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新的視頻壓縮標準對測試技術提出挑戰 |
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[ 通信界 / EDN China / m.ydtdhmb.com / 2006/8/9 22:36:06 ] |
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近幾年來，數字媒體的發展需要高質量的視頻，它取決于傳輸通道、編碼器和解碼器對數字信號的處理質量，本文介紹的新型MTS4EA視頻基本流分析儀能為新一代和當前使用的視頻壓縮技術提供靈活的、可升級的測試解決方案，支持MPEG-4、H.26x系列和3GPP標準。
近幾年來，數字通信媒體包括有線電視、衛星、因特網、DVD等等，它們的傳輸容量取得了突飛猛進的發展，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，這對于傳輸/存儲未經壓縮的高質量視頻節目來說，還是嫌太小。
圖1：視頻壓縮標準的演變過程
現在，對更多頻道數、移動視頻、高質量視頻、高清晰度視頻的需求愈來愈強烈，數字通信媒體容量的增長速率遠遠不能滿足消費者期望值的增長需要。視頻節目究竟需要多大的帶寬?
在有線傳輸中，一套質量良好的標準清晰度(SD)視頻節目(分辨率為720X480NTSC或720x576PAL)，大約需要10-12Mbps的帶寬。如果在相同的帶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，將會給消費者帶來更多的選擇，也會給服務供應商帶來更多的收益。
如果是高清晰度(HD)電視又會怎么樣?傳輸一個頻道、分辨率為720的HD節目(即1280X720，逐行掃描格式)的所需帶寬大約是一個頻道SD節目的2.6倍，而傳輸一個頻道、分辨率為1080i(即1920x1088，隔行掃描格式--這也是為大多數電視廣播地區所樂于作出的選擇)的HD節目，所需帶寬大約是一個頻道SD節目的6倍。節目供應商也許會在SD節目上增加HD節目，但是消費者卻不愿意只能收看較少的節目(也不愿意為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，唯一的選擇就是采用更好的視頻壓縮方案。
視頻壓縮并不是什么新鮮事物；它早在1980年就有了H.261視頻壓縮標準，它是為視頻會議應用而設計的，其比特率為64kbps，如圖1所示。按照H.261視頻壓縮標準，它的畫面尺寸較小，受到幀頻的限制，但是，它反映了當時能夠處理圖象壓縮的能力和可以實現的可用帶寬。
標準的演變
多少年來，在視頻壓縮算法/壓縮標準上并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、后來又經lSO(國際標準組織)所批準的標準。
正如人們所預計的那樣，新的視頻壓縮標準要優于老的視頻壓縮標準，對于相同的圖像序列，分別采用MPEG-2和H.264/AVC標準進行壓縮，比較結果如圖2所示，后者的壓縮比得到了改善。什么原因使MPEG-4未能得到廣泛的采用?MPEG-4第二部分可以提供良好的視頻壓縮質量，明顯地超出早期標準，但它并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，這是什么原因呢? 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復雜的標準，它由許多部分所組成:視頻、句法結構、音頻、系統、參考軟件、測試比特流、數字權限管理等等。為使標準中的各個部分相互兼容，這無疑是一項非常艱巨的工作，因而也就延緩了標準的制訂過程。
2. 單就MPEG-4視頻部分(即lS014496-2 MPEG-4第二部分，圖像)而言，它也是一個很復雜的標準，到目前為止，它還涉及到一些在商業上如何實現的問題。
3. 由于標準非常復雜，它有許多類別，其中有相當多的部分都是無法在商業上獲得應用的。
4. 標準中有許多部分在技術上作了折衷處理，例如有關句法結構也不象它應具備的那樣清晰，這就造成難于執行以及存在著互操作性問題。
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件、所規定的比特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許可證問題：對MPEG-4的第二部分來說，完善許可證的管理需要太長的過程。如此說來，雖然有許多人熱衷于MPEG-4的第二部分，但是，有更多新的工作正在轉向H.264/AVC，也包括VC-1在內。
是什么因素推動了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的支持
3. H．264/AVC只是集中在視頻部分，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分的互操作問題)；
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傳送流來傳送H．264/AVC視頻以及MPEG-2視頻。
如上所述，對于正在使用MPEG-2傳送流(TS)的整個電視廣播行業來說，H．264/AVC是愈來愈誘人的。能夠將H．264/AVC視頻嵌入到MPEG-2傳送流中，這就說明它具有后向兼容性，能夠使用現已存在的、大量的、投資高昂的基礎設施-例如衛星傳輸、TV/有線傳輸等等。只需對源端和目的端的視頻部分加以修改，就可以發揮其性能優勢:改善了的視頻質量/可收看更多的頻道/接收和傳輸高清晰度視頻節目，這些都是由H．264/AVC所提供的。
圖2：MPEG-4的演變過程
盡管就H．264/AVC本身來說較為復雜(參見“H．264/AVC的復雜性”)，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件。對工程技術人員來說，運用H．264/AVC，盡管任務很龐大，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持H．264/AVC，VC-1具有類似于H．264/AVC的性能，而且可簡化處理過程并可以降低對存儲器的需求。已經有很多標準團體采納了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的商業使用許可證問題。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
在按照上述視頻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頻節目(或者完全不能播放)，那么所帶來的問題是: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，問題究竟出在哪里(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--更多的情況下，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頻節目(最好是來自不同的節目源)，而后觀察有無錯誤發生，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操作性。這種方法對于用來檢查上述復雜視頻壓縮標準中的許多錯誤來說，并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信息均存入其記憶之中。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。不同的視頻壓縮標準之間有著重大的差別，從事視頻壓縮的工程技術人員需要對相關視頻標準有著深入的理解，最好使用特定標準的測試工具，這樣有助于圓滿地完成任務。
編碼器和解碼器的測試需求
編碼器比解碼器要復雜得多，因為它不僅要產生句法正確的比特流，還能進行智能性的運算以逼近輸入視頻，這樣才能選擇最佳的壓縮算法，并且速度要盡量地快(也許可以實時進行)。對于一個特定的幀/象條/宏塊/象塊，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，需要從本幀圖像的其它部分或者從其它幀圖像中尋找相關的或相接近的數據，通過運算看能否以較少的比特從本幀或前后幀中附近某一宏塊來復制宏塊或預測相關宏塊。
一般來說，為了作出哪種壓縮特性或特性的組合能夠給出最高壓縮比的判決，需要對每幀的每一部分反復進行多次。也許如預期的那樣，這需要很長的時間；對于新視頻壓縮方案，它將在壓縮比率和編碼速度之間作出折衷處理。
因此，與一個不能實時工作的編碼器相比較，在相同的視頻質量下，一個相對簡單，速度較快的實時編碼器，卻可能給出較低的壓縮比。優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，應當對視頻質量進行測量。
編碼器性能的連續改善
在相同的視頻質量下，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能化。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，為了在性能和視頻質量上作出恰當的處理，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:如果運動矢量的搜索范圍減小了X倍，那么該種類型的視頻質量會降低多少?
解碼器比編碼器要簡單些；它獲取的是給定的比特流，如果在給定的時間內能夠得到正確的分析和比特流的解釋，也就能夠正確地顯示每一幀圖像。
在這里理想的狀況是:
1. 用己知性能良好的解碼器對YUV顯示輸出進行逐個比特的比較；
2. 如果存在著差別，能夠獲取該解碼器如何對顯示象素進行計算的詳盡信息，即能夠提供反映該解碼器內部工作狀況的易于理解的完整信息。
移動電話視頻測試案例
這是歐洲一家生產移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絡運營商提供的視頻節目。網絡運營商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，對于問題出在哪里，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？還是視頻編碼的方式問題？也不清楚視頻是怎樣通過網絡發送的。
兩個月以后，手機廠商購置了壓縮視頻基本流分析儀。利用這個測試軟件，手機廠商的半導體部門終于發現了問題根本不出在手機上，也不在視頻的網絡處理上，而是在視頻編碼器--視頻編碼器與MPEG-4標準不完全一致，這就是手機不能正確顯示視頻節目的原因。
手機廠商不僅能夠發現視頻中的問題，而且能夠清楚地解釋是什么樣的問題，以及能夠說明句法的哪一特定部分存在著錯誤。更有意思的是，網絡運營商是這樣回復的:“我們現在知道了我們的視頻不符合標準，但這是由我們提供的視頻節目-你們應當對這樣的視頻進行處理。”
盡管手機廠商對網絡運營商的回復并不十分滿意，但他們利用分析儀軟件提供了詳盡的信息，利用這些信息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頻節目。
本文小結
最近推出的MTS4EA視頻基本流分析儀是一種變革性的新軟件產品，它能為新一代和當前使用的視頻壓縮技術提供靈活的、可升級的測試解決方案，能夠給出全面的基本流分析，MTS4EA支持MPEG-2、MPEG-4、H.264/AVC、H.261、H.263、H.263+和3GPP標準。有關所支持的最新視頻壓縮標準的信息，請訪問泰克公司網站：www.tektronix.com.cn/MTS4EA以了解更多信息。
視頻質量的PSNR測量
PSNR定義為信號功率與噪聲功率之比，通常用分貝表示。在圖像處理的過程中，可將信號功率當作是峰值圖像樣值數的平方，而噪聲功率可認為是該圖像中誤碼數RMS的平方，即:
PSNR=10log（?2/RMS2)
在很多精況下，PSNR并不是圖像質量的理想測量值，有許多人認為它并不能準確地代表接收的圖像質量 (當然，這也是非常難于測量的)。
還有，在比較不同的視頻碼流時，PSNR測量值也不能很好地反映不同碼流的相對質量。在任何情況下，不過，為了測量原始的、未經壓縮的源視頻質量，那么測量PSNR仍是必要的。雖然如此，在比較相同的、單個的視頻序列時，盡管壓縮方式有許多種（例如使用不同的視頻壓縮標準，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。 |
作者：EDN China 合作媒體：EDN China 編輯：顧北 |
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