視音頻編解碼技術及其實現
一、 視音頻編碼國際標準化組織及其壓縮標準介紹
國(guo)際上(shang)有兩(liang)(liang)個負責視音頻(pin)(pin)編碼(ma)的(de)(de)(de)(de)(de)標(biao)準(zhun)化組(zu)織,一(yi)(yi)個是(shi)VCEG(Video code Expert Group),是(shi)國(guo)際電信聯(lian)合會(hui)下的(de)(de)(de)(de)(de)視頻(pin)(pin)編碼(ma)專家組(zu),一(yi)(yi)個是(shi)MPEG(Motion Picture Expert Group),是(shi)國(guo)際標(biao)準(zhun)化組(zu)織下的(de)(de)(de)(de)(de)運動(dong)圖象專家組(zu)。這兩(liang)(liang)個視音頻(pin)(pin)編碼(ma)標(biao)準(zhun)化組(zu)織都(dou)對視音頻(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)編解(jie)碼(ma)做出了非常重要的(de)(de)(de)(de)(de)貢獻:一(yi)(yi)是(shi)推動(dong)視音頻(pin)(pin)編碼(ma)技術的(de)(de)(de)(de)(de)發展,一(yi)(yi)是(shi)推動(dong)視音頻(pin)(pin)編解(jie)碼(ma)的(de)(de)(de)(de)(de)應用。
視音頻(pin)編(bian)解碼(ma)涉及很多項(xiang)視頻(pin)和(he)音頻(pin)處理技術(shu),每一(yi)項(xiang)技術(shu)的(de)改進(jin)都(dou)(dou)對視音頻(pin)編(bian)碼(ma)做出(chu)貢(gong)獻(xian),但作為一(yi)套(tao)完整、高效的(de)編(bian)碼(ma)方(fang)案,需要集中全人類在視音頻(pin)編(bian)解碼(ma)方(fang)面(mian)的(de)最新智(zhi)慧。個人或公司(si)的(de)研究(jiu)成果,都(dou)(dou)希望(wang)被(bei)標準化組織(zhi),其經濟回報是標準使(shi)用許可權費。
這兩個(ge)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)化(hua)組織制(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)相關編碼標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)都獲得了廣泛的(de)(de)(de)應用,VCEG制(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)有H.261(被(bei)國(guo)際(ji)電信(xin)聯合會選定(ding)(ding)(ding)為(wei)(wei)電視會議的(de)(de)(de)視頻壓(ya)縮(suo)(suo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun))、 H.262(該(gai)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)同(tong)MPEG-2完全一(yi)樣,是(shi)VCEG同(tong)MPEG組成的(de)(de)(de)聯合編碼專家組JVT制(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)壓(ya)縮(suo)(suo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun),VCEG發布的(de)(de)(de)是(shi)H.262,MPEG發布的(de)(de)(de)是(shi)MPEG-2)、H.263(該(gai)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)被(bei)國(guo)際(ji)電信(xin)聯合會選定(ding)(ding)(ding)為(wei)(wei)可視電話的(de)(de)(de)視頻壓(ya)縮(suo)(suo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun),有增強(qiang)型(xing)版本(ben)H.263+、H.263++)、H.264(該(gai)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)是(shi)2002年5月VCEG為(wei)(wei)新一(yi)代(dai)交互(hu)式(shi)視頻通訊(xun)制(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun))。MPEG名氣要大(da)得多,制(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、 MPEG-7和MPEG-21 ,MPEG-1壓(ya)縮(suo)(suo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)為(wei)(wei)VCD所采納,MPEG-2的(de)(de)(de)壓(ya)縮(suo)(suo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)為(wei)(wei)DVD采納,MPEG-4是(shi)為(wei)(wei)交互(hu)式(shi)多媒體通訊(xun)制(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)壓(ya)縮(suo)(suo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun),MPEG-7是(shi)為(wei)(wei)互(hu)聯網視頻檢索(suo)制(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)壓(ya)縮(suo)(suo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)。
VCEG制定的(de)(de)壓(ya)縮(suo)標(biao)準H.26X都是(shi)針(zhen)對單一(yi)(yi)矩(ju)形視(shi)(shi)頻對象(xiang)(xiang),其追求(qiu)的(de)(de)是(shi)更高的(de)(de)壓(ya)縮(suo)效(xiao)率。MPEG-4在(zai)(zai)目(mu)(mu)前之所以(yi)很熱,是(shi)因為MPEG-4是(shi)基于多(duo)個(ge)視(shi)(shi)音頻對象(xiang)(xiang)的(de)(de)壓(ya)縮(suo)編碼標(biao)準,這非常適合于互(hu)聯(lian)網上(shang)(shang)的(de)(de)多(duo)媒體應用。在(zai)(zai)互(hu)聯(lian)網上(shang)(shang)傳播的(de)(de)多(duo)媒體信息(xi),很多(duo)是(shi)可以(yi)劃分(fen)為多(duo)個(ge)視(shi)(shi)頻對象(xiang)(xiang)的(de)(de),如(ru)電腦制作(zuo)的(de)(de)動(dong)畫節目(mu)(mu)、電視(shi)(shi)新聞(wen)節目(mu)(mu)等(deng),而在(zai)(zai)實時(shi)視(shi)(shi)頻圖象(xiang)(xiang)編碼中(zhong),在(zai)(zai)一(yi)(yi)個(ge)圖象(xiang)(xiang)矩(ju)形框中(zhong)很難(nan)實時(shi)識(shi)別多(duo)個(ge)視(shi)(shi)頻對象(xiang)(xiang),還(huan)是(shi)把一(yi)(yi)個(ge)視(shi)(shi)頻源當作(zuo)一(yi)(yi)個(ge)矩(ju)形視(shi)(shi)頻對象(xiang)(xiang)進行編碼。
VCEG在(zai)97年發布H.263的(de)壓縮標(biao)準(zhun)后,制定了短(duan)期開發計劃H.26N和(he)長期開發計劃H.26L,H.26N發展成H.263+和(he)H.263++,H.26L經過5年時間的(de)發展,在(zai)2002年5月(yue)作為(wei)H.264壓縮標(biao)準(zhun)進行發布。
MPEG在(zai)VCEG發布H.263之后,發布了(le)MPEG-4 SP(即MPEG-4第一板(ban)),在(zai)該(gai)版本(ben)中引入了(le)兩個(ge)非常重要的概念:一個(ge)是一個(ge)視(shi)頻(pin)源多(duo)個(ge)視(shi)音頻(pin)對(dui)象編碼(ma),一個(ge)是碼(ma)流傳(chuan)輸異常處理(li)(特別是無線傳(chuan)輸應用(yong))。從這里可以看出,VCEG致力于高效率的視(shi)頻(pin)編碼(ma)技術,MPEG更側(ce)重系統(tong)和(he)框架。
在(zai)(zai)(zai)2001年(nian)(nian)第四季(ji)度,VCEG H.26L發展到(dao)TML9.0時,MPEG同VCEG再次組成聯(lian)(lian)合(he)聯(lian)(lian)合(he)視頻編碼專家組JVT,對H.26L的(de)算法(fa)進行了改進和完善,在(zai)(zai)(zai)2003年(nian)(nian)5月 VCEG發布了H.264的(de)壓(ya)(ya)縮標(biao)準。MPEG在(zai)(zai)(zai)JVT對H.26L壓(ya)(ya)縮算法(fa)修改的(de)基礎(chu)上,將該(gai)技術規范(fan)納入到(dao)MPEG-4的(de)標(biao)準中,作為MPEG-4 PART10發布,即MPEG-4的(de)第三版,MPEG-4 AVC。H.264和MPEG-4 AVC代表了全人類(lei)在(zai)(zai)(zai)視音頻編解碼方面(mian)的(de)最新成果。
針(zhen)對(dui)單一矩形(xing)視(shi)頻對(dui)象(xiang),MPEG-4 AVC比MPEG-4第二(er)版MPEG-4 ACE的壓縮效率提高30%以上。
二、 H.264與MPEG-4 PART10的技術說明
同以(yi)前的視(shi)頻壓縮標準H.263++和(he)MPEG-4 ACE相比,H.264與(yu)MPEG-4 PART10采用(yong)了一些(xie)新的算法(fa),主要表現在以(yi)下幾個方面:
1、運動搜索
a、引入多參考幀
引入(ru)多達5個參考幀。
b、多種BLOCK形狀(zhuang)
有(you)16*16、16*8、8*16、8*8、8*4、4*8、4*4七種BLOCK形狀(zhuang)。
c、運(yun)動搜索精度更高
1/2象素精(jing)(jing)度搜(sou)索(suo)(suo)采用了6階濾波器,搜(sou)索(suo)(suo)精(jing)(jing)度有很大提高。也引入了1/4象素精(jing)(jing)度搜(sou)索(suo)(suo)和(he)1/8象素精(jing)(jing)度搜(sou)索(suo)(suo)。
2、殘余編碼
a、 采用整(zheng)型(xing)4*4 DCT變換
b、 量(liang)化(hua)技術(shu)改進
c、 采用DE-BLOCK技術
d、 SP幀技術
這些技術的改變,一方(fang)面提高了(le)壓縮(suo)效率(lv),另一方(fang)面運算強(qiang)度(du)大(da)(da)幅(fu)提高,大(da)(da)大(da)(da)地提高了(le)實(shi)現的難(nan)度(du)。
三、 重慶勁浪科技有限公司開發的視音頻數字化產品
海康威視(shi)從(cong)2000年5月進入視(shi)音頻(pin)編(bian)解(jie)(jie)碼(ma)這個行業(ye),就緊跟(gen)標(biao)準(zhun)(zhun)化組織制定的(de)(de)視(shi)音頻(pin)編(bian)解(jie)(jie)碼(ma)標(biao)準(zhun)(zhun)的(de)(de)步(bu)伐(fa),特別是在MPEG-4、H.26L等標(biao)準(zhun)(zhun)發展(zhan)過程中,扮演實現者的(de)(de)角色,首先是在PC平臺(tai)上實時實現壓(ya)縮標(biao)準(zhun)(zhun)所描述的(de)(de)視(shi)音頻(pin)編(bian)解(jie)(jie)碼(ma)。但(dan)PC平臺(tai)上的(de)(de)應用(yong),屬于商業(ye)化軟件的(de)(de)范疇,我們更適(shi)合做(zuo)電子產(chan)品(pin),在 DSP上實時實現,降低(di)產(chan)品(pin)成(cheng)本、提高產(chan)品(pin)的(de)(de)可靠性,才有更大的(de)(de)實用(yong)價值。
從(cong)一個(ge)視(shi)音(yin)頻編(bian)(bian)解碼模(mo)型,到一個(ge)實用的(de)視(shi)音(yin)頻編(bian)(bian)解碼軟件,要(yao)做(zuo)大量的(de)工作(zuo),從(cong)運算強(qiang)度(du)而言(yan),要(yao)降低100倍以上。
重(zhong)慶勁浪科技(ji)有限公(gong)司在數字化視音頻編(bian)解碼方面做了(le)大量的(de)工作,主(zhu)要(yao)成(cheng)果在以下幾個方面:
1、 在(zai)PC(P4 1.4GHz)平臺上完成了MPEG-4 ACE的(de)編碼(ma)和解碼(ma);
2、 在PC(P4 1.4GHz))平臺上完(wan)成了(le)H.264的(de)編碼和(he)解(jie)碼;
3、 在PHILIPS公司的DSP PNX1301(166MHz主頻)上完成了(le)MPEG-4 ACE的編碼(ma)和(he)解碼(ma)(CIF或QCIF分辨率(lv));
4、 在PHILIPS公司的(de)DSP PNX1301(180MHz)上(shang)完成了H.264的(de)編碼(ma)和解碼(ma)(CIF或QCIF分辨率);
5、 在PHILIPS公司的(de)DSP PNX1302(200MHz)上(shang)完成了H.264的(de)編碼(ma)和解碼(ma)(2CIF分辨率);
6、 在EQUATOR公(gong)司(si)的(de)DSP BSP-15-350(350MHz)上(shang)完成了MPEG-4 AVC的(de)編(bian)解碼(ma)(2CIF分辨率)。
其中,在PHILIPS公司(si)的(de)(de)DSP PNX1301上(shang)完成了(le)MPEG-4 ACE的(de)(de)編(bian)碼(ma)和解碼(ma)技術,應(ying)用在DS-400XM壓(ya)縮板卡上(shang),在國內獲得了(le)廣泛的(de)(de)應(ying)用。
在推出DS-400XM壓縮(suo)板卡(ka)之后,又推出基于H.264壓縮(suo)技(ji)術的(de)DS-400XH系(xi)列(CIF分辨率)和DS-400XH+系(xi)列(2CIF分辨率)。
四、結束語
重慶勁浪(lang)科技(ji)有限公(gong)司(si)是一家致力于研究視音(yin)頻編解(jie)碼(ma)核心技(ji)術、開(kai)發和生(sheng)產(chan)自主數字視音(yin)頻壓(ya)縮產(chan)品的專業公(gong)司(si),作(zuo)為國內(nei)在視頻處理器(DSP)上(shang)開(kai)發視頻編碼(ma)軟件(jian)的先驅,在多款視頻視頻處理器(DSP)上(shang)進行(xing)了不懈的嘗試(shi),已(yi)經取得(de)了非常有意義的進展,目前(qian)推(tui)出的DS-400XH和DS- 400XH+兩個系列的產(chan)品,代表了監控(kong)類數字視音(yin)頻編碼(ma)產(chan)品邁向更(geng)低碼(ma)率、更(geng)高分辨率的發展方向。
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