淺析H264視頻壓縮的參數(shù)設(shè)定
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帶寬測試主要作用在于獲取服務(wù)器與客戶端網(wǎng)絡(luò)性能，掌握傳輸信道的帶寬、時(shí)延抖動(dòng)、誤碼率等參數(shù)，關(guān)鍵是端到端的有效帶寬數(shù)據(jù)。帶寬測定可以通過GanymedeSoftware公司的多功能網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)測試軟件Chariot，該軟件從應(yīng)用層的角度使用一些基準(zhǔn)流量對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試分析。Chariot由Chariot控制臺(tái)和Endpoint兩部分組成，其中Chariot控制臺(tái)可以運(yùn)行于Microsoft的各種Windows平臺(tái)。在Chariot控制臺(tái)上可以定義各種可能的測試拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和測試業(yè)務(wù)類型。Endpoint可以運(yùn)行在幾乎目前流行的所有操作系統(tǒng)上。ChariotEndpoint能夠充分利用運(yùn)行主機(jī)的資源，執(zhí)行Chariot控制臺(tái)的Script命令，從而完成需要的測試。如果在帶寬測試不能實(shí)施的情況下，可以通過查閱權(quán)威機(jī)構(gòu)的帶寬報(bào)告來獲取帶寬數(shù)據(jù)，如中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心2011年1日的《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，我國寬帶普及率已經(jīng)高達(dá)98.3%，全國平均互聯(lián)網(wǎng)連接速度為100.9KB/s。
視頻節(jié)目播放終端一般有電視機(jī)、計(jì)算機(jī)和移動(dòng)終端等，播放終端調(diào)查有助于掌握用戶終端的設(shè)備類型、顯示設(shè)備分辨率、系統(tǒng)資源概況、操作系統(tǒng)類型及版本、播放器類型及版本、網(wǎng)絡(luò)接入方式等信息，掌握視頻節(jié)目的播放環(huán)境和限制因素，明確視頻節(jié)目壓縮的目標(biāo)需求。具體視頻壓縮實(shí)踐中針對主流設(shè)備確定壓縮分辨率，確保不超過用戶顯示設(shè)備分辨率，常用播放終端支持分辨率如表1所示。源視頻評價(jià)要素包括：（1）原始視頻的質(zhì)量。通過以下問題可以大概確定視頻質(zhì)量：視頻是什么檔次的攝像機(jī)拍攝的？當(dāng)前以什么格式進(jìn)行存儲(chǔ)？分辨率是多少？源視頻清晰度屬于什么等級？（2）視頻內(nèi)容長度。Web上傳輸?shù)囊曨l要比用于電視上觀看的視頻短，用較低的碼率對持續(xù)時(shí)間長的視頻進(jìn)行編碼，控制壓縮后的視頻文件大小以便于存儲(chǔ)和傳輸。
視頻節(jié)目質(zhì)量一般用標(biāo)清和高清來表達(dá)，區(qū)別高清與標(biāo)清有兩種方法，一種是按視頻分辨率大小來劃分，如土豆網(wǎng)將分辨率大于640×480像素的視頻認(rèn)定為高清，低于該分辨率的為標(biāo)準(zhǔn)，另一種是按特定格式的碼率，土豆網(wǎng)將采用H.264編碼且視頻碼率不低于1Mbps的FLV、MP4、MKV格式文件劃分為高清。此外，針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的視頻節(jié)目，在視頻壓縮時(shí)也要考慮服務(wù)器的硬件配置、媒體存儲(chǔ)方式、視頻服務(wù)平臺(tái)性能、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)接入方式等服務(wù)器性能指標(biāo)，確保網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器能穩(wěn)定高效地為用戶提供內(nèi)容服務(wù)。
在視頻編碼壓縮時(shí)，視頻分辨率一般按視頻源分辨率的成倍數(shù)縮小，如原始分辨率為1920×1080像素的高清視頻，可以選用1/2幀尺寸大小960×540像素，或者選用1/4幀尺寸大小480像素×270像素。寬高比包括圖像寬高比和像素寬高比兩種，圖像寬高比主要有16:9和4:3兩種，16:9將成為顯示設(shè)備的主流比例。將比例為4:3的視頻節(jié)目轉(zhuǎn)換為16:9有三種方式：（1）垂直充滿，左右兩側(cè)出現(xiàn)黑邊；（2）水平充滿，而垂直方向圖像上下被裁減；（3）完全填充，在16:9的屏幕上完全看到4:3的圖像，垂直方向充滿水平方向被拉長。將比例為16:9的視頻節(jié)目轉(zhuǎn)換為4:3有三種常規(guī)的變換方式：（1）切邊模式（垂直方向充滿，左右兩邊一部分信息被去掉）；（2）信箱模式（水平方向充滿，上下部分會(huì)出現(xiàn)黑邊）；（3）壓縮模式（垂直方向充滿，水平方向壓縮后充滿，使物體變高）。對于像素寬高比的選擇主要依據(jù)原始視頻的像素寬高比，DV、MPEG-2DVD和MPEG-1SVCD格式使用非方形像素，DV-NTSC畫面大小是720×480，但圖像寬高比可以是4:3，也可以是16:9，這主要取決于像素寬高比，但Web視頻格式使用方形像素，如320×240像素，它的圖像寬高比就是4:3。當(dāng)將非方形像素轉(zhuǎn)換為方形像素時(shí)，確保視頻幀尺寸大小與源圖像寬高比一致就可以確保寬高比校正的正確性。設(shè)置幀率要依據(jù)原始視頻的內(nèi)容特征，對于快速運(yùn)動(dòng)的視頻盡量保持原始幀率，可選擇幀率為25幀/秒，對于較少運(yùn)動(dòng)的視頻，可選擇幀率為15幀/秒。對于逐行視頻可以適當(dāng)降低幀率使視頻幀獲得更多的編碼數(shù)據(jù)。采用H.264編碼用于電視播放的節(jié)目時(shí)，場序設(shè)置取決于視頻源的原來場序，不能更改場序，否則會(huì)造成畫面的抖動(dòng)而影響畫面的質(zhì)量。編碼用于網(wǎng)絡(luò)視頻或逐行播放設(shè)備的視頻則選擇無，編碼器采用去隔行技術(shù)轉(zhuǎn)換成逐行掃描視頻。
基本檔次具有低復(fù)雜度、低延時(shí)的技術(shù)特征，考慮到惡劣環(huán)境下的容錯(cuò)性，主要針對交互式應(yīng)用，如會(huì)議電視、可視電話、遠(yuǎn)程教學(xué)等實(shí)時(shí)視頻通信。主要檔次針對更高編碼效率的應(yīng)用，支持隔行視頻，主要用于數(shù)字廣播電視與數(shù)字存儲(chǔ)。擴(kuò)展檔次支持容錯(cuò)技術(shù)、對比特流的靈活訪問，支持碼流之間有效的切換（SP片和SI片），但不支持隔行視頻和CABAC，主要針對網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用。高級檔次主要針對高清廣播電視和藍(lán)光盤數(shù)字媒體存儲(chǔ)。每一檔次設(shè)置不同參數(shù)（如取樣速率、圖像尺寸、編碼碼率等）得到編解碼器性能不同的級，如表2所示。在AdobeMediaEncoderCS4中，當(dāng)編碼H.264F4V、H.264MP4和H.2643GPP視頻時(shí)，檔次可以選擇基本檔次、主要檔次和高級檔次，級別可以選擇任意選擇，當(dāng)編碼H.264Blu-ray視頻時(shí)，檔次只能選擇主要檔次和高級檔次，層級只能選擇4.0或4.1。
碼率用于描述視頻幀的數(shù)據(jù)位數(shù)，數(shù)據(jù)位數(shù)越多，編碼生成的文件越大，視頻質(zhì)量越高，碼率代表了音頻和視頻的整體質(zhì)量。碼率有固定碼率和可變碼率兩種模式，固定碼率（ConstantBitRate，CBR）表示每段視頻所使用的數(shù)據(jù)位數(shù)都是固定的，與音頻或圖像的復(fù)雜程序無關(guān)，固定碼率可以保持平滑和連續(xù)的視頻播放效果，可變碼率（VariableBitRate，VBR）編碼在不同的時(shí)間段具有不同的輸出碼率，通常以平均碼率為目標(biāo)，但在視頻的不同編碼部分分配不同的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)，最大碼率設(shè)置代表最高壓縮質(zhì)量時(shí)允許的碼率?？勺兇a率適用于基于Web下載播放的內(nèi)容，追求最小的文件和最好的視頻質(zhì)量。當(dāng)總碼率確定后，就可以確定視頻和音頻各自的碼率，視頻流占用帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于音頻流的帶寬，計(jì)算視頻碼率最好的方法是根據(jù)總碼率減去音頻流碼率得到視頻碼率。關(guān)鍵幀間距設(shè)置兩個(gè)關(guān)鍵幀（I幀）之間的幀數(shù)，關(guān)鍵幀之間的幀記錄了活動(dòng)畫面運(yùn)動(dòng)信息和場景變化，AdobeMediaEncoder自動(dòng)基于當(dāng)前視頻幀率確定關(guān)鍵幀，如果視頻畫面場景切換頻繁，畫面中對象快速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置較低的關(guān)鍵幀間距。當(dāng)關(guān)鍵幀間距設(shè)置為1時(shí)，視頻序列中只有I幀。在碼率恒定的情況下，幀間距越大，畫面質(zhì)量越高，因?yàn)閿?shù)據(jù)沒有浪費(fèi)在描述那些并沒有變化的幀。
在音頻部分編碼參數(shù)中，AAC、AAC+v1和AAC+v2的主要區(qū)別是：AAC+v1采用了頻段復(fù)制（SpectralBandReplication）提高了低碼率音頻的質(zhì)量，編碼效率比標(biāo)準(zhǔn)的AAC提高30%，編碼目標(biāo)以24kbps每聲道，定位于中等質(zhì)量音頻編碼。AAC+v2主要采用參數(shù)立體聲編碼（ParametricStereo）技術(shù)，改進(jìn)了低碼率下立體聲的質(zhì)量，相對于AAC+v1，編碼效率提高了50%，主要用于互聯(lián)網(wǎng)、廣播和其他非高保真應(yīng)用。相對于視頻碼率而言，音頻碼率要小得多，常見的音頻碼率有24Kbps、32Kbps、64Kbps、128Kbps、192Kbps、224Kbps、256Kbps和320Kbps，影響音頻碼率的參數(shù)有輸出聲道、采樣頻率和量化位數(shù)。輸出聲道有單聲道、立體聲和5.1可供選擇，采樣頻率常用的有22050Hz，44100Hz和48000Hz，量化位數(shù)一般為16位。在AdobeMediaEncoderCS4中，當(dāng)編碼格式選擇為F4V、MP4和3GPP時(shí)，音頻部分采用AAC編碼。在視頻壓縮實(shí)踐中，可以參照鳳凰衛(wèi)視、新浪視頻、新華視頻、土豆網(wǎng)、優(yōu)酷網(wǎng)等網(wǎng)站的視頻壓縮參數(shù)配置，如表3所示，并結(jié)合自身的視頻應(yīng)用實(shí)際合理地設(shè)置視頻壓縮參數(shù)。
H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議、寬帶流媒體、高清廣播電視和視頻存儲(chǔ)，視頻應(yīng)用領(lǐng)域和質(zhì)量需求決定了視頻壓縮參數(shù)。在視頻壓縮實(shí)踐中，首先要明確視頻節(jié)目的應(yīng)用情境和需求，再設(shè)置視頻壓縮器中H.264各項(xiàng)參數(shù)。存儲(chǔ)或下載的視頻節(jié)目，應(yīng)優(yōu)先保證視頻質(zhì)量，視頻會(huì)議和流媒體應(yīng)用，應(yīng)優(yōu)先考慮保證碼率不超過端到端的有效帶寬。也可以針對不同的帶寬環(huán)境和播放終端，制作從標(biāo)清到高清的多個(gè)版本供用戶選擇，以豐富和提高用戶的視音頻體驗(yàn)。（本文作者：趙建保、徐獻(xiàn)靈 單位：東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院）