H.264的革命-从编解码到系统架构

　　过去的数十年间,我们见证了流媒体视频在企业、政府、机构、教育等各行业应用的飞速增长。在此期间，流媒体视频质量有了长足的进步，流媒体视频内容的制作和分发也变得更加容易。此外，流媒体技术开始应用在除专业有线电视领域以外的商业领域如视频网站、开放式小区、酒店、企业远程会议等场合。

　　流媒体视频系统架构越来越复杂，但是关键的因素仍然是视频的编码和压缩，H.264视频压缩标准正是在之前一系列视频编码压缩标准基础上推出的适合于大多数应用场合，同时兼顾了压缩效率和图形质量的一种技术，这一技术得到了一些关键技术供应商如Adobe(Flash)、Microsoft(Smooth streaming)、Apple(Quick time)的采用和推动。

　　早期的编解码设备可以适应在局域网内的固定客户端应用,但是不能适应新的移动客户端如智能手机、平板电脑、移动设备及大屏幕显示等的应用。这就需要新的技术和设备来满足这样的要求，H.264编解码技术配合不同的流媒体发布技术，就可以满足用户要通过移动和固定客户端设备收视实况播出或者已经存储的视频内容的需求。

　　编码技术标准

　　MPEG-1作为被广泛采用的视音频压缩标准，初次发布于1992年，从那以后，制造商已经在很多领域内极大地提高了视音频压缩和编码的性能，包括更高的分辨率、更好的动态图像处理能力、压缩比、元数据等，许多设备制造商一直以来都采用标准化的方法并追随着MPEG(活动图像专家组)和ITU(国际电信联盟)的标准。然而，另一些公司如Microsoft,Sorenson,andGoogle则采用了其它的标准来满足自己终端的应用。

　　H.264标准

　　当下最受认可且增长迅猛的视频压缩标准就是H.264,它由ITU在2003年作为国际标准初次发布，其它的标准联盟如MPEG也配合ITU推出了与H.264同样的版本，只不过这个标准叫作MPEG-4AVC或者MPEG-4Part10。

　　图1 编码分辨率vs.压缩效率

　　早先的视频压缩标准目前有的还在广泛使用，但它们都有各自的瑕疵，如MPEG-2适合于工作在中、高压缩比特率情况下，但是压缩效率还是比较一般。MPEG-2编解码设备在低比特率情况下的图像质量是比较差的，所以不适合一些供电情况受限的设备如智能手机。MPEG-4是比较适合低带宽的应用如互联网视频流，但是图像质量比较一般并且无法倍线到到高清。Micraosoft的Windows media编码器倒是一款适合企业应用的多用途编码器，但是它需要使用微软专有的播放器，这也限制了它的大范围使用。

　　视频编码器的技术性能判断是要看它在全范围分辨率情况下的压缩效率。下图就展示了不同编码标准在不同分辨率情况下的压缩效率比较。见图1纵轴为视频分辨率，横轴为压缩效率。

　　现代流媒体系统对编解码器的要求：

　　•编解码器普适性–该编码器要求能在非常宽的视频分辨率及压缩比特率情况下工作。

　　•通用的客户端支持能力–可以在任何虚拟设备上回放，从小的手提显示设备到桌面显示设备以及大屏幕HD显示器。

　　•更高效的压缩能力,同样的视频可以用压缩到更低的数据率

　　•更强的动态图像处理–更少的图像细节丢失

　　•更广泛的格式能满足不同种类系统的应用

　　•能支持多种传输协议

　　H.264能满足以上的要求并且在任何网络结构和显示设备上都能高质量完美地再现视频，由于H.264的优越性及标准化，这几年它已成为流媒体视频技术的主导者。

　　视频编码以后，视频流就被打包通过IP网络传输，考虑到不同的IP网络环境(光网、Lan、Wan、无线网、卫星、英特网、有线电视等等)以及不同的回放设备(HD高清显示器，无线3G/4G移动设备，低带宽英特网客户端)，就需要不同的传输协议能保证视频流能在不同的网络环境及设备上平滑且可靠地传送。根据以往的经验，H.264提供了多种传输协议来满足此要求，比如RTP/RTSP,TS(传输流)，Flash RTMP,HTTP,Smooth Streaming等。这些丰富的传输选项使得不同的系统结构能精确选择流媒体协议来匹配它的应用和网络。

　　表 1 流媒体应用及传输协议

　　H.264流媒体系统框架：

　　建立一个企业级的流媒体视频系统当然要从选择编解码设备开始，但由于视频应用的多样性及网络结构的多样性，一个完整的流媒体系统很有可能包括很多的外围设备以及播放设备,图2显示了一个全面的流媒体系统框架。

　　图2 流媒体系统框架

　　如图2所示，一个完整的流媒体系统通常包括以下几个部分：

　　信号源的编码：

　　信号源有两种，一种是实时视频，如上图中的摄像机信号及卫星接收机所接收的信号。这样实时的信号源需要独立的H.264编码器编码压缩形成数据流，以便进入不同的网络进行传输和分配。

　　另一种信号源是存储的视频信号，这也分为两种，未经压缩的视频信号如DVD播放器，高清视频播放器等，同样，对此类信号也需要进行H.264编码以便进入网络。另一种是通过编码卡采集编码的H.264视频流，这个视频流时存储在硬盘上或者VOD服务器上，此类信号就不需要再进行编码压缩了。

　　目前著名的H.264编码器设备供应商有以色列VITEC、美国Visionary Solution、美国VBrick等。

　　网络协议服务器：

　　如图所示，信号源经过编码压缩后分别进入了三种不同的网络，分别是3G/Wifi/WAN无线网络、有线电视网络、IPTV/WAN/LAN网络。由于网络构架及接收显示设备是完全不同，视频流进入这三种不同的网络就需要不同的流媒体传输协议来支持。对于3G/Wifi/WAN网络来说，流媒体视频的速率不能过高，目前一般控制在1Mbps以内，该传输协议还需要支持移动设备的显示，适用的协议通常为HLS(Http Live streaming)或者IIS Smooth Streaming.网络协议服务器既可以是内置在编码器上的，也可以是独立的，图中则是由独立的流媒体服务器来完成。而有的厂家提供内置流媒体协议服务器的编码器。

　　显示客户端

　　显示端目前有以下几种：普通的PC、专业的接收机顶盒STB、移动设备(平板、手机等)。普通的PC可以通过专门的解码软件来接收并显示信号，如VLC软件、QuickTime、WindowsPlayer等。选择什么样的解码软件需要根据前边编码的格式来确定。另一种是专业的STB解码接收，由于H.264是统一的规范，所以任何符合H.264标准的解码器都可以通用，这样给客户更大的选择空间。移动客户端现在越来越普及，基于安卓和iOS系统的移动终端也可以通过相应的解码软件来接收和显示高质量的流媒体视频。

　　总结：

　　H.264标准的流媒体视频可以在不同网络中无缝传输，只要有网络的地方都可以将视频及时或实时地送达到客户终端，它突破了独立式视频系统的局限性。无论是视频会议、信号监控、大屏幕显示等都可以通过单一的网络来实现。从而实现了在单一网络中同时传输视频、数据、语音的需求，真正地利用用户现有的网络和资源，避免重复建设和多重管理。基于H.264的IPTV在Proav行业内的应用前途广阔。