MPEG4 面向网络传输的特性及应用

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MPEG4 面向网络传输的特性及应用

2004年度河南省广播电视优秀科技论文二等奖

摘要：本文从MPEG-4编码的复用基本流技术、分级性、容错性及面向对象的编码特性，阐述了MPEG-4编码有效的网络传输性及相关应用。

关键词：复用编码分级面向对象容错交互应用

随着传统视频行业的数字化，以及AV/IT的进一步实施，在网络上进行视频传输的需求越来越多。而目前，网络传输视频面临着以下问题①网络资源（主要是带宽）的不足，不可能为所有用户提供足够的带宽；②视频数据在传输过程中，网络资源（如带宽）、误码和丢包率等都是动态变化的；③网络的异构性和用户的不同需求，使得网络视频应用面临着不同的服务质量的需求。而 MPEG-4编码针对这些问题，均有有效的应对策略，因此被广泛应用于视频传输，特别是低码率的视频传输。

MPEG-4的特性包括：高质量高压缩率，可扩展的码率范围，可分级性，差错复原性，内容的交互性等。这些特性均支持了其面向网络的传输性，以下就分别加以介绍。

一、复用基本流技术使 MPEG-4编码更加适应于不同特性宽范围网络

复用即复合和同步与媒体对象相关的数据。 MPEG-4借助于用作定时和同步连续媒体MPEG-1和MPEG-2系统经验，定义一个三层复用对策使其编码更加适应于不同特性宽范围网络和不同的应用场合。这对于异构网络的视频传输有着重要的意义。因为在传输过程中，视频数据流应与整个连接链路的可用带宽相匹配，这样可同时使网络拥塞和包丢失率达到最小，获得给定码率下的最优质量。

这三层分别为同步层、灵活复用层、传输复用层。其中灵活复用层可提供不同特性的复用流，诸如平均比特率和接入单元的大小。传输复用层使复用流适应于特殊网络特性，便于适应不同网络环境接口。在具体信号传输过程中，传输复用层使得复用流与特定的传输或存储媒体相适配，而任选中间灵活复用层可提供几个低比特率流组合，而不需要进一步的包化或引入太多的冗余。对于常规的场景，比如一个常用活动图像的音频加视频，可跳过这灵活复用层，对于单一的音频流和单一的视频流可分别提供一个单一的传输复用流。

二、 MPEG-4视频编码可分级技术支持其面向传输的分层可扩展性

所谓分级编码，是将整个视频流分为可逐级嵌入的若干层，不同复杂度的解码器可根据自身能力，从同一数据流中抽出不同层进行解码，得到不同质量、不同时间分辨率、不同空间分辨率的视频信号。使同一个数据流适应不同特性的解码器，提高灵活性和有效性。对于传输信道来说，分层编码可应用于不同的网络带宽和网络状况，在速率起伏很大的 IP（Internet Protocol）网络及具有不同传输特性的异构网络上有重要的意义。

MPEG-4通过视频对象层（VOL，Video Object Layer）数据结构来实现分级编码。基本分级工具包括时间分级（Temporal Scalability）和空间分级（Spatial Scalability），此外还支持这些基本分级工具的组合。每一种分级编码都至少有两层VOL，低层称为基本层，其它为增强层。基本层提供了视频序列的基本信息，增强层提供了视频序列更高的分辨率和细节。空间分级使得编码数据流提供至少两种空间分辨率的视频信号，基本层提供了SDTV，增强层提供了HDTV。时间分级使得编码数据流提供至少两种帧速率的视频图像服务，基本层提供了隔行扫描HDTV，增强层提供逐行扫描HDTV。

三、容错技术保证了 MPEG-4传输后的视频质量

MPEG-4具有修正传输过程中产生错误的特性，即容错性。抗误码工具包括再同步，数据恢复和误差隐藏，且这些工具在MPEG-4均得到了进一步优化。

由于其良好的容错机制，使得视频流在信道传输后，解码的质量得到保证。这对于多媒体信息在信道下的传输有着重要的意义。由于信息经信道传输后不可避免的会出现错误，且被压缩后的信息对错误特别敏感，如果不加以处理，在接收端，多媒体的质量将严重下降而不可用。尤其对于无线电传播，由于电磁波传播是扩散的，地理环境复杂多变，且用户位置处于移动中，不可预测，其信息传输更为不稳定。 MPEG-4的出现，促进了含有视频流内容的移动式产品的发展。

四、基于对象的编码技术提高了压缩效率及质量并实现了交互性

MPEG-4标准与 MPEG-1和 MPEG-2标准最根本的区别在于MPEG-4采用基于对象的编码方法。此编码方法实现了高效高质量压缩，使多媒体信息得以在低带宽上传输。同时，基于对象和内容的现代编码，使得用户与场景交互，便于操作和控制对象，满足了多媒体应用中人机交互的需求。

下面加以详细说明：

MPEG-4中所见的视音频已不再是过去MPEG-1、MPEG-2中图像帧的概念，而是一个个视听场景（AV场景），这些不同的AV场景由不同的AV对象组成。其对象包括自然图像、自然音频，合成声音、合成图像以及带有附加码流的对象如流动文本或用于表面模型活动的流动参数。

在视频编码上引入视频对象平面（ VOP，Video Object Plane）、视频对象（VO）的概念，视频对象平面（VOP，Video Object Plane）是视频对象（VO）在某一时刻的采样。VOP是MPEG-4视频编码的核心概念。

进行 MPEG-4编码，首要任务就是把视频图像分割成不同对象或者把运动对象从背景中分离出来，然后针对不同对象采用相应的编码方法独立进行编码，来实现高效高质量压缩。如对3d对象使用3d动画适用的演算法，对前景VO压缩编码尽可能保留细节和平滑；而背景VO则采用高压缩率的编码策略，对于相同的背景只传输一次，减少信息量。

MPEG-4在对视频图像对象进行编码时，实际上是对一幅图像以最简单的模型编码方式进行编码，对象物被描述成具有矩形外观的的单个视频对象，这就是纹理编码。而传统编码方式中的矩形图在MPEG-4中被看作是VO的一种特例，这正体现了传统编码与基于内容编码在MPEG-4中的统一。

MPEG-4编码中使用场景描述信息来说明各对象在一个复杂多媒体场景中的组合。

下面看一图

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