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MPEG4 面向網(wǎng)絡傳輸?shù)奶匦约皯?/p> 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?qū)ο蟮木幋a特性，闡述了MPEG-4編碼有效的網(wǎng)絡傳輸性及相關(guān)應用。
關(guān)鍵詞：復用 編碼分級 面向?qū)ο?容錯 交互應用
隨著傳統(tǒng)視頻行業(yè)的數(shù)字化，以及AV/IT的進一步實施，在網(wǎng)絡上進行視頻傳輸?shù)男枨笤絹碓蕉�。而目前�?網(wǎng)絡傳輸視頻面臨著以下問題①網(wǎng)絡資源（主要是帶寬）的不足，不可能為所有用戶提供足夠的帶寬；②視頻數(shù)據(jù)在傳輸過程中，網(wǎng)絡資源（如帶寬）、誤碼和丟包率等都是動態(tài)變化的；③網(wǎng)絡的異構(gòu)性和用戶的不同需求，使得網(wǎng)絡視頻應用面臨著不同的服務質(zhì)量的需求。而 MPEG-4編碼針對這些問題，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(nèi)容的交互性等。這些特性均支持了其面向網(wǎng)絡的傳輸性，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
復用即復合和同步與媒體對象相關(guān)的數(shù)據(jù)。 MPEG-4借助于用作定時和同步連續(xù)媒體MPEG-1和MPEG-2系統(tǒng)經(jīng)驗，定義一個三層復用對策使其編碼更加適應于不同特性寬范圍網(wǎng)絡和不同的應用場合。這對于異構(gòu)網(wǎng)絡的視頻傳輸有著重要的意義。因為在傳輸過程中，視頻數(shù)據(jù)流應與整個連接鏈路的可用帶寬相匹配，這樣可同時使網(wǎng)絡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)絡特性，便于適應不同網(wǎng)絡環(huán)境接口。在具體信號傳輸過程中，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低比特率流組合，而不需要進一步的包化或引入太多的冗余。對于常規(guī)的場景，比如一個常用活動圖像的音頻加視頻，可跳過這靈活復用層，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?shù)?分層可擴展性
所謂分級編碼，是將整個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(jù)自身能力，從同一數(shù)據(jù)流中抽出不同層進行解碼，得到不同質(zhì)量、不同時間分辨率、不同空間分辨率的視頻信號。使同一個數(shù)據(jù)流適應不同特性的解碼器，提高靈活性和有效性。對于傳輸信道來說，分層編碼可應用于不同的網(wǎng)絡帶寬和網(wǎng)絡狀況，在速率起伏很大的 IP（Internet Protocol）網(wǎng)絡及具有不同傳輸特性的異構(gòu)網(wǎng)絡上有重要的意義。
MPEG-4通過視頻對象層（VOL，Video Object Layer）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)分級編碼�；痉旨壒ぞ甙〞r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，低層稱為基本層，其它為增強層�；緦犹峁┝艘曨l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(jié)�？臻g分級使得編碼數(shù)據(jù)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。時間分級使得編碼數(shù)據(jù)流提供至少兩種幀速率的視頻圖像服務，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具有修正傳輸過程中產(chǎn)生錯誤的特性，即容錯性�？拐`碼工具包括再同步，數(shù)據(jù)恢復和誤差隱藏，且這些工具在MPEG-4均得到了進一步優(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重要的意義。由于信息經(jīng)信道傳輸后不可避免的會出現(xiàn)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。尤其對于無線電傳播，由于電磁波傳播是擴散的，地理環(huán)境復雜多變，且用戶位置處于移動中，不可預測，其信息傳輸更為不穩(wěn)定。 MPEG-4的出現(xiàn)，促進了含有視頻流內(nèi)容的移動式產(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)量并實現(xiàn)了交互性
MPEG-4標準與 MPEG-1和 MPEG-2標準最根本的區(qū)別在于MPEG-4采用基于對象的編碼方法。此編碼方法實現(xiàn)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，基于對象和內(nèi)容的現(xiàn)代編碼，使得用戶與場景交互，便于操作和控制對象，滿足了多媒體應用中人機交互的需求。
下面加以詳細說明：
MPEG-4中所見的視音頻已不再是過去MPEG-1、MPEG-2中圖像幀的概念，而是一個個視聽場景（AV場景），這些不同的AV場景由不同的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文本或用于表面模型活動的流動參數(shù)。
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）在某一時刻的采樣。VOP是MPEG-4視頻編碼的核心概念。
進行 MPEG-4編碼，首要任務就是把視頻圖像分割成不同對象或者把運動對象從背景中分離出來，然后針對不同對象采用相應的編碼方法獨立進行編碼，來實現(xiàn)高效高質(zhì)量壓縮。如對3d對象使用3d動畫適用的演算法，對前景VO壓縮編碼盡可能保留細節(jié)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行編碼時，實際上是對一幅圖像以最簡單的模型編碼方式進行編碼，對象物被描述成具有矩形外觀的的單個視頻對象，這就是紋理編碼。而傳統(tǒng)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(xiàn)了傳統(tǒng)編碼與基于內(nèi)容編碼在MPEG-4中的統(tǒng)一。
MPEG-4編碼中使用場景描述信息來說明各對象在一個復雜多媒體場景中的組合。
下面看一圖
MPEG-4 在接收端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在圖中接收端除了對各自對象進行解碼外，還對場景描述信息進行解碼。 MPEG-4的場景描述用來確定對象在時間和空間上的位置。它基本上采用VRML虛擬現(xiàn)實造型語言，這種語言規(guī)格用來描述包括3D材料、聲音和圖像的復合場景組合。場景描述像其他流動數(shù)據(jù)一樣在一個基本流中傳輸，但處理的方式與其他信息不同，接收終端需使用此信息來建立場景結(jié)構(gòu)，對多個視頻對象及音頻對象進行合成。重要的是在MPEG-4中，場景描述可以構(gòu)造和升級，從而實現(xiàn)在更高層次上的互動性。
為了更好的說明基于對象的編碼方式對交互性的意義，這里列舉薩爾諾夫公司開發(fā)的用于處理 MPEG-4 AV 的工具（下圖）。
該處理工具可實現(xiàn)
• 壓縮 /解壓縮不同的視覺對象為 MPEG4數(shù)據(jù)流
• 將視頻對象拖入窗口，同時可調(diào)整對象的大小、幀頻、碼率、透明度、層次
• 替換不同的背景
• 把自然的圖片與視頻對象與計算機合成的紋理和動畫對象混合在一起
• 生成每一個視頻對象的原數(shù)據(jù)
借助這套處理工具，用戶可在更高的語義程度上交互使用數(shù)字視頻，其可被廣泛應用于交互電視，數(shù)字演播室等領(lǐng)域。
五、 MPEG-4標準在專業(yè)視頻領(lǐng)域的應用
MPEG-4標準的開發(fā)目標是實現(xiàn)多媒體業(yè)務在各個領(lǐng)域的應用，涉及面非常廣泛，不同的應用對應的碼率、分辨率、質(zhì)量和服務也不同。為了滿足各種應用的需求，MPEG-4標準相當龐大，劃分為不同的部分與等級，或者說它提供了分類的方法。將整個標準劃分為一套子標準，利用這些子標準可以針對某些具體的應用組成不同的方案。設備廠商在應用MPEG-4標準進行產(chǎn)品研發(fā)時，可根據(jù)應用領(lǐng)域的不同，適當選擇標準工具的子集。標準的每一個部分都分別有各自最適合的應用場合。例如MPEG-4的簡易型部分，是專門針對手持式產(chǎn)品中無線視頻發(fā)射應用場合制訂的。
目前， MPEG-4標準被廣泛應用于數(shù)字電視、實時多媒體監(jiān)控、視頻會議、低比特率下的移動多媒體通信、PSTN網(wǎng)上傳輸?shù)目梢曤娫挼取?
1.MPEG4作為流媒體編碼格式在網(wǎng)絡傳輸中的應用
MPEG-4 ， 支持恒定碼率和可變碼率，可根據(jù)線路的傳送速率和對質(zhì)量的不同要求，采用不同碼率，適應不同的網(wǎng)絡帶寬，是 面向網(wǎng)絡傳輸?shù)目蓴U展性編碼。由于 MPEG-4良好的網(wǎng)絡傳輸性，被用作流媒體格式。過去各公司不得不先給自己的內(nèi)容編碼，在傳輸時再將其轉(zhuǎn)換成多媒體流格式或別的廣播格式，以便傳送給所有的電腦和電視用戶�，F(xiàn)在通過使用MPEG-4，各公司現(xiàn)在只需給自己的內(nèi)容編碼一次，只從一個服務器就可提供流式內(nèi)容。蘋果公司和Real網(wǎng)絡公司這樣的流式媒體先導人均以MPEG-4作為流媒體文件格式的基礎(chǔ)。
2.MPEG4在移動數(shù)字音頻視頻通信中的應用
MPEG-4高效的壓縮性及容錯性適合在窄帶移動網(wǎng)絡上進行多媒體通信。
3.MPEG-4基于對象編碼的特性在交互電視中的使用
例如，在轉(zhuǎn)播一場足球賽時，為了更加清楚地表現(xiàn)場上比賽狀況再現(xiàn)細節(jié)，可對賽場范圍使用高碼率碼流，而對背景及觀眾看臺部分采用低碼率。既節(jié)省了傳輸帶寬，又可保持比賽圖像的高質(zhì)量。
隨著 MPEG-4 在視頻領(lǐng)域越來越廣泛的使用，傳統(tǒng)的視頻工作流程及工作模式都將得到根本性的改變。 MPEG-4 較強的網(wǎng)絡傳輸支持性，使得 AV 與 IT 更加深刻地結(jié)合，對視頻節(jié)目的制作有著深遠的影響。轉(zhuǎn)載自 www.home1000.com 千家網(wǎng)站【MPEG4 面向網(wǎng)絡傳輸?shù)奶匦约皯谩肯嚓P(guān)文章：
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