新的视频压缩标准对测试技术提出挑战

近几年来，数字媒体的发展需要高质量的视频，它取决于传输通道、编码器和解码器对数字信号的处理质量，本文介绍的新型MTS4EA视频基本流分析仪能为新一代和当前使用的视频压缩技术提供灵活的、可升级的测试解决方案，支持MPEG-4、H.26x系列和3GPP标准。 近几年来，数字通信媒体包括有线电视、卫星、因特网、DVD等等，它们的传输容量取得了突飞猛进的发展，虽然容量在不断地增加，然而，这些媒体所能提供的节目通道容量只具有两个或稍多些的数量级，这对于传输/存储未经压缩的高质量视频节目来说，还是嫌太小。 图1：视频压缩标准的演变过程。 现在，对更多频道数、移动视频、高质量视频、高清晰度视频的需求愈来愈强烈，数字通信媒体容量的增长速率远远不能满足消费者期望值的增长需要。视频节目究竟需要多大的带宽? 在有线传输中，一套质量良好的标准清晰度(SD)视频节目(分辨率为720X480NTSC或720x576PAL)，大约需要10-12Mbps的带宽。如果在相同的带宽内能够传输三个或者更多的频道数是不是更好?果能如此，将会给消费者带来更多的选择，也会给服务供应商带来更多的收益。 如果是高清晰度(HD)电视又会怎么样?传输一个频道、分辨率为720的HD节目(即1280X720，逐行扫描格式)的所需带宽大约是一个频道SD节目的2.6倍，而传输一个频道、分辨率为1080i(即1920x1088，隔行扫描格式--这也是为大多数电视广播地区所乐于作出的选择)的HD节目，所需带宽大约是一个频道SD节目的6倍。节目供应商也许会在SD节目上增加HD节目，但是消费者却不愿意只能收看较少的节目(也不愿意为HD支付更多的费用)。这样看来，如果不在传输和接收技术上额外增加投资，唯一的选择就是采用更好的视频压缩方案。视频压缩并不是什么新鲜事物；它早在1980年就有了H.261视频压缩标准，它是为视频会议应用而设计的，其比特率为64kbps，如图1所示。按照H.261视频压缩标准，它的画面尺寸较小，受到帧频的限制，但是，它反映了当时能够处理图象压缩的能力和可以实现的可用带宽。 标准的演变 多少年来，在视频压缩算法/压缩标准上并行着两个国际组织的开发过程:1.H标准，这是由ITU(国际电信联盟)所开发的标准。EG标准，这是由MPEG委员会、后来又经lSO(国际标准组织)所批准的标准。 正如人们所预计的那样，新的视频压缩标准要优于老的视频压缩标准，对于相同的图像序列，分别采用MPEG-2和H.264/AVC标准进行压缩，比较结果如图2所示，后者的压缩比得到了改善。什么原因使MPEG-4未能得到广泛的采用?MPEG-4第二部分可以提供良好的视频压缩质量，明显地超出早期标准，但它并没有得到更充分的利用。 就商业应用而言，H.26/AVC却超过了它，这是什么原因呢?有这样几个原因： EG-4标准实际上是一个十分庞大的而又复杂的标准，它由许多部分所组成:视频、句法结构、音频、系统、参考软件、测试比特流、数字权限管理等等。为使标准中的各个部分相互兼容，这无疑是一项非常艰巨的工作，因而也就延缓了标准的制订过程。 2.单就MPEG-4视频部分(即lS014496-2MPEG-4第二部分，图像)而言，它也是一个很复杂的标准，到目前为止，它还涉及到一些在商业上如何实现的问题。 3.由于标准非常复杂，它有许多类别，其中有相当多的部分都是无法在商业上获得应用的。 4.标准中有许多部分在技术上作了折衷处理，例如有关句法结构也不象它应具备的那样清晰，这就造成难于执行以及存在着互操作性问题。 5.标准中有一些内容不是十分清楚，也不够开放。 6.标准中还存在着某些错误，例如标准和所规定的参考软件、所规定的比特流相互之间有时存在着不一致的地方。 在MPEG-4的开发和标准化的过程中，压缩技术仍在继续发展-H.264/VC无疑具有更好的压缩性能。在商业应用上，其中的一个重要方面是许可证问题：对MPEG-4的第二部分来说，完善许可证的管理需要太长的过程。如此说来，虽然有许多人热衷于MPEG-4的第二部分，但是，有更多新的工作正在转向H.264/AVC，也包括VC-1在内。是什么因素推动了H.264/AVC和VC-l标准的建立?H．264/AVC是很诱人的，这是因为有下面几个原因: 1.H．264/AVC是当前能够应用的最好压缩方式(也是最新的压缩方式)； 2.它符合国际标准，得到MPEG/lS0和ITU的支持 3.H．264/AVC只是集中在视频部分，因此，对其标准化是较为容易的，也是在较短时间内能够实现的(它不需要与同一标准的其它许多部分的互操作问题)； 4.就H．264/AVC标准本身而言，它注意到了其使用的系统要素的通用性问题-例如，它只需要稍作修改，就可以用MPEG-2传送流来传送H．264/AVC视频以及MPEG-2视频。 如上所述，对于正在使用MPEG-2传送流(TS)的整个电视广播行业来说，H．264/AVC是愈来愈诱人的。能够将H．264/AVC视频嵌入到MPEG-2传送流中，这就说明它具有后向兼容性，能够使用现已存在的、大量的、投资高昂的基础设施-例如卫星传输、TV/有线传输等等。只需对源端和目的端的视频部分加以修改，就可以发挥其性能优势:改善了的视频质量/可收看更多的频道/接收和传输高清晰度视频节目，这些都是由H．264/AVC所提供的。 图2：MPEG-4的演变过程。 尽管就H．264/AVC本身来说较为复杂(参见“H．264/AVC的复杂性”)，但该标准经过了很好的设计，也可以使用相对较好的参考软件。对工程技术人员来说，运用H．264/AVC，尽管任务很庞大，但与运用MPEG-4相比较，一般要更容易些。 当然，还有一些理由能够支持H．264/AVC，VC-1具有类似于H．264/AVC的性能，而且可简化处理过程并可以降低对存储器的需求。已经有很多标准团体采纳了VC-1，因此它会得到广泛的应用。对H．264/AVC和VC-1来说，还有一个重要的因素，那就是可以避免MPEG-4的商业使用许可证问题。实际上，不存在使用费用是它们能够获得大量商业应用的一个理由。测试前的要求 在按照上述视频标准生产出某一产品时，如果使用第三方的编解码器不能正常地播放视频节目(或者完全不能播放)，那么所带来的问题是:第一，是哪个设备有问题(是您的设备，还是第三方设备?或者它们都有问题)；第二，问题究竟出在哪里(是句法要素错误，还是取值错误，或者是使用特性问题，或者是参数错误--更多的情况下，是由句法/数值/特性等多种原因所造成的问题)。 编码器或解码器测试上一个非常简单的方法是播放大量的视频节目(最好是来自不同的节目源)，而后观察有无错误发生，也可使用其它销售商的编解码器，来测试您的编解码器的互操作性。这种方法对于用来检查上述复杂视频压缩标准中的许多错误来说，并不是足够严格的测试。不过，使用那些被许多开发商所使用过的工具、而且又是参照同一标准而测试的工具，也许是一种有效的方法。 测试之前要了解标准的所有细节。没有一个人能够把为保证标准一致性所必需的所有信息均存入其记忆之中。为了保证标准的一致性，通常是利用手边的标准将其与已开发的编解码器相比较，这样进展缓慢且容易出错。最好的方法是尽快地进行自动测试。不同的视频压缩标准之间有着重大的差别，从事视频压缩的工程技术人员需要对相关视频标准有着深入的理解，最好使用特定标准的测试工具，这样有助于圆满地完成任务。 编码器和解码器的测试需求 编码器比解码器要复杂得多，因为它不仅要产生句法正确的比特流，还能进行智能性的运算以逼近输入视频，这样才能选择最佳的压缩算法，并且速度要尽量地快(也许可以实时进行)。对于一个特定的帧/象条/宏块/象块，要在各种可能的编码方案中作出最佳选择，可能需要较长的时间。在这个过程中，需要从本帧图像的其它部分或者从其它帧图像中寻找相关的或相接近的数据，通过运算看能否以较少的比特从本帧或前后帧中附近某一宏块来复制宏块或预测相关宏块。 一般来说，为了作出哪种压缩特性或特性的组合能够给出最高压缩比的判决，需要对每帧的每一部分反复进行多次。也许如预期的那样，这需要很长的时间；对于新视频压缩方案，它将在压缩比率和编码速度之间作出折衷处理。 因此，与一个不能实时工作的编码器相比较，在相同的视频质量下，一个相对简单，速度较快的实时编码器，却可能给出较低的压缩比。优化编码器的一个困难是，如果压缩效率只有少量的改善，在通常情况下，人眼是看不出来的。所以，为了按照一定的方式来提高效率，应当对视频质量进行测量。 编码器性能的连续改善 在相同的视频质量下，新一代的编码器具有更高的压缩比，编码器在作出判决时也更加智能化。所必需的附加处理能力也更为合用，编码器技术也得到进一步的提高。要尽可能迅速地获取性能改善曲线，为了在性能和视频质量上作出恰当的处理，就需要深入了解一些技术细节。例如，要能够回答这样的问题:如果运动矢量的搜索范围减小了X倍，那么该种类型的视频质量会降低多少? 解码器比编码器要简单些；它获取的是给定的比特流，如果在给定的时间内能够得到正确的分析和比特流的解释，也就能够正确地显示每一帧图像。 在这里理想的状况是: 1.用己知性能良好的解码器对YUV显示输出进行逐个比特的比较； 2.如果存在着差别，能够获取该解码器如何对显示象素进行计算的详尽信息，即能够提供反映该解码器内部工作状况的易于理解的完整信息。移动电话视频测试案例 这是欧洲一家生产移动电话的大型公司的事例。该手持式电话生产商遇到一个麻烦：他们生产的新型3G手机不能解码由欧洲一家网络运营商提供的视频节目。网络运营商正计划购置手机以销售给他们的用户，当然，手机厂商竭力想解决这一问题。 正如所料，对于问题出在哪里，这两家公司存在着争议但这两家公司的工程技术人员都不真正地了解问题究竟在何处：是手机的问题？还是视频编码的方式问题？也不清楚视频是怎样通过网络发送的。 两个月以后，手机厂商购置了压缩视频基本流分析仪。利用这个测试软件，手机厂商的半导体部门终于发现了问题根本不出在手机上，也不在视频的网络处理上，而是在视频编码器--视频编码器与MPEG-4标准不完全一致，这就是手机不能正确显示视频节目的原因。 手机厂商不仅能够发现视频中的问题，而且能够清楚地解释是什么样的问题，以及能够说明句法的哪一特定部分存在着错误。更有意思的是，网络运营商是这样回复的:“我们现在知道了我们的视频不符合标准，但这是由我们提供的视频节目-你们应当对这样的视频进行处理。” 尽管手机厂商对网络运营商的回复并不十分满意，但他们利用分析仪软件提供了详尽的信息，利用这些信息研究出如何改变他们的手机，使之能够接收这种非标准的视频节目。 本文小结 最近推出的MTS4EA视频基本流分析仪是一种变革性的新软件产品，它能为新一代和当前使用的视频压缩技术提供灵活的、可升级的测试解决方案，能够给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标准。有关所支持的最新视频压缩标准的信息，请访问泰克公司网站：以了解更多信息。 视频质量的PSNR测量 PSNR定义为信号功率与噪声功率之比，通常用分贝表示。在图像处理的过程中，可将信号功率当作是峰值图像样值数的平方，而噪声功率可认为是该图像中误码数RMS的平方，即: PSNR=10log（?2/RMS2) 在很多精况下，PSNR并不是图像质量的理想测量值，有许多人认为它并不能准确地代表接收的图像质量(当然，这也是非常难于测量的)。 还有，在比较不同的视频码流时，PSNR测量值也不能很好地反映不同码流的相对质量。在任何情况下，不过，为了测量原始的、未经压缩的源视频质量，那么测量PSNR仍是必要的。虽然如此，在比较相同的、单个的视频序列时，尽管压缩方式有许多种（例如使用不同的视频压缩标准，或者使用同一标准的不同版本），却也不能提供更好的有用数据。

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