新的视频压缩标准对测试技术提出挑战(上)

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近几年来，数字媒体的发展需要高质量的视频，它取决于传输通道、编码器和解码器对数字信号的处理质量，本文介绍的新型MTS4EA视频基本流分析仪能为新一代和当前使用的视频压缩技术提供灵活的、可升级的测试解决方案，支持MPEG-4、H.26x系列和3GPP标准。        近几年来，数字通信媒体包括有线电视、卫星、因特网、DVD等等，它们的传输容量取得了突飞猛进的发展，虽然容量在不断地增加，然而，这些媒体所能提供的节目通道容量只具有两个或稍多些的数量级，这对于传输/存储未经压缩的高质量视频节目来说，还是嫌太小。

图1：视频压缩标准的演变过程。

        现在，对更多频道数、移动视频、高质量视频、高清晰度视频的需求愈来愈强烈，数字通信媒体容量的增长速率远远不能满足消费者期望值的增长需要。视频节目究竟需要多大的带宽?
         在有线传输中，一套质量良好的标准清晰度(SD)视频节目(分辨率为720X480NTSC或720x576PAL)，大约需要10-12Mbps的带宽。如果在相同的带宽内能够传输三个或者更多的频道数是不是更好?果能如此，将会给消费者带来更多的选择，也会给服务供应商带来更多的收益。
        如果是高清晰度(HD)电视又会怎么样?传输一个频道、分辨率为720的HD节目(即1280X720，逐行扫描格式)的所需带宽大约是一个频道SD节目的2.6倍，而传输一个频道、分辨率为1080i(即1920x1088，隔行扫描格式--这也是为大多数电视广播地区所乐于作出的选择)的HD节目，所需带宽大约是一个频道SD节目的6倍。节目供应商也许会在SD节目上增加HD节目，但是消费者却不愿意只能收看较少的节目(也不愿意为HD支付更多的费用)。这样看来，如果不在传输和接收技术上额外增加投资，唯一的选择就是采用更好的视频压缩方案。
        视频压缩并不是什么新鲜事物；它早在1980年就有了H.261视频压缩标准，它是为视频会议应用而设计的，其比特率为64kbps，如图1所示。按照H.261视频压缩标准，它的画面尺寸较小，受到帧频的限制，但是，它反映了当时能够处理图象压缩的能力和可以实现的可用带宽。
        标准的演变
        多少年来，在视频压缩算法/压缩标准上并行着两个国际组织的开发过程:1. H标准，这是由ITU(国际电信联盟)所开发的标准。2. MPEG标准，这是由MPEG委员会、后来又经lSO(国际标准组织)所批准的标准。
        正如人们所预计的那样，新的视频压缩标准要优于老的视频压缩标准，对于相同的图像序列，分别采用MPEG-2和H.264/AVC标准进行压缩，比较结果如图2所示，后者的压缩比得到了改善。什么原因使MPEG-4未能得到广泛的采用?MPEG-4第二部分可以提供良好的视频压缩质量，明显地超出早期标准，但它并没有得到更充分的利用。
        就商业应用而言，H.26/AVC却超过了它，这是什么原因呢? 有这样几个原因：
        1. MPEG-4标准实际上是一个十分庞大的而又复杂的标准，它由许多部分所组成:视频、句法结构、音频、系统、参考软件、测试比特流、数字权限管理等等。为使标准中的各个部分相互兼容，这无疑是一项非常艰巨的工作，因而也就延缓了标准的制订过程。
        2. 单就MPEG-4视频部分(即lS014496-2 MPEG-4第二部分，图像)而言，它也是一个很复杂的标准，到目前为止，它还涉及到一些在商业上如何实现的问题。
        3. 由于标准非常复杂，它有许多类别，其中有相当多的部分都是无法在商业上获得应用的。
4. 标准中有许多部分在技术上作了折衷处理，例如有关句法结构也不象它应具备的那样清晰，这就造成难于执行以及存在着互操作性问题。
        5. 标准中有一些内容不是十分清楚，也不够开放。
        6. 标准中还存在着某些错误，例如标准和所规定的参考软件、所规定的比特流相互之间有时存在着不一致的地方。
        在MPEG-4的开发和标准化的过程中，压缩技术仍在继续发展-H.264/VC无疑具有更好的压缩性能。在商业应用上，其中的一个重要方面是许可证问题：对MPEG-4的第二部分来说，完善许可证的管理需要太长的过程。如此说来，虽然有许多人热衷于MPEG-4的第二部分，但是，有更多新的工作正在转向H.264/AVC，也包括VC-1在内。
        是什么因素推动了H.264/AVC和VC-l标准的建立? H．264/AVC是很诱人的，这是因为有下面几个原因:
        1. H．264/AVC是当前能够应用的最好压缩方式(也是最新的压缩方式)；
        2. 它符合国际标准，得到MPEG/lS0和ITU的支持；
        3. H．264/AVC只是集中在视频部分，因此，对其标准化是较为容易的，也是在较短时间内能够实现的(它不需要与同一标准的其它许多部分的互操作问题)；
        4. 就H．264/AVC标准本身而言，它注意到了其使用的系统要素的通用性问题-例如，它只需要稍作修改，就可以用MPEG-2传送流来传送H．264/AVC视频以及MPEG-2视频。
        如上所述，对于正在使用MPEG-2传送流(TS)的整个电视广播行业来说，H．264/AVC是愈来愈诱人的。能够将H．264/AVC视频嵌入到MPEG-2传送流中，这就说明它具有后向兼容性，能够使用现已存在的、大量的、投资高昂的基础设施-例如卫星传输、TV/有线传输等等。只需对源端和目的端的视频部分加以修改，就可以发挥其性能优势:改善了的视频质量/可收看更多的频道/接收和传输高清晰度视频节目，这些都是由H．264/AVC所提供的。

图2：MPEG-4的演变过程。

        尽管就H．264/AVC本身来说较为复杂(参见“H．264/AVC的复杂性”)，但该标准经过了很好的设计，也可以使用相对较好的参考软件。对工程技术人员来说，运用H．264/AVC，尽管任务很庞大，但与运用MPEG-4相比较，一般要更容易些。
        当然，还有一些理由能够支持H．264/AVC，VC-1具有类似于H．264/AVC的性能，而且可简化处理过程并可以降低对存储器的需求。已经有很多标准团体采纳了VC-1，因此它会得到广泛的应用。对H．264/AVC和VC-1来说，还有一个重要的因素，那就是可以避免MPEG-4的商业使用许可证问题。实际上，不存在使用费用是它们能够获得大量商业应用的一个理由。
        测试前的要求
        在按照上述视频标准生产出某一产品时，如果使用第三方的编解码器不能正常地播放视频节目(或者完全不能播放)，那么所带来的问题是:第一，是哪个设备有问题(是您的设备，还是第三方设备?或者它们都有问题)；第二，问题究竟出在哪里(是句法要素错误，还是取值错误，或者是使用特性问题，或者是参数错误--更多的情况下，是由句法/数值/特性等多种原因所造成的问题)。