IP視頻通信中的視頻壓縮技術(shù)解析

和一般的業(yè)務(wù)不同，視頻是流特性業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)量很大。例如，數(shù)字電視圖像中的SIF格式、NTSC制式、彩色、4∶4∶4采樣，每幀的數(shù)據(jù)量為2028Kb，每秒的數(shù)據(jù)流量可達(dá)60.8Mb;CCIR格式、PAL制式、4∶4∶4采樣的彩色視頻的數(shù)據(jù)流量可達(dá)148.8Mbps。實(shí)驗(yàn)表明，176×144的YUV原始視頻在10Mbps的LAN上傳送速率是3幀/秒左右?？梢?，未壓縮的視頻在Internet上傳輸?shù)男Ч菬o法容忍的，而且會(huì)很容易地將Internet資源吞沒，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至崩潰。因此，IP視頻通信的第一步就是視頻壓縮。

視頻壓縮編碼的理論基礎(chǔ)是信息論。壓縮就是從時(shí)域、空域兩方面去除冗余信息，即將可推知的確定信息去掉。編碼方法大致可分為三類：

1.考慮到圖像信源的統(tǒng)計(jì)特性采用的預(yù)測(cè)編碼方法、變換編碼方法、矢量量化編碼方法、子帶-小波編碼方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼方法等;

2.考慮到視覺特性采用的基于方向?yàn)V波的圖像編碼方法、基于圖像輪廓/紋理的編碼方法;

3.考慮到圖像傳遞的景物特征，采用的分形編碼、基于模塊的編碼方法。

在IP視頻通信應(yīng)用中，編碼方法的選擇不但要考慮到壓縮比、信噪比，還要考慮到算法的復(fù)雜性。太復(fù)雜的編碼算法可能會(huì)產(chǎn)生較高的壓縮比，但也會(huì)帶來較大的計(jì)算開銷，軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)影響通信的實(shí)時(shí)性。目前，在眾多視頻編碼算法中，影響最大并被廣泛應(yīng)用的算法是MPEG和H.26x。

MPEG編碼

MPEG是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC下的一個(gè)制定動(dòng)態(tài)視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的組織，它為視頻壓縮編碼技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化做出了巨大貢獻(xiàn)。如針對(duì)CD-ROM的1.5Mbps傳輸率的MPEG-1、針對(duì)HDTV的6Mbps以上傳輸速率的MPEG-2都已成功地得到應(yīng)用，并創(chuàng)造了巨大的商業(yè)價(jià)值。MPEG-4是針對(duì)視頻會(huì)議、可視電話的甚低速率編碼標(biāo)準(zhǔn)，它融入了基于內(nèi)容的檢索與編碼，可對(duì)壓縮數(shù)據(jù)內(nèi)容直接訪問;即將于2001年制定完畢的MPEG-7標(biāo)準(zhǔn)被稱為多媒體內(nèi)容描述接口，這種標(biāo)準(zhǔn)化的描述可以加到任何類型的媒體信息上。不管視頻信息的表達(dá)形式或壓縮形式如何，具有這種標(biāo)準(zhǔn)化描述的多媒體數(shù)據(jù)均可被檢索。因此，MPEG-7的應(yīng)用領(lǐng)域主要是數(shù)字化圖書館和廣播式媒體。

H.263編碼

H.261編碼是一種幀間預(yù)測(cè)減少時(shí)域冗余、變換編碼減少空域冗余的混合編碼方法，具有壓縮比高、算法復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，得到較為廣泛的應(yīng)用。Mbone的重要應(yīng)用工具之一IVS的視頻編碼采用的就是H.261編碼算法。在H.261的基礎(chǔ)上，1996年ITU-T推出了H.263編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.263在許多方面對(duì)H.261進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)充，如在編碼算法復(fù)雜度增加很少的基礎(chǔ)上，H.263能提供更好的圖像質(zhì)量、更低的速率，十分適合于IP視頻會(huì)議、可視電話應(yīng)用。目前，H.263編碼是IP視頻通信采用最多的一種編碼方法，并已被許多多媒體通信終端標(biāo)準(zhǔn)所吸收, 如：ITU-TH.310(B-ISDN)、H.320(ISDN)、H.324(PSTN)、H.323(LAN、 WAN、Internet)。

隨著計(jì)算機(jī)性能的快速提高，對(duì)于可視電話和視頻會(huì)議等應(yīng)用(一般使用QCIF圖像)，純軟件編碼器(codec)即可以滿足應(yīng)用要求。我們實(shí)現(xiàn)的H.263純軟件編碼器在主頻為166MHz的主機(jī)上編碼幀率可達(dá)60幀/秒以上，平均圖像質(zhì)量(用信噪比表示)大于38dB。

1998年ITU-T推出的H.263+是H.263建議的第二版，它提供了12個(gè)新的可協(xié)商模式和其他特征，進(jìn)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，圖像形狀和時(shí)鐘頻率也有多種選擇，拓寬了應(yīng)用范圍;另一重要的改進(jìn)是可擴(kuò)展性，它允許多顯示率、多速率及多分辨率，增強(qiáng)了視頻信息在易誤碼、易丟包異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸。另外，H.263+的圖像分段依賴性也可以是受限的，以減少差錯(cuò)傳播。H.263+對(duì)H.263中的不受限運(yùn)動(dòng)矢量模式進(jìn)行了改進(jìn)，加上12個(gè)新增的可選模式，不僅提高了編碼性能，而且增強(qiáng)了應(yīng)用的靈活性。