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處理器/DSP  

新的視訊壓縮標準對測試技術提出挑戰

上網時間: 2005年07月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:有線電視  衛星  網際網路  DVD  行動視訊 

近年來,數位媒體的發展需要高品質的視訊,它取決於傳輸通道、編碼器和解碼器對數位訊號的處理品質,本文介紹的新型MTS4EA視訊基本串流分析儀能為新一代和當前使用的視訊壓縮技術提供靈活的、可升級的測試解決方案,支援MPEG-4、H.26x系列和3GPP標準。

近幾年來,數位通訊媒體包括有線電視衛星網際網路DVD等等,它們的傳輸容量取得迅速發展,雖然容量在不斷地增加,然而,這些媒體所能提供的節目通道容量只具有兩個或稍多些的數量級,這對於傳輸/儲存未經壓縮的高品質視訊節目來說,還是嫌太小。

現在,對更多頻道數、行動視訊、高品質視訊、高解析度視訊的需求愈來愈強烈,數位通訊媒體容量的成長速率遠遠不能滿足消費者期望值的成長需要。視訊節目究竟需要多大的頻寬?

在有線傳輸中,一套品質良好的標準解析度(SD)視訊節目(解析度為720X480NTS或720x576PAL),大約需要10-12Mbps的頻寬。如果在相同的頻寬內能夠傳輸三個或者更多的頻道數是不是更好?果能如此,將會為消費者帶來更多的選擇,也會為服務供應商帶來更多的收益。

如果是高解析度(HD)電視又會怎麼樣?傳輸一個頻道、解析度為720的HD節目(即1280X720,逐行掃描格式)的所需頻寬大約是一個頻道SD節目的2.6倍,而傳輸一個頻道、解析度為1080i(即1920x1088,隔行掃描格式--這也是為大多數電視廣播地區所樂於作出的選擇)的HD節目,所需頻寬大約是一個頻道SD節目的6倍。節目供應商也許會在SD節目上增加HD節目,但是消費者卻不願意只能收看較少的節目(也不願意為HD支付更多的費用)。這樣看來,如果不在傳輸和接收技術上額外增加投資,唯一的選擇就是採用更好的視訊壓縮方案。

視訊壓縮並不是什麼新鮮事物;它早在1980年就有了H.261視訊壓縮標準,它是為視訊會議應用而設計的,其位元率為64kbps,如圖1所示。按照H.261視訊壓縮標準,它的畫面尺寸較小,受到訊框頻的限制,但是,它反映了當時能夠處理影像壓縮的能力和可以實現的可用頻寬。

圖1:視訊壓縮標準的演變過程。

標準的演變

多少年來,在視訊壓縮演算法/壓縮標準上平行著兩個國際組織的開發過程:1. H標準,這是由ITU(國際電信聯盟)所開發的標準。2. MPEG標準,這是由MPEG委員會、後來又經lSO(國際標準組織)所核准的標準。

正如人們所預計的那樣,新的視訊壓縮標準要優於先前的視訊壓縮標準,對於相同的影像序列,分別採用MPEG-2和H.264/AVC標準進行壓縮,比較結果如圖2所示,後者的壓縮比得到了改善。什麼原因使MPEG-4未能得到廣泛的採用?MPEG-4第二部份可以提供良好的視訊壓縮品質,明顯地超出早期標準,但它並沒有得到更充分的利用。

就商業應用而言,H.26/AVC卻超過了它,這是什麼原因呢?有這樣幾個原因:

1. MPEG-4標準實際上是一個十分龐大的而又複雜的標準,它由許多部份所組成:視訊、句法結構、音訊、系統、參考軟體、測試位元串流、數位版權管理等。為使標準中的各個部份相互相容,這無疑是一項非常艱鉅的工作,因而也就延緩了標準的制訂過程。


2. 單就MPEG-4視訊部份(即lS014496-2 MPEG-4第二部份,影像)而言,它也是一個很複雜的標準,到目前為止,它還涉及到一些在商業上如何實現的問題。


3. 由於標準非常複雜,它有許多類別,其中有相當多的部份都是無法在商業上獲得應用的。


4. 標準中有許多部份在技術上作了折衷處理,例如有關句法結構也不像它應具備的那樣清晰,這就造成難於執行以及存在著互作業性問題。


5. 標準中有一些內容不是十分清楚,也不夠開放。


6. 標準中還存在著某些錯誤,例如標準和所規定的參考軟體、所規定的位元串流相互之間有時存在著不一致的地方。

在MPEG-4的開發和標準化的過程中,壓縮技術仍在繼續發展-H.264/VC無疑具有更好的壓縮性能。在商業應用上,其中的一個重要方面是授權問題:對MPEG-4的第二部份來說,完善授權的管理需要太長的過程。如此說來,雖然有許多人熱衷於MPEG-4的第二部份,但是,有更多新的工作正在轉向H.264/AVC,也包括VC-1在內。

是什麼因素推動了H.264/AVC和VC-l標準的建立?H.264/AVC是很誘人的,這是因為有下面幾個原因:

1. H.264/AVC是當前能夠應用的最好壓縮方式(也是最新的壓縮方式);


2. 它符合國際標準,得到MPEG/lS0和ITU的支援;


3. H.264/AVC只是集中在視訊部份,因此,對其標準化是較為容易的,也是在較短時間內能夠實現的(它不需要與同一標準的其它許多部份的互作業問題);


4. 就H.264/AVC標準本身而言,它注意到了其使用的系統要素的通用性問題-例如,它只需要稍作修改,就可以用MPEG-2傳送串流來傳送H.264/AVC視訊以及MPEG-2視訊。

如上所述,對於正在使用MPEG-2傳送串流(TS)的整個電視廣播產業來說,H.264/AVC是愈來愈誘人的。能夠將H.264/AVC視訊嵌入到MPEG-2傳送串流中,這就說明它具有後向相容性,能夠使用現已存在的、大量的、投資高昂的基礎設施,如衛星傳輸、TV/有線傳輸等等。只需對源端和目的端的視訊部份加以修改,就可以發揮其性能優勢:改善視訊品質;可收看更多頻道;接收和傳輸高解析度視訊節目;而這些都是由H.264/AVC所提供的。

4. 儘管就H.264/AVC本身來說較為複雜,但該標準經過了很好的設計,也可以使用相對較好的參考軟體。對工程技術人員來說,運用H.264/AVC,儘管任務很龐大,但與運用MPEG-4相比較,一般要更容易些。

當然,還有一些理由能夠支援H.264/AVC,VC-1具有類似於H.264/AVC的性能,而且可簡化處理過程並可以降低對記憶體的需求。已經有很多標準團體採納了VC-1,因此它會得到廣泛的應用。對H.264/AVC和VC-1來說,還有一個重要的因素,那就是可以避免MPEG-4的商業使用授權問題。實際上,不存在使用費用是它們能夠獲得大量商業應用的一個理由。

測試前的要求

在按照上述視訊標準生產出某一產品時,如果使用第三方的編解碼器不能正常地播放視訊節目(或者完全不能播放),那麼所帶來的問題是:第一,是哪個設備有問題(是您的設備,還是第三方設備?或者它們都有問題?;第二,問題究竟出在哪裡(是句法要素錯誤,還是取值錯誤,或者是使用特性問題,或者是參數錯誤等更多情況下,是由句法/數值/特性等多種原因所造成的問題。

編碼器或解碼器測試上一個非常簡單的方法是播放大量的視訊節目(最好是來自不同的節目源),而後觀察有無錯誤產生,也可使用其它銷售商的編解碼器,來測試您的編解碼器的互作業性。這種方法對於用來檢查上述複雜視訊壓縮標準中的許多錯誤來說,並不是足夠嚴格的測試。不過,使用那些被許多開發商所使用過的工具、而且又是參照同一標準而測試的工具,也許是一種有效的方法。

測試之前要了解標準的所有細節。沒有一個人能夠把為保證標準一致性所必需的所有資訊均存入其記憶之中。為了保證標準的一致性,通常是利用手邊的標準將其與已開發的編解碼器相比較,這樣進展緩慢且容易出錯。最好的方法是盡快地進行自動測試。不同的視訊壓縮標準之間有著重大的差別,從事視訊壓縮的工程技術人員需要對相關視訊標準有著深入的理解,最好使用特定標準的測試工具,這樣有助於圓滿地完成任務。

編碼器和解碼器的測試需求

編碼器比解碼器要複雜得多,因為它不僅要產生句法正確的位元串流,還能進行智慧性的運算以逼近輸入視訊,這樣才能選擇最佳的壓縮演算法,並且速度要盡量快(也許可以即時進行)。對於一個特定的訊框/巨集塊,要在各種可能的編碼方案中作出最佳選擇,可能需要較長的時間。在這個過程中,需要從本訊框影像的其它部份或者從其它訊框影像中尋找相關的或相接近的數據,透過運算看能否以較少的位元從本訊框或前後訊框中附近某一巨集塊來複製巨集塊或預測相關巨集塊。

一般來說,為了作出哪種壓縮特性或特性的組合能夠提供最高壓縮比的判決,需要對每訊框的每一部份反覆進行多次。也許如預期的那樣,這需要很長的時間;對於新視訊壓縮方案,它將在壓縮比率和編碼速度之間作出折衷處理。

因此,與一個不能即時工作的編碼器相比較,在相同的視訊品質下,一個相對簡單,速度較快的即時編碼器,卻可能提供較低的壓縮比。最佳化編碼器的一個困難是,如果壓縮效率只有少量的改善,在通常情況下,人眼是看不出來的。所以,為了按照一定的方式來提高效率,應當對視訊品質進行測量。

編碼器性能的連續改善

在相同的視訊品質下,新一代的編碼器具有更高的壓縮比,編碼器在作出判決時也更加智慧化。所必需的附加處理能力也更為合用,編碼器技術也得到進一步的提高。要盡可能迅速地獲取性能改善曲線,為了在性能和視訊品質上作出恰當的處理,就需要深入了解一些技術細節。例如,要能夠回答這樣的問題:如果運動向量的搜索範圍減小了X倍,那麼該種類型的視訊品質會降低多少?

解碼器比編碼器要簡單些;它獲取的是特定的位元串流,如果在特定的時間內能夠得到正確的分析和位元串流的解釋,也就能夠正確地顯示每一訊框影像。

圖2:MPEG-4的演變過程。

在這裡理想的狀況是:

1. 用己知性能良好的解碼器對YUV顯示輸出進行逐個位元的比較;


2. 如果存在著差別,能夠獲取該解碼器如何對顯示畫素進行計算的詳盡資訊,即能夠提供反映該解碼器內部工作狀況的易於理解的完整資訊。

行動電話視訊測試案例

這是歐洲一家生產行動電話的大型公司的事例。該手持式電話生產商遇到一個麻煩:他們生產的新型3G手機不能解碼由歐洲一家網路業者提供的視訊節目。網路業者正計劃購置手機以銷售給他們的用戶,當然,手機廠商竭力想解決這一問題。

正如所料,對於問題出在哪裡,這兩家公司存在著爭議但這兩家公司的工程技術人員都不真正地了解問題究竟在何處:是手機的問題?還是視訊編碼的方式問題?也不清楚視訊是怎樣透過網路發送的。

兩個月以後,手機廠商購置了壓縮視訊基本串流分析儀。利用這個測試軟體,手機廠商的半導體部門終於發現了問題根本不出在手機上,也不在視訊的網路處理上,而是在視訊編碼器--視訊編碼器與MPEG-4標準不完全一致,這就是手機不能正確顯示視訊節目的原因。

手機廠商不僅能夠發現視訊中的問題,而且能夠清楚地解釋是什麼樣的問題,以及能夠說明句法的哪一特定部份存在著錯誤。更有意思的是,網路業者是這樣回覆的:“我們現在知道了我們的視訊不符合標準,但這是由我們提供的視訊節目,你們應當對這樣的視訊進行處理。”

儘管手機廠商對網路業者的回覆並不十分滿意,但他們利用分析儀軟體提供了詳盡的資訊,利用這些資訊研究出如何改變他們的手機,使之能夠接收這種非標準的視訊節目。

本文小結

最近推出的MTS4EA視訊基本串流分析儀是一種變革性的新軟體產品,它能為新一代和當前使用的視訊壓縮技術提供靈活的、可升級的測試解決方案,能夠提供出全面的基本串流分析,MTS4EA支援MPEG-2、MPEG-4、H.264/AVC、H.261、H.263、H.263+和3GPP標準。

有視訊品質的PSNR測量PSNR定義為訊號功率與噪音功率之比,通常用分貝表示。在圖像處理的過程中,可以將訊號功率當作是峰值圖像樣值數的平方,而噪音功率可以認為是該圖像中誤碼數RMS的平方,即:

PSNR=10log(S2/RMS2)

在很多情況下,PSNR並不是圖像品質的理想測量值,有許多人認為它並不能準確地代表接收的圖像品質(當然,這也是非常難於測量的)。還有,在比較不同的視訊碼串流時,PSNR測量值也不能很好地反映不同碼串流的相對品質。在任何情況下,為了測量原始的、未經壓縮的原始視訊品質,那麼測量PSNR仍是必要的。雖然如此,在比較相同的、單個的視訊序列時,儘管壓縮方式有許多種(例如使用不同的視訊壓縮標準,或者使用同一標準的不同版本),卻也不能提供更好的有用數據。

供稿:Tektronix公司




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