間。和以前的編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，AVS-M的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更加適合無(wú)線流媒體的應(yīng)用。
傳輸速率可擴(kuò)展性
同時(shí)，為了適應(yīng)各類應(yīng)用對(duì)碼速率的要求及無(wú)線鏈路實(shí)際狀況，音視頻編碼器應(yīng)該能調(diào)整諸如幀的大小、幀頻及解析度等參數(shù)。AVS-M編碼器就可以通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，使得編碼后的視頻流具備多樣的數(shù)據(jù)速率,從而滿足移動(dòng)流媒體應(yīng)用對(duì)編碼器可擴(kuò)展性的要求。
高容錯(cuò)性
相對(duì)于有線傳輸信道，移動(dòng)通信所要使用的無(wú)線傳輸信道環(huán)境要惡劣得多，數(shù)據(jù)包的接收誤碼率要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而壓縮視頻流對(duì)誤碼非常敏感，即使接收到數(shù)據(jù)包的誤碼率很低，也會(huì)對(duì)解碼后的圖像質(zhì)量造成很?chē)?yán)重的影響。這是由于壓縮編碼去掉了原運(yùn)動(dòng)圖像中所包含的大部分空間域及時(shí)間域上的冗余信息，編碼后的視頻流即使僅僅出現(xiàn)一個(gè)比特的錯(cuò)誤，也會(huì)使得解碼后的圖像中有很大一部分空間域及時(shí)間域圖像數(shù)據(jù)受到影響無(wú)法正常解碼顯示。而如果受數(shù)據(jù)包誤碼影響的幀是作為后面預(yù)測(cè)幀的參考幀時(shí)，造成一個(gè)數(shù)據(jù)包的誤碼會(huì)向后面的圖像幀擴(kuò)散，從而使得解碼后圖像質(zhì)量的惡化情況更加嚴(yán)重。為了盡量降低AVS-M視頻流對(duì)誤碼的敏感性，以保證壓縮視頻解壓后的恢復(fù)質(zhì)量，AVS-M提供了多種抗誤碼工具，承載流媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸層及底層移動(dòng)通信系統(tǒng)也可以進(jìn)一步改善流媒體傳輸?shù)目拐`碼性能。
2.2 音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)
在音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的制定上，目前無(wú)線多媒體標(biāo)準(zhǔn)組織將注意力集中到幾個(gè)現(xiàn)存的蜂窩通信語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)上。這些標(biāo)準(zhǔn)包括應(yīng)用于GSM并得到3GPP支持的AMR(AdaptiveMulti-Rate)編碼算法以及應(yīng)用于CDMA得到3GPP2支持的EVRC(EnhancedVariableRateCoder)編碼算法，這兩種算法都具有良好的抗誤碼能力。
MPEG-4音頻包括如MPEG-4AAC(AdvancedAudioCoding)等音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，以支持寬帶、可擴(kuò)展音頻通信。
2.3 第三代移動(dòng)流媒體傳輸標(biāo)準(zhǔn)
3G-324M作為3GPP提出的第三代移動(dòng)通信流媒體傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可確保有線視頻傳輸系統(tǒng)與第三代移動(dòng)視頻傳輸系統(tǒng)之間的互操作性。它與ITU-TH.324中的視訊會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)有較緊密的聯(lián)系。3G-324M適用于UMTS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的64kbit/s電路交換鏈路，其復(fù)用協(xié)議為H.223；控制協(xié)議為H.245；視頻編碼器采用H.264及MPEG-4；缺省語(yǔ)音編碼器則為GSM-AMR和G.723.1。3GPP2將類似的標(biāo)準(zhǔn)集應(yīng)用于3GPP2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電路交換視頻會(huì)議業(yè)務(wù)。最近，3GPP采納了基于IP協(xié)議的流媒體傳輸架構(gòu)，該協(xié)議規(guī)定了控制信令、背景描述、媒體傳輸、媒體封裝及動(dòng)靜態(tài)圖像、語(yǔ)音、文本的編解碼等標(biāo)準(zhǔn)，推薦了基于流媒體技術(shù)的H.264作為MPEG-4視音頻流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。
四、結(jié)語(yǔ)
伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可以為用戶提供基于移動(dòng)流媒體技術(shù)的豐富應(yīng)用�？梢噪S時(shí)隨地在移動(dòng)終端上點(diǎn)播和下載高質(zhì)量的音樂(lè)和MTV，收看收聽(tīng)電視臺(tái)的直播節(jié)目，欣賞精彩的電視劇和電影片，體驗(yàn)激烈的體育賽事，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和交通路況查詢，以及開(kāi)展各行各業(yè)的專項(xiàng)應(yīng)用。移動(dòng)流媒體技術(shù)也是廣電與電信技術(shù)和業(yè)務(wù)融合發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，具有廣電與電信的“雙重屬性”，它的出現(xiàn)也體現(xiàn)了“三網(wǎng)融合”的發(fā)展趨勢(shì)。隨著技術(shù)的普及和發(fā)展，移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)將在某種程度上改變?nèi)藗兊纳罘绞�，進(jìn)一步開(kāi)拓獲取信息和休閑娛樂(lè)的途徑。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和廣播電視內(nèi)容分發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，特別是3G時(shí)代的到來(lái)，它最高2Mbp的傳輸速率，能達(dá)到電視實(shí)時(shí)傳輸?shù)男Ч苿?dòng)流媒體增值業(yè)務(wù)已經(jīng)成為話音業(yè)務(wù)之外重要的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信起到一種新的支撐市場(chǎng)的應(yīng)用，移動(dòng)流媒體增值業(yè)務(wù)將為我們帶來(lái)一個(gè)無(wú)限的前景。
慧聰廣電網(wǎng)
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