IPTV编解码标准比较

分析：IPTV编解码标准比较作者：中国网通北京研究院 冯伟斌　　IPTV以IP网络为媒介，通过整合各个内容提供商，向用户提供包括直播电视业务、VOD视频点播业务、时移电视业务等高质量的视频服务。视频节目在 IP网络上传输首先需要编码压缩，以满足当前的网络带宽，因此，音视频编解码是IPTV的核心技术，选择何种音视频编解码标准对IPTV应用有着重大影响。
　　三大标准简介
　　目前IPTV采用的编解码标准主要有MPEG-4、H.264和我国具有自主知识产权的AVS三种，均为第二代信源标准。同第一代信源标准MPEG-2比较，MPEG-4的编码效率是MPEG-2的1.4倍，AVS和H.264相当，都是MPEG-2的两倍以上。
　　MPEG-4标准
　　MPEG全称是MovingPicturesExpertsGroup，即动态图象专家组,由ISO/IEC在1988年成立。MPEG-1标准于 1992年推出，主要应用于CD和VCD，MPEG-2标准于1994年推出，主要应用于数字电视和DVD。目前的有线电视、卫星电视和DVD都采用 MPEG-2格式，可以作为IPTV视频服务的节目源。MPEG-4是该专家组制定的第四代标准，在2000年初正式成为国际标准。
　　MPEG-4标准同前几代标准最大的区别是提出了基于对象编码的思想。MPEG-4在编码时将一幅图像分成一些在时间和空间上互相联系的对象，分别进行编码，经过网络传输到接收端后，再分别进行解码，然后将解码后的对象组合成所需要的图像。这样做可以对一幅图像的不同对象采用不同的编码方法，有利于不同数据类型之间的融合。MPEG-4采用了一系列创新性的技术，并在前几代标准的基础上进行了完善和改进。MPEG-4标准所需带宽相对较低，凭借其低码流高质量的优点，广泛应用在多媒体传输和存储等领域。
　　H.264标准
　　H.264是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视频编解码标准。ITU-T将该标准命名为H.264，而 ISO/IEC将其称为MPEG-4AVC，作为MPEG-4的第10部分。H.264实现了视频压缩比高、图像清晰、网络适应性好等目标。H.264压缩率是MPEG-4的1.5至2倍，在同等的画质下，H.264比MPEG-4平均节约39%的传输码流。H.264包括三个层次：基线层、主体层和扩展层。基线层主要用于可视电话、电视会议等实时视频通信;主体层主要用于数字广播电视与数字视频存储;扩展层主要用于流媒体中。各层次的清晰度和编码速度取值也各不相同。
　　H.264应用的关键技术主要有：运动预测块中采用了全面预测技术；多参考帧预测，最多可达16帧；简化处理的4×4整数DCT变换；纠错编码采用 CAVLC和CABAC；引入层次化运算，将矩阵数据块变成小块运算；增加了帧内预测和环路滤波等技术。这一系列技术的采用使H.264具有非常好的压缩率和网络适应性，在实时视频通信、数字广播电视、数字视频存储、流媒体等应用领域中得到了充分的体现。H.264的高压缩率是建立在编码的大运算量之上的，H.264的编码运算量是MPEG-2的十多倍，不过解码的运算量并没有增加很多，因此用户终端进行解码播放没有什么难度。另一方面，现今计算机的运算能力迅速发展，CPU主频和内存容量的增幅远比编码运算量要大，因此在编码上也没有难度。
　　AVS标准
　　AVS标准由成立于2002年6月的AVS工作组自主制定，主要面向高清晰度和高质量的数字广播电视、数字媒体存储、网络电视以及其它相关应用。 AVS标准在技术方案上采用国际主流技术方案，主要采纳公开的专利技术和我国的自主创新技术。AVS标准已于2006年3月获批成为国家标准，标准中的视频部分于2007年5月获得ITU-T批准，正式成为4个可选视频编码格式之一。
　　AVS的编码效率是MPEG-2标准的2-3倍，与H.264的编码效率相当。在获得高编码效率的同时，AVS的算法复杂度比H.264要低，编码复杂度相当于H.264的30%，解码复杂度相当于H.264的70%，因此软硬件实现成本都低于H.264。
　　2007年1月在信息产业部电信研究院进行了端到端的AVS和H.264视频图像质量对比测试，结果表明对于平均图像质量系数PQR，华为的AVS机顶盒优于H.264机顶盒5.02分，中兴的AVS机顶盒优于H.264机顶盒3.79分。AVS的另外一个优点是专利授权模式简单，知识产权清晰。 AVS的专利许可费用大大低于MPEG-4和H.264，仅每台编解码器象征性的收1元人民币的专利费，不对节目内容收费。此外AVS的系统应用兼容广电现有的MPEG-2系统，现有电视台基于MPEG-2的编辑和传输系统不需要改变。
　　跟H.264相比，AVS采用的不同关键技术主要有：最小8×8块的变块大小运动补偿；低复杂度的1/4像素运动补偿；B帧采用一种新型的对称预测模式，前向运动向量可直接预测后向运动向量；B帧采用了时域/空域相结合的直接预测模式；8×8整数变换/量化；基于上下文的适应性熵编码2DVLC；低复杂度的环路滤波，滤波边数降为1/4；图像级帧场自适应选择由MBAFF降为PAFF；低复杂度的帧内预测，基于8×8块进行，只使用5种模式； H.264使用5个参考帧来提高编码效率，AVS则限定至多两个参考帧。
　　应用情况比较
　　MPEG-4标准
　　相对于H.264和AVS，MPEG-4标准起步时间最早，已经有相当长的一段时间作为发展基础，因此MPEG-4产业化程度最高，是目前应用最广泛的视频编码标准。虽然H.264在技术上比MPEG-4更为先进，但H.264的商用成本较高，MPEG-4芯片相对于H.264芯片具有一定软硬件开发成本上的优势，同档次的H.264机顶盒价格比MPEG-4ASP机顶盒价格高出约300元到500元人民币。另一方面，IPTV的节目内容主要来自于广电系统，而广电系统采用MPEG-2标准存储节目内容，将MEPG-2格式的节目内容转换成MPEG-4格式相对简单，而转换成H.264格式则相对复杂得多，成本也更高。MPEG-4需2Mbit/s的带宽就可以达到标清效果，在3Mbit/s的带宽条件下即可流畅播放视频，并且质量良好、频道切换时间在2s左右。目前中国网通在哈尔滨开展的IPTV业务就是基于MPEG-4编码。
　　MPEG-4标准现在的主要问题是其过于苛刻的专利收费。MPEG-4除了对每个编解码器收取0.25美元的费用，还对传输环节进行收费。MPEG- 4根据节目播放时间对提供视频服务的节目发行商(如音像出版公司)或内容运营商(如电视台、IPTV运营商等)收取每小时0.02美元的许可费，这种收费模式引起了内容运营商的强烈反对。因此设备提供商和内容运营商开始寻求专利收费更为友善的新标准，H.264正由于其高性能和较MPEG-4更为公正的专利体系，代替MPEG-4的呼声越来越高。
　　H.264标准
　　由于H.264是ITU-T和ISO/IEC共同提出的视频编码标准，并且在编解码设备互通性上比MPEG-4要好，因此H.264已经成为当前 IPTV视频编解码标准的发展趋势。目前众多的主流编码器厂家都支持H.264标准并已经进入商业应用阶段。中国电信在上海开展的IPTV业务就是基于 H.264编码。
　　H.264的许可体系较MPEG-4更为友善的地方在部分格式将无偿使用、基本层全员免费、提供了早期低价格许可等方面。H.264仍然对传输环节收费，虽然这种方式退化成按节目、按订户以及按本地发射台数来收费，但这对运营商来说仍然是难以接受的。对于中国的IPTV产业来说，使用H.264标准，除了每个编解码器要交纳0.02美元的费用外，每点播一个节目还需要交纳0.02美元的费用，为此IPTV运营商每年将要支出数千万人民币的专利使用费。更为严重的是，H.264的知识产权归属复杂，目前有MPEG-LA、VIALicensing和Thomson三家专利代理组织负责收费。加入 MPEGLA参与收费的专利权人共17家，既MPEGLA之后，Via Licensing成立了另一个H.264，推出了另一收费政策，目前有5家专利权人加入，而Thomson公司声称不加入任何一家，单独收费，也就是说目前已经有17C、5C和1C声称对H.264收费，DVD所面临的3C、6C、1C收费的情况又将上演。
　　AVS标准
　　决定选用何种标准的最大因素并不是技术问题，而是标准的专利授权问题。AVS标准同MPEG-4和H.264相比最大的优势就在于专利使用费低，国际标准MPEG-4和H.264的专利授权问题让IPTV运营商难以负担，而AVS只对编解码设备收取每台1元钱的专利费，并不对运营商收取任何费用。同时 AVS的知识产权归属清晰，AVS的专利池包括了实施AVS标准需要的全部专利，用户不需要再向MPEG-LA等专利机构取得任何授权。根据数据统计， IPTV运营商如果使用MPEG-4标准，平均每户每年需支出80元人民币左右的专利费用，如果使用H.264标准，平均每户每年需支出40元人民币左右的专利费用。目前我国有3.7亿户的固定电话用户，假设将来全部转化为IPTV用户，IPTV运营商每年需要向国外标准支付的专利费将高达150亿到 300亿元人民币。通过使用AVS标准，将使运营商节省掉这笔巨额的专利费用，为我国IPTV产业的发展大大节省成本。
　　同MPEG-4和H.264相比，AVS由于起步最晚，产业化程度还不足。目前AVS的产业链初步形成，联合信源和上广电已经推出基于AVS标准的编码器，编码芯片还在测试中。解码芯片已经可以量产，展讯、龙晶和博通等芯片厂商都推出了支持AVS的高清解码芯片，另有多家机顶盒厂商可以提供支持AVS 标准的IPTV机顶盒。
　　作为IPTV产业链中的重要环节，中国电信和中国网通等电信运营商对于采用何种音视频编解码标准的思路相似，都在力推AVS。中国网通已经明确表示今后将会在网通的IPTV系统中采用AVS标准。2007年10月，网通在大连的AVS-IPTV试验网络验收成功，首次实现了端到端的AVS-IPTV系统整合。试验网络规划用户数为3500，VOD节目时长为3000小时，直播频道数为60路，每个频道60分钟即时时移，3天节目回看，AVS节目码率为 1.3Mbit/s(视频)。验收结果表明基于AVS标准的IPTV系统及其设备已具备规模商用的能力。目前中国电信的AVS测试工作已经完成了大部分测试任务，进展顺利，相信电信企业在IPTV系统上也将转型采用AVS。
　　发展趋势
　　MPEG-4标准起步最早，商用条件最为成熟，是目前应用最为广泛的音视频编码标准，但苛刻的专利收费限制了MPEG-4进一步的发展,同时由于 IPTV对网络带宽要求严格，目前国内MPEG-4编码在3Mbit/s的带宽下还达不到标清的图像质量,因此MPEG-4被技术上更为先进、编解码设备互通性更好、专利收费也相对更为公正的H.264标准取代已经成为IPTV产业发展的趋势。但H.264也并不是十全十美的标准，目前面临着AVS标准的激烈竞争。正如上边所说的，AVS同MPEG-4和H.264相比主要具有以下优势：
　　●技术性能领先。AVS的编码效率比MPEG-4高，与H.264相当，但实现复杂度低于H.264。
　　●专利收费更为公正。只对编解码设备收取每台1元钱的专利费，不对节目内容收费。
　　●知识产权归属清晰。AVS融合了新技术和公开知识，必要专利数量不到相应国际标准的一半，并且绝大多数专利由中国会员贡献。
　　目前为止，AVS产业联盟的会员单位已经达到26家，产业链正在逐渐成熟。今后随着AVS标准产业化的快速发展，基于AVS标准的IPTV将在不远的时间内实现大规模商用。相对于国际标准MPEG-4和H.264，AVS标准必然将在我国的IPTV编解码标准竞争中占据主导地位。