MPEG-4視頻編碼技術(shù)在多媒體通信應(yīng)用中的解決方案

一、引言

MPEG-4是運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MovingPictureEx-pertGroup)標(biāo)準(zhǔn)家庭中的一員，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織為多媒體通信制定的一種解決方案。當(dāng)今迅速發(fā)展的交互式計(jì)算機(jī)游戲圖像顯示、交互式視頻點(diǎn)播(VOD)都表明電視正由“純線性”向“非線性”的方向發(fā)展。MPEG-1/2均是以音頻幀、視頻幀為編碼對(duì)象的，圖像中的AV(Audio、Video)對(duì)象所組成的場(chǎng)景不能與人們進(jìn)行交互。而MPEG-4的主要特點(diǎn)是對(duì)圖像中的內(nèi)容進(jìn)行編碼，其具體的編碼對(duì)象就是圖像中的音頻和視頻信號(hào)，稱為AV對(duì)象。MPEG-4就是圍繞著AV對(duì)象的編碼、存儲(chǔ)、傳輸和組合而制定的。所以，MPEG-4有非線性電視的編碼、存儲(chǔ)、傳輸和組合的標(biāo)準(zhǔn)之稱。

二、MPEG-4的圖像與視頻標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，底層是VLBV(VeryLowBitRateVideo)核心，它為5～64kbit/s視頻操作和應(yīng)用提供算法與工具，支持較低的空間分辨率(低于352x288像素)和較低的幀頻(低于15 Hz)。VLBV核心支持的專用功能包括實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用：支持矩形圖像序列的有效編碼，具有高編碼效率、高精度、高容錯(cuò)度、低延時(shí)等特點(diǎn);以及多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用：支持多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、隨機(jī)存取以及FF/FR(快進(jìn)/快退)等功能與操作。

MPEG-4的HBV(HighBitRateVideo)空間分辨率支持CIF-HDTV，碼率范圍在64 kbit/s～4 Mbit/s之間，同樣支持上述功能。三、MPEG-4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)與MPEG-1/2及其與H.26X的比較

MPEG-1/2/4視頻壓縮和H.26X視頻壓縮技術(shù)都是以DCT(離散全余弦變換)為基礎(chǔ)。但它們又各有不同的特點(diǎn)。

MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)制定主要針對(duì)1.5Mbps以下數(shù)據(jù)傳輸率的數(shù)字存儲(chǔ)媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它用于在CD-ROM上存儲(chǔ)同步和彩色運(yùn)動(dòng)視頻信號(hào)。采用SIF標(biāo)準(zhǔn)交換格式(對(duì)于NTSC制式為352×240，對(duì)于PAL制式為352×288)的圖像進(jìn)行壓縮，每秒能夠播放30幀，具有CD音質(zhì)。

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)追求的是CCIR601建議的圖像質(zhì)量DVB、HDTV和DVD等制定的3～10Mbps高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音的編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2可用于為廣播、有線電視網(wǎng)、電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播(DirectBroadcastSatellite)提供廣播級(jí)的數(shù)字視頻。

H.261的制定是適用于ISDN網(wǎng)的寬帶傳輸，它提供了P×64kbit/s的視聽(tīng)業(yè)務(wù)用的視頻編解碼。

H.263是適用于PSTN(公用電話網(wǎng))的窄帶通信信道的視頻編碼建議，可用于可視電話極低碼率的編解碼器，它是H.261的重要發(fā)展。

MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)提供用于通信的新方式，其核心是基于內(nèi)容的AV信息存儲(chǔ)及操作，支持交互性、高壓縮比及能用存儲(chǔ)性。同時(shí)它在結(jié)構(gòu)上具有適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)軟硬件的迅速發(fā)展，及時(shí)融入新的技術(shù)。由于將內(nèi)容和交互性作為MPEG-4的核心，就不再把具體的碼率范圍作為特別的要求，但低碼率依然是其一項(xiàng)基本內(nèi)容，它在極低碼率的傳輸上與H.263具有一定的相似性，但是它也支持高質(zhì)量的視頻語(yǔ)音通信。所以，MPEG-4提供了一個(gè)更為廣闊的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，更符合于多媒體通信的發(fā)展趨勢(shì)，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

四、MPEG-4為標(biāo)準(zhǔn)的多媒體傳輸系統(tǒng)

1.方案設(shè)計(jì)

基于以上的各視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的比較及實(shí)際應(yīng)用的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于Internet網(wǎng)的多媒體通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成如圖2所示，主要包括多媒體信息處理模塊、TCP/IP通信協(xié)議模塊、通信接口模塊、控制模塊、外部設(shè)備接口及外部設(shè)備模塊(攝像頭、麥克風(fēng)、顯示器、揚(yáng)聲器)。

2.各模塊功能及實(shí)現(xiàn)

(1)多媒體信息處理模塊

它主要基于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求對(duì)視頻和音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行不同程度的壓縮/解壓縮。

1)視頻/音頻信號(hào)的壓縮

采用TI公司最新推出的TMS3206415DSP芯片，它支持圖像的8bit數(shù)據(jù)處理的指令。它的運(yùn)算速度快，最高運(yùn)行速度高達(dá)600MHz，指令周期最短為1.67ns，峰值處理速度達(dá)到了3 200～4800 MIPS.在音頻/視頻應(yīng)用中，其性能提高15倍。具有先進(jìn)的超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)(VLIW)，獲得當(dāng)前應(yīng)用設(shè)備所需要的極高性能。內(nèi)核的8個(gè)功能單元能夠在每個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行4組16位MAC運(yùn)算或8組8位MAC運(yùn)算，以便在處理通信和影像算法中獲得最大的并行性。如果用C6415同時(shí)完成一個(gè)通道的MPEG-2視頻編碼、一個(gè)通道的MP