当前几种主流高清编码方式和文件封装格式介绍

当前几种主流高清编码方式和文件封装格式介绍 随着高清技术的逐渐普及 越来越多的节目都采用高清设备来制作 目前 像 Avid Sony Panasonic Thomson等主流厂家都有各自系列的高清设备 它们所采用的编 码方式和文件的封装格式则各有不同 目前几种主流的高清编码方式有 由ITU T和 ISO IEC联合开发的H 264 AVC MPEG 4标准 由苹果公司开发的ProRes 422 由JPEG组织 负责制定的JPEG 2000 以及由Avid公司开发的DNxHD等 主流的文件封装格式有 TS AVI MKV MOV等 下面就这几种主流的高清编码方式和文件封装格式做一个介绍 一 编码方式 1 1 H 264H 264 AVCAVC MPEG 4MPEG 4 H 264与MPEG 2格式和其他之前的格式相比 压缩效率更高 H 264标准由国际电信联盟 电信标准化部门 ITU T 和国际标准化组织 国际电工委员会 ISO IEC 共同研究发布 因此H 264有两个名称 一个是沿用ITU T组织的H 26 名称 叫 H 264 另一个则是 AVC Advanced Video Coding高级视频编码 这个标准也被归为MPEG 4的第10部分 H 264格式定位于覆盖整个视频应用领域 它将主要应用在具有高压缩率和分层次质量 需求的方向 包括 低码率的无线应用 标准清晰度和高清晰度的电视广播应用 Internet上的视频流应用 传输高清晰度的DVD视频以及应用于数码相机的高质量视频应 用等等 H 264能以较低的数据速率传送基于联网协议 IP 的视频流 在视频质量 压 缩效率和数据包恢复丢失等方面 超越了现有的MPEG 2 MPEG 4和H 26 视频通讯标准 更适合窄带传输 在极低码率 32 128Kbps 的情况下 H 264与MPEG 4相比具有性能倍 增效应 即 相同码率的H 264媒体流和MPEG 4媒体流相比 H 264拥有大约3个分贝的增 益 画质水平倍增 32Kbps的H 264媒体流 其信噪比与128K的MPEG 4媒体流相近 即 在同样的画面质量下 H 264的码率仅仅为MPEG 4的四分之一 但是 H 264在获得优越性 能的同时 带来的是计算复杂度增加 例如分层设计 多帧参论 多模式运动估计 改进 的帧内预测等 因此对硬件要求是最高的 H 264 AVC MPEG 4采用的核心技术有以下几个部分 帧间和帧内预测 变换 和反 变换 量化 和反量化 环路滤波 熵编码 帧间预测帧间预测 H 264的帧间预测是改良的运动估计 运动估计用来确定和消除存在于视频 流中不同图片之间的时间冗余 当运动估计搜索是根据过去方向的图片 那么被编码的图 片称为 P帧图片 当搜索是根据过去和将来两种方向的图片 那么被编码的图片被称 为 B帧图片 为了提高编码效率 为了包含和分离在 H 264运动估计 改良的运动估 计 图中的运动宏块 宏块被拆分成更小的块 然后 以前或将来的图片的运动矢量被用 来预测一个给定的块 H 264 MPEG 4 AVC发明了一种更小的块 它具有更好的灵活性 在 运动矢量方面可以有更高的预测精度 帧内预测 帧内预测 对于不能运用运动估计的地方 H 264就采用帧内估计用来消除空间冗余 帧内编码用来缩减图像的空间冗余 在给定帧中充分利用相邻宏块的空间相关性 相邻的 宏块通常含有相似的属性 因此 在对一给定宏块编码时 首先可以根据周围的宏块预测 典型的是根据左上角的宏块 因为此宏块已经被编码处理 然后对预测值与实际值的 差值进行编码 这样 相对于直接对该帧编码而言 可以大大减小码率 对于每个4 4块 除了边缘块特别处置以外 每个像素都可用17个最接近的先前已编 码的像素的不同加权和 有的权值可为0 来预测 即此像素所在块的左上角的17个像素 显然 这种帧内预测不是在时间上 而是在空间域上进行的预测编码算法 可以除去相邻 块之间的空间冗余度 取得更为有效的压缩 变换变换 运动估计和内部估计后的结果通过变换被从空间域转换到频率域 H 264 AVC MPEG 4使用整数DCT4X4变换 而MPEG 2和MPEG 4使用浮点DCT8X8变换 更小块的H 264 AVC MPEG 4减少了块效应和明显的人工痕迹 整数系数消除了在MPEG 2和MPEG 4中进 行浮点系数运算时导致的精度损失 量化量化 变换后的系数被量化 减少了整数系数的预测量和消除了不容易被感知高频系数 这个步骤也用来控制输出的比特率维持在一个基本恒定的常量 环路滤波环路滤波 H 264标准定义了一个对16 16宏块和4 4块边界的解块过滤过程 在这种 情况下 对宏块过滤的目的是为了消除由于相邻宏块有不同的运动估计类型 比如运动估 计和内部估计 或者不同的量化参数导致的人工痕迹 块边界过滤的目的是消除可能由于 变换 量化和来自于相邻块运动矢量的差别引起的人工痕迹 环路滤波就是通过一个内容 自适应的非线性算法修改在宏块 块边界的同一边的两个像素 熵编码熵编码 4 4的量化系数必须在熵编码之前被重排序 根据这些系数原来采用的预测算 法为运动估计或者内部估计 来选择不同的扫描类型创建一个重排序的串行化流 按照从 低频到高频的顺序排序这些系数 既然高频系数大多数趋向于零 那么利用游程编码就可 以缩减零的数目 从而高效的达到熵编码的目的 在熵编码这一步骤中 是通过映射符号 的字节流来表示运动矢量 量化系数和宏块头的 对于频繁使用的符号用较少的比特位数 来表示 不经常使用的符号用比较多的比特位数来表示 2 2 JPEG2000JPEG2000 JPEG 2000正式名称为 ISO 15444 是由JPEG组织负责制定 JPEG全名为 Joint Photographic Experts Group 它制定出了第一套国标静态图像压缩标准 ISO 10918 1 就是我们俗称的JPEG了 JPEG 2000与传统JPEG最大的不同 在于它放弃了JPEG 所采用的以离散余弦变换 Discrete Cosine Transform 为主的区块编码方式 而改采以小波变换 Wavelet transform 为主的多解析编码方式 而小波变换的主要目的则是要将图像的频率成份抽取 出来 一个经典的JPEG2000编码运算法则包含三个部分 小波变换 画布坐标系统 EBCOT编 码 原始图像数据 例如 bmp位图 首先进行画布坐标标定 然后在画布坐标的基础上进行 划分 第一步先划分为不同的分量 component 第二步将画布区域划分为大小相同的矩 形 片 tile 这两个步骤可以互换 在画布坐标系统预处理之后 就是进入 JPEG2000的核心阶段之一 离散小波分析 DWT 小波分析被直接运用于各个片 这样 每个片区域都被DWT分析 形成不同的分辨率级别 每个分辨率级别中含有四个子带 这 样就为JPEG2000的分辨率递进的功能提供了可能 然后 就进入了JPEG2000的第二个核心阶段 嵌入式优化截断编码 EBCOT 首先将 各个子带进行EBCOT的预处理过程 量化 量化对图像有损压缩负责 而此过程可有可无 用户可以自由选择 因而JPEG2000对有损和无损压缩兼容 预处理过后 进入EBCOT的核 心编码阶段 该阶段分为两次 一次编码主要是码块划分和熵编码 二次编码主要是分层 打包的过程 最后 码流将会以封包流 pack stream 的形式传输 包的主头描述了原 始图像和不同的分解及编码类型以便查找 提取 解码和重构指定分辨率级 保真度 感 兴趣区域和其他特点的图像部分 JPEG2000具有如下优点 作为JPEG升级版 JPEG2000目标是高压缩 低码率 能达到比JPEG 高约30 左右的压 缩率 JPEG2000可同时支持有损和无损压缩 实现了无损和有损压缩之间良好兼容 而JPEG只 能支持有损压缩 压缩后数据不能还原 因此JPEG2000适合保存重要图片 JPEG2000能实现象素精度和分辨率的渐进式传输 这是它的一个极其重要的特征 这也 就是我们对GIF格式图像常说的 渐现 特性 它首先传输图像的轮廓 然后逐步传输数 据 不断提高图像质量 让图象由朦胧到清晰显示 从而节约 充分利用有限的带宽 而 像现在的JPEG只能由上到下慢慢显示 JPEG2000还支持所谓的 感兴趣区域 特性 你可以任意指定图像上你感兴趣区域的压 缩质量 还可以选择指定的部份先解压缩 JPEG2000在颜色处理上 具有更优秀的内涵 与JPEG相比 JPEG2000同样可以用来处理 多达256个通道的信息 而JPEG仅局限于RGB数据 JPEG2000能使基于WEB方式多用途图象简单化 由于JPEG2000图象文件在它从服务器下 载到用户的WEB页面时 能平滑地提供一定数量的分辨率基准 WEB设计师们处理图象的任 务就简单了 3 3 Prores422Prores422 ProRes 422是苹果公司引入的一种编码格式 专门用于影视后期制作 它可以在标准分 辨率视频文件的容量下 存储无压缩的高清视频 能够以SD文件大小提供未压缩的HD品质 为 后期编辑人员带来了强劲的处理能力 它具有如下的主要特性 出色的高清品质 即是经过多次译码 解码生成 仍能保持出众品质 全宽1920 1080 和1280 720分辨率 可为任意格式的HD提供尽可能亮的画面细节 4 2 2色度采样 以 鲜明的饱和色彩边界提供精确地合成和融合 它使用10bit取样深度 保持10位原图像 日落 图片等 的精细渐变色 同时 它还采用全I帧编码 确保各帧一致质量 不 会出现因复杂移动而产生的痕迹 超低的数据速率 它使用可变位率 VBR 编码 智能编码功能对图像进行分析 自动 分配给复杂真更多位 可以实现双高清码流 普通码流 145Mbps 和高码流 220Mbps 除异常复杂的素材外 实际码流一般低于标准码流5 到10 可增加设备的有效利用率 高速设计 ProRes 422可轻松实现Final Cut Pro中的动态实时功能 另外 它非比寻 常的编码速度 可从任意HD SDI源设备实时捕捉ProRes 422视频 多格式转码 目前 一些新一代的摄录机为了便于将视频信号录制到闪存 硬盘驱动器 或其它存储介质 而采用了复杂的新式编解码器 比如RED ONE Digital Cinema 采用了 小波压缩将4 4 4 4K 24p RAW图像码流降至大约200 Mbps P2 AVC Intra格式采用了 H 264帧间压缩 将全尺寸10 bit 4 2 2 1080i60 或 720p60 HD序列降至100 Mbps Apple ProRes 422提供了一种处理这些新格式的好方法 它完全保留了这些新格式中原 始质量的各个方面 将这些细节存入一种为实现 Final Cut Pro多层实时性能而设计的格 式 为那些本不支持 Final Cut Pro的视频格式提供了一个很好的解决方案 4 4 DNxHDDNxHD Avid DNxHD 高清编码技术 是一种革命性的 10bit数字编码技术 DNxHD的设计目标 就是基于利用较少的存储空间与带宽来满足多次合成需要的理念 它允许在标清处理的存 贮与带宽条件下 进行协作式的高清后期处理 Avid DNxHD编码技术致力于在后期处理及新闻广播处理的协作环境中 实现非线性的编 辑及多代合成 处理未经压缩的高清媒体对带宽的要求接近1 2Gbps gigabits S 在 处理方式上与传统的未经压缩的高清媒体处理方式不同 它在一个4 2 2的色彩空间上工 作 有三个用户可选的带宽模式 分别是220Mbps 10或8bit 还有一个是高效的8bit处 理模式 仅需要145Mbps的带宽 Avid DNxHD在每秒60帧的速率下 支持720p的分辨率 在每秒30 25 24帧的速率下 支持1080p i的高清分辨率 相比之下 未压缩的10bit 标 清处理也得需要约200Mbps的带宽 另外 Avid DNxHD支持所有流行的高清格式 能够实现无损的栅格转换 彻底消除了高 清压缩技术中压缩前格式转换所带来的分辨率损失现象 Avid DNxHD技术支持Material Exchange Format MXF 格式 这是一种开放的媒体文件转换格式 能够实现Avid系统 与第三方MXF兼容产品间的直接媒体数据交换 5 5 几种编码方式的性能比较几种编码方式的性能比较 格式码率编码支持厂家 AVC Intra25 100MbpsH 264 AVC松下 DNxHD220 14510bit数字编码技术AVID JPEG200070Mbps 小波变换 Wavelet transform 嵌入式 优化截断编码 EBCOT Thomson Prores422145和220MbpsVBR 可变码率编码 全I帧编码Apple 二 常用的几种文件封装格式二 常用的几种文件封装格式 所谓文件封装格式也称多媒体容器 Multimedia Container 与DivX MP3这类编 码格式不同的是 它只是为多媒体编码提供了一个 外壳 也就是将所有的处理好的视 频 音频都包装到一个文件容器内呈现给观众 这个包装的过程就叫封装 DVD是将标准清晰度的MPEG2视频文件封装到VOB文件内 Blu ray是将H264等编码的高清 晰度视频文件封装到M2T文件内 HDTV是将高清晰度视频文件封装到TS文件内 不同的厂 家都有自己的封装文件格式 常见的封装格式有 TS AVI MKV TP MOV M2T等等 它们与编码类型没有必然联系 不同的封装方式就好比是不同的盒子 高清视频要用它装 起来才能呈现给观众 1 1 AVIAVI AudioAudio VideoVideo InterleaveInterleave 即音频视频交叉存取格式 1992年初Microsoft公司推出了AVI技术及其应用软件 VFW Video for Windows 在AVI文件中 运动图像和伴音数据是以交织的方式存储 并独立于硬件设备 这种按交替方式组织音频和视像数据的方式可使得读取视频数据流时 能更有效地从存储媒介得到连续的信息 所有的AVI文件都包括两个必须的List块 这些 块定义了流和数据流的格式 AVI文件可能还包括一个索引块 只要遵循这个标准 任何 视频编码方案都可以使用在AVI文件中 avi封装目前仅仅能支持如下编码方式生成的文件 Video codecs MPEG 4 AVC SMPTE VC 1 对其支持不够好 Audio codecs DTS AC3 AVI的文件结构 分为头部 主体和索引三部分 主体中图像数据和声音数据是交互存 放的 从尾部的索引可以索引跳到自己想放的位置 A V I中图像和声音是分开的 所以 播放时需要一个图像和声音的同步过程 AVI本身只是提供了这么一个框架 内部的图像 数据和声音顺据格式可以是任意的编码形式 但是由于索引放在了文件尾部 所以在播放 internet流媒体时已属力不从心 2 2 TSTS流流 TS流封装是随着MPEG2的流行而占据了主流的地位 全称则是Transport Stream 而电 视节目是你任何时候打开电视机都能解码 收看 的 所以 MPEG2 TS格式的特点就是要 求从视频流的任一片段开始都是可以独立解码的 从结构上来说 TS流是由头文件和主体 所组成的 扩充过的TS流还包括时间戳 这样不管是什么格式的VBR音轨 都很容易通过 时间戳来同步图像 这样就不会产生AVI格式的音像同步问题 当然 对新的声音格式来说 需要新的分离器 解码器来实现解码 目前在不断改进 开发中 TS流不像AVI 从诞生那天起 就考虑到了网络播放 所以很快成为了世界标准并广 泛应用于电视台数字播放 手机等各个领域 用TS流封装可以无损的支持所有全部HDDVD和BD所带的视频和音频编码 包括 Video codecs MPEG 2 MPEG 4 AVC SMPTE VC 1 Audio codecs Linear PCM Dolby Digital Dolby Digital Plus Dolby TrueHD DTS Digital Surround DTS HD 3 3 MKVMKV MKV是Matroska的一种媒体文件 是一种新的多媒体封装格式 Matroska最大的特点就 是能容纳多种不同类型编码的视频 音频及字幕流 即使是非常封闭的RealMedia及 QuickTime也被它包括进去了 并将它们的音视频进行了重新组织来达到更好的效果 Matroska它可将多种不同编码的视频及16条以上不同格式的音频和不同语言的字幕流封装 到一个Matroska Media文件当中 因此 MKV也称多媒体容器 Multimedia Container 具 有良好的开放性和跨平台性 是H 264编码最重要的封装格式 Matroska定义了三种类型 的文件 MKV是视频文件 它里面可能还包含有音频和字幕 MKA是单一的音频文件 但可 能有多条及多种类型的音轨 MKS是字幕文件 这三种文件以MKV最为常见 MKV采用了可变帧率 在回放变化比较慢 比如说静物 时以比