MPEG4 面向網(wǎng)絡(luò )傳輸的特性及應用

2004年度河南省廣播電視優(yōu)秀科技論文二等獎

摘 要：本文從MPEG-4編碼的復用基本流技術(shù) 、分級性、 容錯性及 面向對象的編碼特性，闡述了MPEG-4編碼有效的網(wǎng)絡(luò )傳輸性及相關(guān)應用。

關(guān)鍵詞：復用 編碼分級 面向對象 容錯 交互應用

隨著(zhù)傳統視頻行業(yè)的數字化，以及AV/IT的進(jìn)一步實(shí)施，在網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行視頻傳輸的需求越來(lái)越多。而目前， 網(wǎng)絡(luò )傳輸視頻面臨著(zhù)以下問(wèn)題①網(wǎng)絡(luò )資源（主要是帶寬）的不足，不可能為所有用戶(hù)提供足夠的帶寬；②視頻數據在傳輸過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )資源（如帶寬）、誤碼和丟包率等都是動(dòng)態(tài)變化的；③網(wǎng)絡(luò )的異構性和用戶(hù)的不同需求，使得網(wǎng)絡(luò )視頻應用面臨著(zhù)不同的服務(wù)質(zhì)量的需求。而 MPEG-4編碼針對這些問(wèn)題，均有有效的應對策略，因此被廣泛應用于視頻傳輸，特別是低碼率的視頻傳輸。

MPEG-4的特性包括：高質(zhì)量高壓縮率，可擴展的碼率范圍，可分級性，差錯復原性，內容的交互性等。這些特性均支持了其面向網(wǎng)絡(luò )的傳輸性，以下就分別加以介紹。

一、復用基本流技術(shù)使 MPEG-4編碼更加適應于不同特性寬范圍網(wǎng)絡(luò )

復用即復合和同步與媒體對象相關(guān)的數據。 MPEG-4借助于用作定時(shí)和同步連續媒體MPEG-1和MPEG-2系統經(jīng)驗，定義一個(gè)三層復用對策使其編碼更加適應于不同特性寬范圍網(wǎng)絡(luò )和不同的應用場(chǎng)合。這對于異構網(wǎng)絡(luò )的視頻傳輸有著(zhù)重要的意義。因為在傳輸過(guò)程中，視頻數據流應與整個(gè)連接鏈路的可用帶寬相匹配，這樣可同時(shí)使網(wǎng)絡(luò )擁塞和包丟失率達到最小，獲得給定碼率下的最優(yōu)質(zhì)量。

這三層分別為同步層、靈活復用層、傳輸復用層。其中靈活復用層可提供不同特性的復用流，諸如平均比特率和接入單元的大小。傳輸復用層使復用流適應于特殊網(wǎng)絡(luò )特性，便于適應不同網(wǎng)絡(luò )環(huán)境接口。在具體信號傳輸過(guò)程中，傳輸復用層使得復用流與特定的傳輸或存儲媒體相適配，而任選中間靈活復用層可提供幾個(gè)低比特率流組合，而不需要進(jìn)一步的包化或引入太多的冗余。對于常規的場(chǎng)景，比如一個(gè)常用活動(dòng)圖像的音頻加視頻，可跳過(guò)這靈活復用層，對于單一的音頻流和單一的視頻流可分別提供一個(gè)單一的傳輸復用流。

二、 MPEG-4視頻編碼可分級技術(shù)支持其面向傳輸的 分層可擴展性

所謂分級編碼，是將整個(gè)視頻流分為可逐級嵌入的若干層，不同復雜度的解碼器可根據自身能力，從同一數據流中抽出不同層進(jìn)行解碼，得到不同質(zhì)量、不同時(shí)間分辨率、不同空間分辨率的視頻信號。使同一個(gè)數據流適應不同特性的解碼器，提高靈活性和有效性。對于傳輸信道來(lái)說(shuō)，分層編碼可應用于不同的網(wǎng)絡(luò )帶寬和網(wǎng)絡(luò )狀況，在速率起伏很大的 IP（Internet Protocol）網(wǎng)絡(luò )及具有不同傳輸特性的異構網(wǎng)絡(luò )上有重要的意義。

MPEG-4通過(guò)視頻對象層（VOL，Video Object Layer）數據結構來(lái)實(shí)現分級編碼�；�本分級工具包括時(shí)間分級（Temporal Scalability）和空間分級（Spatial Scalability），此外還支持這些基本分級工具的組合。每一種分級編碼都至少有兩層VOL，低層稱(chēng)為基本層，其它為增強層�；�本層提供了視頻序列的基本信息，增強層提供了視頻序列更高的分辨率和細節�？臻g分級使得編碼數據流提供至少兩種空間分辨率的視頻信號，基本層提供了SDTV，增強層提供了HDTV。時(shí)間分級使得編碼數據流提供至少兩種幀速率的視頻圖像服務(wù)，基本層提供了隔行掃描HDTV，增強層提供逐行掃描HDTV。

三、容錯技術(shù)保證了 MPEG-4傳輸后的視頻質(zhì)量

MPEG-4具有修正傳輸過(guò)程中產(chǎn)生錯誤的特性，即容錯性�？拐`碼工具包括再同步，數據恢復和誤差隱藏，且這些工具在MPEG-4均得到了進(jìn)一步優(yōu)化。

由于其良好的容錯機制，使得視頻流在信道傳輸后，解碼的質(zhì)量得到保證。這對于多媒體信息在信道下的傳輸有著(zhù)重要的意義。由于信息經(jīng)信道傳輸后不可避免的會(huì )出現錯誤，且被壓縮后的信息對錯誤特別敏感，如果不加以處理，在接收端，多媒體的質(zhì)量將嚴重下降而不可用。尤其對于無(wú)線(xiàn)電傳播，由于電磁波傳播是擴散的，地理環(huán)境復雜多變，且用戶(hù)位置處于移動(dòng)中，不可預測，其信息傳輸更為不穩定。 MPEG-4的出現，促進(jìn)了含有視頻流內容的移動(dòng)式產(chǎn)品的發(fā)展。

四、基于對象的編碼技術(shù)提高了壓縮效率及質(zhì)量并實(shí)現了交互性

MPEG-4標準與 MPEG-1和 MPEG-2標準最根本的區別在于MPEG-4采用基于對象的編碼方法。此編碼方法實(shí)現了高效高質(zhì)量壓縮，使多媒體信息得以在低帶寬上傳輸。同時(shí)，基于對象和內容的現代編碼，使得用戶(hù)與場(chǎng)景交互，便于操作和控制對象，滿(mǎn)足了多媒體應用中人機交互的需求。

下面加以詳細說(shuō)明：

MPEG-4中所見(jiàn)的視音頻已不再是過(guò)去MPEG-1、MPEG-2中圖像幀的概念，而是一個(gè)個(gè)視聽(tīng)場(chǎng)景（AV場(chǎng)景），這些不同的AV場(chǎng)景由不同的AV對象組成。其對象包括自然圖像、自然音頻，合成聲音、合成圖像以及帶有附加碼流的對象如流動(dòng)文本或用于表面模型活動(dòng)的流動(dòng)參數。

在視頻編碼上引入視頻對象平面（ VOP，Video Object Plane）、視頻對象（VO）的概念，視頻對象平面（VOP，Video Object Plane）是視頻對象（VO）在某一時(shí)刻的采樣。VOP是MPEG-4視頻編碼的核心概念。

進(jìn)行 MPEG-4編碼，首要任務(wù)就是把視頻圖像分割成不同對象或者把運動(dòng)對象從背景中分離出來(lái)，然后針對不同對象采用相應的編碼方法獨立進(jìn)行編碼，來(lái)實(shí)現高效高質(zhì)量壓縮。如對3d對象使用3d動(dòng)畫(huà)適用的演算法，對前景VO壓縮編碼盡可能保留細節和平滑；而背景VO則采用高壓縮率的編碼策略，對于相同的背景只傳輸一次，減少信息量。

MPEG-4在對視頻圖像對象進(jìn)行編碼時(shí)，實(shí)際上是對一幅圖像以最簡(jiǎn)單的模型編碼方式進(jìn)行編碼，對象物被描述成具有矩形外觀(guān)的的單個(gè)視頻對象，這就是紋理編碼。而傳統編碼方式中的矩形圖在MPEG-4中被看作是VO的一種特例，這正體現了傳統編碼與基于內容編碼在MPEG-4中的統一。

MPEG-4編碼中使用場(chǎng)景描述信息來(lái)說(shuō)明各對象在一個(gè)復雜多媒體場(chǎng)景中的組合。

下面看一圖

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