数字视频编码与新媒体技术基础

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　　【题目】新型数字视频业务方案探究
　　【第一章】基于新媒体技术的数字视频业务发展探析绪论
　　【第二章】数字视频编码与新媒体技术基础
　　【3.1 - 3.3】DVB架构的技术特点和原理
　　【3.4】本文提出的DVB视频交互平台解决方案
　　【第四章】融合互联网技术的视频解决方案
　　【结语/参考文献】数字视频业务构建研究结语与参考文献
　　
　　第二章数字视频编码与新媒体技术基础
　　
　　数字视频信源编码技术和新媒体技术的发展存在着相互依存和促进的关系，无论新媒体技术如何发展，视频业务都是其中不可或缺的一部分，新媒体技术作为视频技术的一个重要的发布载体，是未来数字视频发布的重要手段。本章首先讨论了数字视频技术的特点和发展需求，同时，针对新媒体技术的应用特点、技术特征、发展展望等进行了分析总结。
　　
　　2.1数字视频编码技术的特点
　　
　　数字视频技术由不同应用场景，不同的编码技术等原因采用不同的格式和编码要求的方式。下面就数字视频技术的特点进行探讨。
　　
　　2.1.1常见数字视频文件格式
　　
　　1）、AVI格式（Audio Video Interleave）
　　
　　直译为音频视频交错，这是一种为多媒体和Windows应用程序广泛支持的视音频格式，它是由Microsoft公司开发的。目前AVI文件格式在视频处理系统中应用最为广泛。但是，由于AVI文件没有限定压缩标准，视频处理系统中的AVI格式视频文件大多数由硬件压缩处理，不同的视频处理系统产生的AVI文件一般不具有兼容性。
　　
　　2）、TGA文件序列（ Targa Sequence）
　　
　　这是Truevision公司开发的位图文件格式。一个TGA格式静态图片序列可看成视频文件，每个文件对应影片中的每一帧。
　　
　　3）、FLC/FLI文件格式
　　
　　FLC/FLI文件格式是Autodesk公司在其出品的3DStudio MAX,AutodeskAnimator,Animator  Pro等2D/3D动画制作软件中采用的彩色动画文件格式，属于8bit动画文件，尺寸较小。
　　
　　4）、MQ文件格式
　　
　　MOV/ QT文件格式是苹果公司推出的一种视频文件格式，可用Quick Time播放器播放。现已被包括Apple  MAC  OS、Windows95/  98、NT、2000、XP、Win7/8在内的所有主流计算机系统平台支持。Quick Time因具有跨平台、存储空间小等技术特点，得到了世界的广泛认可。
　　
　　5）、RM文件格式
　　
　　这是Real Networks公司开发的一种新型流式视频文件格式，此格式文件尺寸小，适合网络发布，因此得到迅速推广。
　　
　　6）、MPEG格式
　　
　　是运动图像压缩算法的国际标准，已被所有PC机平台支持，包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等在内的多种视频格式。VCD、SVCD、DVD、蓝光等都是MPEG技术产生出来的新型消费类产品。[46]
　　
　　2.1.2数字视频的编码标准
　　
　　顾名思义，“信源”就是信息的“源头”,信源编码技术就是解决数字视频海量原始数据的编码压缩这个重点问题，也称之为数字视频编解码技术。显而易见，视频压缩编码技术是其后数字视频传输、存储、播放等工作完成的技术前提和基础，因此视频压缩编码标准是数字视频领域的共性基础标准。由于原始的数字视频产生的文件过大，在存储和传输中需要大量的存储空间和传输带宽，不利于数字视频的后期处理和发布，为了便于数字视频的采集、编辑、存储、传输和交换，国际电联和国家标准化组织成立了专门的专家组制定数字视频压缩编码的统一标准。所谓视频编码方式就是指通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件的方式。视频流传输中最为重要的编解码标准有国际电联的H.261、H.264、H.265等系列标准，运动静止图像专家组和国际标准化组织的运动图像专家组制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等系列标准。
　　
　　我国为了推动数字视频产业的发展，打破国际专利壁垒，2002年也成立了国家自有标准的制定机构，称为数字音视频编解码技术标准（AVS）。目前，已经取得重要进展，编码效率比目前音视频产业常用的MPEG-2编码标准高2至3倍，与MPEG-4  AVC编码标准相比较，算法更加优化，技术实现方案简洁，芯片设计复杂度低，达到了国际上公认的“第二代编码标准”最高水平。并且在2012年制定和发布了升级标准AVS+,基本上同H.264标准的编码效率相当，并且工信部和国家新闻出版广电总局在2014年开始要求我国的数字视频系统必须采用或者支持AVS+标准。考虑到MPEG-1和H.261/3等数字视频编码标准已经不是主流的视频压缩编码应用标准，并且前文已经做过简要介绍，因此这里就不在详细的分析介绍。
　　
　　MPEG-2标准：MPEG-2视频编码标准是一个划分等级的系列标准，四个“级（Levels）”是按编码图像的分辨率划分的；五个“类（Profiles）”是按照按使用的编码工具的集合不同划分的。MPEG-2视频编码标准是根据“级”与“类”的组合所构成的特定应用下的子集：对某一种指定的输入格式视频图像，采用指定集合的压缩编码工具，产生在一定速率范围内的数字视频编码码流。模拟电视存在着PAL、NTSC和SECAM三大制式并存且互不兼容的问题，所以数字电视输入格式标准将三种制式统一形成一种数字演播室标准，这个标准就是CCIR601,现在我们称为ITU-RRec  BT601标准，MPEG-2标准中的四“级”输入图像格式都是基于这个标准的。低级（Low  Level）是指输入格式的像素是ITU-RRec  BT601标准格式的1/4,即352x240x30（代表图像帧频为每秒30帧，每帧图像的有效扫描行数为240行，每行的有效像素为352个）。主级（Main  Level）是指输入图像格式完全符合ITU-RRec  BT601标准图像格式，即720x480x30或720x576x25.比主级更高的是HDTV,是ITU-RRec BT601标准格式的4倍，1440高级（High-1440 Level）的图像宽高比为4:3,格式为1440x1080x30,高级（High  Level）的视频图像宽高比为16:9,格式为1920x1080x30,也就是我们通常称为的全高清模式。目前我国有线数字电视视频编码主要是采用主类和主级（MP@ML），而HDTV高清晰度数字电视采用的是MPEG-2的主类和高级（MP@HL），图2.1是MPEG-2编码逻辑框图。
　　
　　MPEG-4标准：MPEG-4视频压缩编解码标准是在MPEG-1/-2的标准基础之上进行算法的优化和改进的，保留了之前MPEG算法的优点，并且加入了支持虚拟现实模型语言（VRML,Virtual Reality Modeling Language）的功能，面向对象的合成档案功能（音效，视讯及VRML对象），数字版权管理能力（DRM）和其他相关的互动功能。由于MPEG-4视频压缩标准是一个公开的视频压缩标准平台，各类机构在MPEG-4标准的基础上开发不同的格式，所以出现了多个不同的基于MPEG-4技术的视频文件格式标准，例如微软公司的WMV  9、苹果公司的Quick Time等。MPEG-4大部份功能都由应用开发决定是否使用，就是说整个格式不可能被一个应用完全囊括，所以这个应用定义的配置（profile）和级别（level）就是MPEG-4应用于不同平台时的功能集合。
　　
　　H.264标准：H.264也是MPEG-4视频编码标准的第十部分，是由ITU-T的视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC动态图像专家组（MPEG）联合组成的联合视频组制定的高压缩度数字视频编解码器标准，我们通常称这个标准为H.264/AVC.H264标准主要包括以下几个部分：基本图像编码（primary coded picture），访问单元分割符（Access  Unit  delimiter），附加增强信息（SEI），冗余图像编码（Redundant  Coded  Picture）。H.264编码标准是在MPEG-4标准的技术基础之上研 究 建 立 的 , 其 编 解 码 流 程 主 要 包 括 以 下 五 个 部 分 : 帧 间 和 帧 内 预 测（Estimation）、量化（Quantization）和反量化、变换（Transform）和反变换、熵编码（Entropy Coding）和环路滤波（Loop Filter）。基于H.264编码标准的视频码流在相同图象质量下的数据信息压缩效率比MPEG-2标准提高了2倍左右。H.264可以提供包括11个等级、7个类别的子协议算法，其中11个等级的定义是对外部环境的规定，包括内存大小、带宽限定、网络传输性能等，编码的等级定义越高，对于网络带宽要求就高，同时相应的视频码流质量随之提高。H.264编码标准的类别定义是针对指定的应用，规定编解码器所使用的规定子集，同时规范在不同业务环境要求下编码器自身的复杂程度。
　　
　　H.265:H.265是ITU-T  VCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264,保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。具体的研究内容包括：提高压缩效率、提高鲁棒性和错误恢复能力、减少实时的时延、减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。H264由于算法优化，可以低于1Mbps的速度实现标清数字图像传送；H265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P（分辨率1280*720）普通高清音视频传送。截止2013年，HEVC标准共有三种模式：Main、Main  10、Main  Still  Picture.Main模式支持8bit色深（即红绿蓝三色各有256个色度，共1670万色），Main  10模式支持10bit色深，将会用于超高清电视（UHDTV）上。前两者都将色度采样格式限制为4:2:0.预期将在2014年对标准有所扩展，将会支持4:2:2和4:4:4采样格式（即提供了更高的色彩还原度），和多视图编码（例如3D立体视频编码）。由于目前有线电视和数字电视广播仍主要采用MPEG-2标准。H.265标准的出台最终可以说服广电网络公司放弃MPEG-2视频编码，因为同样的内容，H.265可以减少70-80%的带宽消耗。这就可以在现有带宽条件下轻松支持全高清1080p广播。但是另一方面，广电网络公司又很少有想要创新的理由，因为大多数有线电视公司在他们的目标市场中面临的竞争实在是有限。出于节省带宽的目的，反而是卫星电视公司可能将会率先采用H.265标准。
　　
　　AVS标准：AVS标准是《信息技术先进音视频编码》系列国家标准的简称，是我国自主知识产权的第二代视频压缩编解码标准，也是我国数字视频产业的共性基础标准。AVS是基于部分公开的先进视频编解码技术基础上我国通过自主创新研发的自主视频压缩编码标准，编码效率是现在通用的MPEG-2标准的2-3倍，相当于H.264/AVC标准的水平，而且技术方案和芯片的复杂度更低，达到了国际第二代视频压缩编码标准的最高水平；同时AVS采用一站式专利许可授权，避免了采用国际标准的专利许可难题，易于在视频产业内推广，同时H.264/AVC是一个单纯的视频编码标准，而我国的AVS标准是一套完整的编码标准体系，包括系统、视频、音频、媒体版权管理等多个部分的标准，是符合我国国情的数字视频压缩编码解决方案
　　
　　AVS+标准：2012年7月10日，国家广播电影电视总局正式颁布了《广播电视先进音视频编解码第1部分：视频》行业标准，即GY/T257.1-2012,简称AVS+,在国标体系中，AVS+对应《信息技术先进音视频编码第16部分：广播电视视频》；在技术体系中，AVS+在AVS1-P2（即GB/T 20090.2-2006）的基础上，增加了若干关键技术，编码效率得到了显着地提高，更适合广播电视应用。目前，AVS+包括基准类和广播类，AVS1-P2只包括基准类，因此AVS+兼容AVS1-P2,而AVS1-P2不兼容AVS+.
　　 　　
　　近年来，我国高清电视频道数量逐步增多，3D电视频道已经开播，无论是卫星、有线还是地面数字电视系统，随着开播频道的增多，传输带宽日趋紧张。AVS+是我国自主创新的视频编码技术，具有更高的编码效率，与同类国际标准H.264/AVC编码效率相当，用AVS+标准作为广播电视的视频编码，可解决广播电视行业面临的频道资源问题。AVS+标准是AVS标准的升级和优化，相对于AVS标准AVS+标准主要引入了表2.1所列出技术用于提高编码效率和算法性能。为推动AVS+应用于卫星、有线、地面数字电视及互联网电视和IPTV等领域，国家新闻出版广电总局和工业信息化部于2014年三月颁布了《广播电视先进视频编解码（AVS+）技术应用实施指南》，要求广播电视播出、传输、制作领域和IPTV的新增视频和用户终端在2014年7月1日后要开始使用支持AVS+编解码技术的设备和产品。[47][48][49]
　　
　　2.1.3视频编码标准的对比分析
　　
　　基于以上情况我们可以看到在传统的广播电视领域主要应用的是MPEG-2标准作为数字视频编码的主要技术，现在在高清和3D数字视频领域也开始应用H.264标准来完成视频编码；但是在基于网络的互联网和手机视频应用领域，H.264标准是现在主流应用技术，无论是标准清晰度、高清晰度、3D都是采用的H.264技术标准。
　　
　　H.265技术在2013年开始主推超高清晰度影响技术后逐步开始普及，对于比传统的高清晰度视频更加具有真实感的超高清晰度视频（UHD）而言H.265技术是当前最符合技术应用现实需求的视频编码技术。由于UHD（也就是4K显示技术）具有比高清视频4倍的视觉影像信息，那么更高压缩效率的H.265技术将是目前数字视频编码技术应用的主流和方向。同时无论出于国家安全或者科技、经济发展考虑，现阶段基于HD水准和以下质量标准的数字视频AVS+将是最佳的技术编码选择方案，表2.2显示了MPEG-4、H.264和AVS标准的专利和授权费用要求，因此，从经济利益和自主知识产权的角度而言，AVS是具有很大的市场竞争力和发展潜力的。AVS作为数字音视频产业“牵一发动全身”的基础性标准，现已形成从上游芯片到终端接收设备的完整产业链，为我国构建“技术→专利→标准→芯片与软件→整机与系统制造→数字媒体运营与文化产业”的新媒体数字视频产业链条提供了难得的发展机遇。[21][46]
　　
　　2.2新媒体技术及其平台特点
　　
　　2.2.1新媒体的定义和特征
　　
　　新媒体是指相对于传统媒体而言新兴媒体形态，主要是构建在数字技术、移动通信技术、网络互联技术等高新技术基础之上，通过因特网、移动通信网、有线电视网等传播渠道和个人计算机、移动电话、数字机顶盒等个人终端，向用户提供海量媒体信息、网络社交等业务的传播和媒体形态。在这样的技术基础和传播渠道上新媒体天生具有以下特点：交互性与即时性，个性化与社群化，多媒体与超文本，海量性与共享性。根据现在主要的新媒体类型和传播方式，新媒体必须具有以下主要特性：
　　
　　1）价值：媒体是信息价值的载体。该载体具有一定的听众，以信息传输时，随着传输条件，同受众的心理反应的空间条件，就促成了媒体基本价值观的形成。载体有其价值，并在自身的信息价值的传递，完成媒体价值的存在，这也是媒体价值。2）原创性：新媒体的新就是有基本的原创性。不同于个人或集体的一般意义的原创性，是具有鲜明时代特征，而同时又有别于其他时代所具备的内容、形式和理念的创新。3）效应：是指在特定的时代背景下，具有一定联系的事件所形成的一类因果现象。出现更新效应是新媒体必须具备特性。4）生命力：新媒体作为媒体形式而存在，必须具有生命力，无论生命周期的长短，都是其存在价值的体现。综上所述，新媒体必须具备以下主要特点：1、建立在数字技术和网络技术基础之上；2、以多媒体（文字、图像、视频、声音等）作为信息的呈现形式；3、具有全天候和全覆盖性的特征；4、在技术、运营、产品、服务等商业模式上具有创新性；5、新媒体的边界不断变化，呈现出媒介融合的趋势[27][30].
　　
　　2.2.2新媒体的类型
　　
　　手机媒体（微博、微信等）：手机不仅仅是语音电话和短信息，它已经是新媒体的重要载体和终端。早期的手机媒体主要还是一些基于手机通信功能的增值应用（例如手机报），但是随着移动互联网的兴起，各类社交软件和移动互联网 APP（APPlication  移动应用程序）不断涌现，通常和博客等互联网应用统称为“自媒体”.手机媒体的一个重要功能就是数字视频的播放，我国主要有两种模式在运营，一种是通过移动互联网的网络视频业务；另一种是基于CMMB（ChinaMobile Multimedia Broadcasting中国移动多媒体广播）技术的手机直播电视和信息服务。
　　
　　数字电视：数字电视作为广电传统模拟电视的升级不仅是模拟转换为数字，而且通过网络改造升级，增加了互动点播、时移电视、电视回看等诸多基于双向互动系统的增值应用，并且高清视频、3D电视、4K等内容也在迅速发展。
　　
　　IPTV（Internet  Protocol  Television,交互网络电视）：IPTV即交互式网络电视服务，指通过宽带互联网络传输直播和电报视频节目的业务形态。IPTV的重要特征之一就是互动性，IPTV从开始运营就颠覆了被动收看电视的传统，使用户由被动接受视频广播转向主动选择观看内容。我们国家的IPTV电视用户已经超过3000万户，中国电信和中国联通是我们国家主要的IPTV电视运营商。
　　
　　移动电视：移动电视具有覆盖广、反映迅速、移动性强的特点，通过无线射频信号可以覆盖城市的主要区域，除了传统广播电视无线覆盖所具有的娱乐、宣传作用以外，同时也是城市应急信息发布的重要手段，主要是通过各类车载和手持无线接收终端传播数字电视信号和公共信息的媒体形式。
　　
　　互联网视频服务：互联网视频是指通过公共宽带网络为用户提供基于网络的视频播出和内容点播，包括 OTT 电视和专业视频网站。[22][53][21]
　　
　　2.2.3新媒体的发展和展望
　　
　　在现代科技的高速发展和创新形式下，现代媒体产业结构将面临巨大的挑战，主要发展趋势包括：新媒体技术的应用将改变媒体产业的格局和发展趋势，传统媒体面临着重大的挑战，只有使用社会发展和市场需求的媒体形式才能继续保持核心竞争力，而内容将成为媒体的核心竞争力。
　　
　　1、新兴媒体行业是现代媒体的生力军，在正规媒体产业的重要性将不断提升。在欧美发达国家新媒体产业的比重已经远高于传统媒体行业。迪斯尼公司在2004年关闭了最后一个传统手工动画室，标志着动画产业在美国已经已经进入三维数字动画时代，美国《时代周刊》在2003年发表文章，展望在2015年前后，世界将进入全数字娱乐信息的时代，数字娱乐将占一半美国国内生产总值，新技术和新产品将促使数字娱乐全面超越传统娱乐方式。甚至有一天，动画制作不再是大企业的专利，随着技术的进步，每个人有梦想的人都可以通过新媒体技术创作一部自己的专业级动画作品，并且发布到网络，分享给好友并且商业化。
　　
　　2、传统的媒体行业将面临巨大的挑战和衰退，新兴媒体行业会在市场上蓬勃发展。新媒体产业对报刊、图书出版等传统媒体产业构成了巨大的挑战。全球报业在20世纪90年代中期以后，呈现了市场萎缩的状态。英国的《独立报》从1990年的超过40万份发行量，到2003年只剩下20万份的发行量。据相关资料统计，全球报业自2001年以来10%的广告收入（约15亿美元）流入新兴媒体产业。新兴媒体产业的崛起，对传统媒体产业、特别是传统媒体构成冲击是毫无疑问的。新媒体和新技术在传统媒体的应用和改造，可以让报社不再只是文字和图片信息，将增加数字视频的内容，通过人工语音合成的应用，每天我们将可以通过眼睛看视频，而通过耳朵听文章。
　　
　　3、内容是媒体产业核心竞争力
　　
　　现代科技的快速进步改变了文化表现形式，“传媒汇流”为文化传播手段和形式提供了广阔的发展空间。曾经稀缺的媒体和传播资源已经出现了过剩的情况，这样就造成文化内容供给不足以满足这种需求。因此在未来的媒体竞争中，内容就是最核心的竞争力，“内容为王”的媒体时代已经来临。而内容的制作不仅仅是制作者本身的创意和智慧，更加需要各类新技术的支撑，降低专业制作的技术门槛，通过制作内容的量变引起质变，从而推动整个新媒体视频业务的进步。基于以上讨论的新媒体类型和特点，我们能够看出我们新媒体作为一种有别于传统媒体的“第五媒体”都是基于各类通信和视频编码技术的发展，随着技术的进步，各类不同通信网络之间的界限出现交叠，那么网络和新媒体的融合发展将是必然趋势，这同业界提出的“三网融合”概念是完全一致的。
　　
　　因此，未来的新媒体业务必然是高速网络覆盖，多接入类型的全媒体方向发展。“三网融合”不仅仅是技术的简单对接和融合，更加是业务、管理、内容服务的全面融合，而且随着科技的发展，新媒体终将真正的成为“全媒体”,可以根据用户需求提供多样化、一致性、全网络的视频内容服务。其次，新媒体数字视频业务将应用于更加广泛的领域，无论是同传统媒体数字化后的融合业务，还是由于新媒体的特性所产生的新兴业务，都将极大的扩展新媒体数字视频产业的发展空间和应用前景，我们可以展望未来手机视频、PAD、PC显示器、电视终端将无缝对接，完全互动的操作，内容显示的屏间切换，方便快捷的视频分享和内容传输都是新媒体应用的发展方向。最后，与新型技术的结合应用也是新媒体应用的方向，我们可以畅想有一天，带着视网膜投影功能的个人可穿戴智能终端，看一场直播的足球世界杯决赛，同时可以和远方的朋友一起实时视频通话分享自己的感受，还可以通过虚拟现实技术让朋友感觉就在身边，这就是新技术和新媒体视频结合的业务新模式。[27][29][52]
　　
　　2.3本章小结
　　
　　无论是数字视频编码还是新媒体技术，都是在信息和通信等领域的高新技术快速发展的推动下不断创新发展的。对于 OTT 电视、微信、手机电视、网络自媒体等新兴业务和移动互联网业务的出现，都对数字视频压缩编码技术和相关通信网络技术提出了更高的技术要求，这不仅仅是一个纯粹的技术要求，还包括社会、道德、监管等不同层面的需求，具体针对本文的研究课题而言，我们主要针对相关技术和经济问题进行讨论，其他有关社会伦理和政府监管等层面的问题不在研究的范围，因此我们可以将这些需求归纳为以下几点。
　　
　　1、三网融合发展的要求
　　
　　随着通信和计算机技术的不断发展，传统的电话网络、广电网络和互联网络的技术融合和互联互通基本已经不存在技术壁垒，现在主要是完成业务、内容、管理和技术标准的对接，确保不同体系下的网络在同一接口环境中运行，因此需要数字视频技术满足多样化的网络环境和业务需求。
　　
　　2、高性能编码的要求
　　
　　由于三网融合后，业务不仅面向一类终端和用户需求，数字视频技术就必须适应不同的网络带宽和终端适配要求。则必须满足以下条件的编码才能满足当前业务发展和未来业务的需求：首先要具备较高的数字视频压缩性能，确保在不同的网络接入带宽条件下可以稳定的传输视频内容；其次，能够适配不同码率和分辨率格式，确保与不同网络和终端内容传输适配；最后，需要一定的智能化，可以根据用户使用的终端、网络情况的变化及时改变和调整编码带宽和传输方式。
　　
　　3、新业务发展的要求
　　
　　现在移动互联网业务不断涌现，互联网本身各类OTT 应用也层出不穷，4K、裸眼 3D、视网膜投影、虚拟现实等新技术不断涌现和应用，对于数字视频编码提出了更高的技术要求和功能需求，对业务应用模式提出了更多的挑战，不同的终端模式就要求采用不同的内容制作模式，不仅仅是视频的编解码，还包括封装格式、显示方式等问题的解决。
　　
　　4、业务运营的经济性
　　
　　在“三网融合”的业务背景下，新媒体业务的平台应用和内容分发将逐步向信源同一性、业务呈现多样性、用户服务多样化发展，就会出现同一内容或者应用提供商通过不同的运营商平台向不同类型的终端提供同样的内容或者服务，那么对于如何通过技术进步确保业务运营的经济性就变得至关重要。因此，采用高性价比的数字视频技术更加符合业务运营发展的需要。[6, 21]