浅析视频压缩技术和文件打包格式

浅析视频压缩技术和文件打包格式 浅析视频压缩技术和文件打包格式 上海文广新闻传媒集团 康斌 邱炜 摘 要:通过回顾视频编码技术的发展历程，对不同编码技术的性能差异作了较为详细的比较，并概括性地阐述了各种文件 打包格式的性能以及它们在实际应用中的作用。 关键词:视频编码 文件打包 信号接口 背景知识 在介绍视频编码之前，先对制定视频压缩编码标准 的3个国际组织作一个简单的介绍，它们分别是:ITU-T、 MPEG和JVT。 1( ITU-T是(电信标准化部门)是ITU(国际电联) 的三个部门之中的电信标准化部门。其他二个部门分别为 ITU-R(无线通信部门)和ITU-D(电信发展部门)。其主 要职责是研究电信技术、操作和资费等问题，目的是在世界 范围内实现电信标准化。ITU-T主要制定了H系列的标准， 包括H.261，H.263; 2(MPEG是Moving Pictures Experts Group(动态图 像专家组)。它是由ISO与IEC在1988年联合成立的一个专 家工作组。致力于为数字视频、音频编码算法开发和制定标 图1 编码技术的发展进程 准。成员来自于不同国家的最有业界影响力的研发机构的专 量的2%，代表为MPEG-1和MPEG-2。到20世纪80年代中 家。MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4则是 ISO/IEC MPEG的 后期，研究人员将人类生理和心理学研究的成果引入到视频 主要成果。MPEG-1的制定，带来了VCD和MP3产业的发 压缩理论中来，发展了基于人眼视觉特性和信源特性的第 展。MPEG-2标准的出现则引领DVD产业的标准， 二代编码技术，压缩效率进一步提高，压缩倍数可以达到 3( JVT(joint videoteam)是由 ITU-T的视频编 100~150倍，即压缩为原数据的1,左右，MPEG4和H.264码专家组(VCEG )和ISO/IEC 的活动图像编码专家组 便是这方面的代表。如图图1所示。(MPEG)的联合视频组，开发了一个新的数字视频编码标 2(各种编码压缩技术的性能比较准，它既是ITU-T的H.264，也是ISO/IEC的MPEG-4的第10 从表1的比较中我们得到这样的结论:部分。 ?从编码效率来看，MPEG-2最低，H.264最高。 一(频编码技术的种类及性能比较?从图像质量来看，传输码率一样时，H.264 的图像质 1(编码技术的发展进程量最好。 传统的视频编码理论是建立在香农信息论的基础上， ?MPEG-2 在码流上有优势，存储性价比高，是目前传 送和播出的首选，但编辑功能受到一定的限制。 通过消除图像间的数据冗余来实现压缩的，第一代压缩技术 ?MPEG-4 是基于对象的编码，码流小，视音频质量的压缩倍数一般在50倍左右，即压缩数据可以达到原数据 论文集锦 表1 目的常用码率压缩方式应用 解决多媒体信号的 面向家庭电视质量级，VCD 和帧内 MPEG-1 1.5Mbps MP3为代表的MPEG-1产品存储问题 适用于广播级的数字电视的编 解决多媒体信号的 帧内，帧间 MPEG-2 3Mbps~20Mbps 码和传送，被认定为SDTV 和 传输问题 HDTV的编码标准。 internet上的多媒体应用、交互 提供在多媒体环境 帧内，帧间。不只是具体 式的视频游戏、个人通信、多媒 小于64kbps~4Mbps) MPEG-4/PART2 下视频信号的有效 的压缩算法，而是基于对 体电子邮件、远程医疗系统及远 存储与传输问题。 象的编码 程监控等。 提供低码率的无线 在相同的图像质量 帧内，帧间。采用运动矢 应用、Inter net上的 下，H.264 所需码率约 会议电视、 高清电视 。高清晰 H.264/AVC 量估计8种新技术提高压 度DVD(HD DVD) 视频流，传输高清 为 MPEG-2 的 36% 、 缩效率。 晰度的电视图像 H.263的51, 表2 名称用途特性 ?可以跨平台操作; 解决不同环节的设备间视/音频节目素材 ?文件主体可以是DV、MPEG、非压 Mater ial eXchange MXF 和相关数据及其元数据的交换，并支持 缩视音频素材; Format)为“素材交换格式 ?传输过程中可以直接播放;简单的编辑功能。 ?实现节目内容和元数据的无缝传输。 ?不采用KLV数据打包方式; Gener al eXchange ?支持JPEG、MPEG压缩视频和未压 便于用数据磁带存取素材 ( 包括元数 GXF F o r mat) 为“通用交换格 缩的音频; 据)。主要用于存储文档的交换。 ?在传输过程中可以同时播放;式” ?利用帧检索表完成文件的检索。 面向多媒体编辑工具之间的数据交换， ?后期编辑系统中的超级EDL;Adv anced A uthor ing 主要用于实体数据和元数据的交换，对 ?采用层次式文件结构;AAF F o r mat) 为“先进制作格 非线性编辑系统更有意义。支持复杂、 ?用Object模型对信息进行结构方式的 式” 描述。 灵活的编辑功能。 ?提供无硬件视频回放。它的视窗和帧 频都可调; ?可实现同步控制和实时播放。比如 当PC处理能力不够高时，播放器可丢 用于微软的视窗视频操作系统 去某些帧，调整AVI文件的实际播放数 (VFW)，目前大多数操作系统都能 Audio Video Interleave(视 AVI 率; 支持。在广电的非编系统中得到广泛使 音频交叉) ?由于交叉存储方式，可以高效地播放 用。 存储在硬盘和光盘上的AVI文件。边下 载边播放; ?但AVI采用的压缩算法并无统一的标 准。需要相应的解压缩软件。 10 电视 工程 高，多被用于编目，浏览和检索的素材的压缩。? AAF的结构比MXF和GXF复杂得多，它采用层次式 ?H.264高压缩性能和良好的网络适应能力可以成为流 文件结构，其文件中还有文件系统，这种层次结构决定了它 媒体应用中的首选。它既是一种编码格式(由它的视频编码 在传输结束前无法被使用，无法实现流操作。 层负责)又是一种打包格式(由网络提取层负责)。 ? AAF不能直接用于文件交换。可接受外部基准。支持 此外，为适应中国信息产业发展的需要，2002年由科 高性能的编辑应用，包括非线性编辑和多层画面合成、特技 技司批准成立了中国音视频标准化工作组，负责制定中国自 效果和丰富的元数据。 己的音视频编码标准，称为AVS。 因此MXF和GXF格式是更适合于文件交换时的打包格 式。 AAF格式是更适合于文件编辑时的打包格式。 AVS是2002年由中国科技司批准成立的中国音视频标准 化工作组制定的中国自己的音视频编码标准。 AVS标准包括 三(互联互通的接口系统、视频、音频、数字版权保护、文件格式、标准的一致 1( SDI 接口性，参考软件等多个部分。目前，其第二部分:视频，已经 它是电视系统从模拟信号过渡到数字信号后的主流接口 获准成为国家标准，从2006年3月1日开始实施。 类型，在广电行业中广泛的应用。这种接口方式可以看成是 AVS主要具有以下特点: 一个转码的过程，不管设备A采用的是何种压缩方式，先通 (1)压缩效率高，是MPEG-2的2倍，与H.264的编码效 过SDI编解码器转换成SDI流，传送给B设备，B设备在将其 率接近; 转换成B所使用的数据编码方式进行处理和存储。 (2)复杂度低，算法复杂度比H.264明显低，软硬件实现 2( ASI接口成本都低于H.264; 它是目前DVB广播电视系统的一个视频传输接口标准。 (3)系统级与MPEG-2兼容; ASI 接口的传输流可以有不同的数据数率，但传输数率恒 (4)我国掌握主要知识产权，专利授权模式简单，费用 定，为270Mbps. 因此可以发送和接收不同数率的MPEG-2 低。但目前没有成熟的商业应用。 数据。实现了数字信号的多路传送。 二(文件打包格式 3( IP接口 我们知道，在视频服务器的实际应用中，即使视音频 它是一种开放式标准，可免费使用。与物理网络硬 压缩格式相同，生产服务器的各厂家文件打包格式也各不相 件及操作系统无关，可将不同的网络类型集成在一起。随着 同。目前较为常见的格式有:TOMSON K2 服务器的GXF 广电行业数字化，网络化的进一步发展，预计在不久的将来 格式，HARRIS Nexio 服务器的LXF格式， Pinnacle Media 它将作为一个主要的传输接口而得到更为广泛的使用。 Stream 服务器的MXF格式，Omneon 服务器的自有格式， 四(启示等等。因此，外部素材文件如果要在不同的视频服务器环境 中传输，必须经过文件格式转换，变成视频服务器能够识别 随着专业视频领域中计算机设备和网络构架的进一步发 展，围绕节目的采集，制作，播出的各系统之间应将朝着无 的格式。 缝连接的方式发展，为了使各系统之间更好地融合在一起， 从表2的分析可以得出这样的结论: 结合现有系统的具体情况和未来发展方向，在保证图像质量 ? MXF作为AAF的简单功能版本，只支持简单的编辑 和工作效率的前提下，对于信号的编码方式，文件的打包格 功能，不能接受外部基准，主要用于不同系统之间的文件交 式和接口应及早制订出一个相对统一的或者彼此可以很好兼 换和简单编辑。 容的规范，这样也许能使近几年不断发展的电视新技术更及 ? MXF格式的文件不仅能用IP网络传输，而且能使用 时更广泛地应用到实际领域中去。 SDTI作为传输接口，这可以充分利用电视台现有的布线， 有利于从信号流传输方式向文件传输方式平滑过渡。 短讯 广电总局在4月发视频网站新牌照 许可证》，由国家广电总局颁发。这些网站目前都已具备门广电总局在4月公示一批新的互联网视频经营牌照获得 者名单。新获得牌照的企业在10家左右，其中约3家为民营 槛较低的信产部颁发的《增值电信业务经营许可证》，有的 视频网站，其余为国资背景。以视频点播形式经营的激动 还具备文化部颁发的《网络文化经营许可证》。在首批获得 牌照的企业中，国资网站由此前牌照到期继续获得的和新获 网、优度等获得了新牌照，而土豆网等以视频上传分享为主 的网站则不在此列。 得的为主，民营则仅有几个以视频点播形式经营的类似激动 互联网视频牌照正式称谓为《信息网络传播视听节目网、优度等网站可以获得。(第一财经日报)