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即时通讯音视频开发(十三):实时视频编码H.264的特点与优势

前言


即时通讯应用中的实时音视频技术,几乎是IM开发中的最后一道高墙。原因在于:实时音视频技术 = 音视频处理技术 + 网络传输技术 的横向技术应用集合体,而公共互联网不是为了实时通信设计的。

有关实时音视频开发时的技术难题请参见《音视频云声网Agora:从demo到实用,中间还差1万个WebRTC》:http://www.52im.net/article-119-1.html。更多实时音视频开发相关的资料请见社区精选专辑《实时音视频开发资料汇总》。

本文主要讲解实时音视频技术中最流行的视频编码技术H.264的特点和优势,希望能为您的技术选型提供一定的参考。

系列文章


本文是系列文章中的第13篇,本系列文章的大纲如下:


H.264视频编码标准简介


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国际上制定视频编解码技术的组织有两个,一个是“国际电联(ITU-T)”,它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等,另一个是“国际标准化组织(ISO)”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组(JVT)共同制定的新数字视频编码标准,所以它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码(Advanced Video Coding,AVC)的第10 部分。因此,不论是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10,还是ISO/IEC 14496-10,都是指H.264。

H.264是国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)共同提出的继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式。H.264是ITU-T以H.26x系列为名称命名的视频编解码技术标准之一。H.264是ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像编码专家组)的联合视频组(JVT:joint video team)开发的一个数字视频编码标准。该标准最早来自于ITU-T的称之为H.26L的项目的开发。H.26L这个名称虽然不太常见,但是一直被使用着。H.264是ITU-T以H.26x系列为名称命名的标准之一,AVC是ISO/IEC MPEG一方的称呼。

H.264视频编码标准的技术特点


H264标准的主要特点如下:

  • 更高的编码效率:
    同H.263等标准的特率效率相比,能够平均节省大于50%的码率。
  • 高质量的视频画面:
    H.264能够在低码率情况下提供高质量的视频图像,在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点。
  • 提高网络适应能力:
    H.264可以工作在实时通信应用(如视频会议)低延时模式下,也可以工作在没有延时的视频存储或视频流服务器中。
  • 采用混合编码结构:
    同H.263相同,H.264也使用采用DCT变换编码加DPCM的差分编码的混合编码结构,还增加了如多模式运动估计、帧内预测、多帧预测、基于内容的变长编码、4x4二维整数变换等新的编码方式,提高了编码效率。
  • H.264的编码选项较少:
    在H.263中编码时往往需要设置相当多选项,增加了编码的难度,而H.264做到了力求简洁的“回归基本”,降低了编码时复杂度。
  • H.264可以应用在不同场合:
    H.264可以根据不同的环境使用不同的传输和播放速率,并且提供了丰富的错误处理工具,可以很好的控制或消除丢包和误码。
  • 错误恢复功能:
    H.264提供了解决网络传输包丢失的问题的工具,适用于在高误码率传输的无线网络中传输视频数据。
  • 较高的复杂度:
    264性能的改进是以增加复杂性为代价而获得的。据估计,H.264编码的计算复杂度大约相当于H.263的3倍,解码复杂度大约相当于H.263的2倍。

H.264视频编码标准的主要优势


1.低码率(Low Bit Rate):
和MPEG2和MPEG4 ASP等压缩技术相比,在同等图像质量下,采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG2的1/8,MPEG4的1/3。

2.高质量的图象:
H.264能提供连续、流畅的高质量图象(DVD质量)。

3.容错能力强:
H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。

4.网络适应性强:
H.264提供了网络抽象层(Network Abstraction Layer),使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输(例如互联网,CDMA,GPRS,WCDMA,CDMA2000等)。

H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率,在同等图像质量的条件下,H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG-4的1.5~2倍。举个例子,原始文件的大小如果为88GB,采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB,压缩比为25∶1,而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB,从88GB到879MB,H.264的压缩比达到惊人的102∶1。低码率(Low Bit Rate)对H.264的高的压缩比起到了重要的作用,和MPEG-2和MPEG-4 ASP等压缩技术相比,H.264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。尤其值得一提的是,H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像,正因为如此,经过H.264压缩的视频数据,在网络传输过程中所需要的带宽更少,也更加经济。

H.264尤其适合互联(包括移动互联网)的实时视频领域


H.264 草案中包含了用于差错消除的工具,便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输,如移动信道或IP信道中传输的健壮性。

为了抵御传输差错,H.264视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像刷新来完成,空间同步由条结构编码(slice structured coding)来支持。同时为了便于误码以后的再同步,在一幅图像的视频数据中还提供了一定的重同步点。另外,帧内宏块刷新和多参考宏块允许编码器在决定宏块模式的时候不仅可以考虑编码效率,还可以考虑传输信道的特性。

除了利用量化步长的改变来适应信道码率外,在H.264中,还常利用数据分割的方法来应对信道码率的变化。从总体上说,数据分割的概念就是在编码器中生成具有不同优先级的视频数据以支持网络中的服务质量QoS。例如采用基于语法的数据分割(syntax-based data partitioning)方法,将每帧数据的按其重要性分为几部分,这样允许在缓冲区溢出时丢弃不太重要的信息。还可以采用类似的时间数据分割(temporal data partitioning)方法,通过在P帧和B帧中使用多个参考帧来完成。

在无线通信的应用中可以通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率变化。可是,在多播的情况下,要求编码器对变化的各种比特率进行响应是不可能的。因此,不同于MPEG-4中采用的精细分级编码FGS(Fine Granular Scalability)的方法(效率比较低),H.264采用流切换的SP帧来代替分级编码。

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