基于3DTV編解碼技術(shù)的視頻流傳輸研究

李淑華

摘 要：電視技術(shù)先后經(jīng)歷黑白、彩色、數(shù)字高清等發(fā)展階段，隨著科技的不斷進(jìn)步，立體電視逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。立體多視角3DTV處理系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于對(duì)面向3DTV的立體視頻編解碼及傳輸流方法進(jìn)行深入分析。本文首先介紹立體視頻編碼，在此基礎(chǔ)上對(duì)立體視頻壓縮編碼方法及立體視頻流傳輸方法進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：立體電視，編解碼技術(shù)，視頻壓縮編碼，視頻流傳輸

3DTV codec based video streaming technology research

Abstract: Television technology has gone through the black and white, color, digital high-definition and other stages of development, as technology progresses, the three-dimensional television has become the focus of attention. Three-dimensional multi-view 3DTV processing system is the key to build and achieve stereoscopic 3DTV-oriented video codec and methods for in-depth traffic analysis. This paper describes the three-dimensional video coding, on the basis of three-dimensional and three-dimensional video compression coding method for video streaming method described.

Keywords: three-dimensional TV, codec, video compression, video streaming

1. 前言

3DTV根據(jù)人體左右眼視差特性產(chǎn)生并顯示立體圖像，帶給觀眾全新視覺(jué)享受。立體電視是隨著科技的不斷進(jìn)步，電視技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)，但當(dāng)前仍面臨一些亟待解決的問(wèn)題，例如，觀眾視覺(jué)特性無(wú)法得到切實(shí)滿足，出現(xiàn)錯(cuò)位時(shí)會(huì)造成視覺(jué)疲勞或頭痛；多攝像機(jī)成本較高；立體制片程序繁雜、成本高，節(jié)目源有限等等。實(shí)時(shí)立體多視角3DTV系統(tǒng)構(gòu)建的重點(diǎn)在于3DTV編解碼技術(shù)及立體視頻流的優(yōu)化傳輸。

2. 立體視頻編解碼分析

立體視頻與傳統(tǒng)單通道視頻相比，需要處理的數(shù)據(jù)量更大，在此筆者從空間、時(shí)間以及兩個(gè)通道間的立體視頻冗余的角度分析立體視頻編解碼技術(shù)；此外，壓縮存儲(chǔ)及傳輸立體視頻數(shù)據(jù)則主要依托于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)及視差補(bǔ)償預(yù)測(cè)等技術(shù)。

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中圖像編碼的層次結(jié)構(gòu)。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中圖像編碼碼流從上而下依次分為6個(gè)層次：視頻序列層(Video Sequence)、圖像組層(Group of Pictures，GoP)、圖像層(Picture)、宏塊條層(Slice)、宏塊層(Macro Block)及像塊層(Block)。

除宏塊層和像塊層外，其他4層都有相應(yīng)的起始碼，解碼器重新捕捉同步，以免一次不同步而丟失一組像素的數(shù)據(jù)。序列層是指構(gòu)成某路節(jié)目的序列，序列起始碼后的序列頭中包括了圖像尺寸、寬高比、圖像速率等信息，序列擴(kuò)展中包含了一些附加數(shù)據(jù)。為了保證能隨時(shí)進(jìn)行圖像序列化，序列是重復(fù)發(fā)送的。圖像層由圖像層頭部和宏塊條層數(shù)據(jù)組成。圖像不僅是基本編碼單元，也是一個(gè)獨(dú)立顯示單元。圖像可分為I、P、B三種類型。圖像層頭部中包含了圖像編碼的類型和時(shí)間參數(shù)信息。立體視頻拍攝突出特點(diǎn)就是借助雙目平行相機(jī)系統(tǒng)從兩個(gè)視角拍攝一個(gè)景物，這樣所得到的視頻是由左通道及右通道構(gòu)成，每幀圖像內(nèi)部的像素之間有信息冗余存在，與此同時(shí)，通道內(nèi)部多幀圖像之間也有信息冗余存在，在立體視頻傳輸系統(tǒng)之下，借助編解碼技術(shù)及壓縮技術(shù)可以將此類信息冗余予以消除。當(dāng)前已經(jīng)具備較為成熟的單通道視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，例如MPEG-2、MPEG-4、H 264以及AVS等，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所具有的時(shí)域分級(jí)特性基礎(chǔ)之上，實(shí)施立體視頻壓縮具有現(xiàn)實(shí)可行性。時(shí)域分級(jí)分為兩層，分別是基本層及增強(qiáng)層，其中，基本層與立體視頻左通道對(duì)應(yīng)，增強(qiáng)層與立體視頻右通道對(duì)應(yīng)。建立在AVS標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的立體視頻編碼示意圖詳見(jiàn)圖1所示。

在上圖中，以AVS標(biāo)準(zhǔn)為主要依據(jù)，左通道實(shí)施簡(jiǎn)單編碼，并對(duì)右通道各個(gè)圖像塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)方式主要有兩種，分別是MCP及DCP，以誤差較低的作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。

要想實(shí)現(xiàn)較好的立體視頻編碼壓縮效果，單純針對(duì)兩個(gè)通道分別進(jìn)行高效單通道視頻編碼是不夠的。原因在于，立體視頻編碼一方面需要對(duì)各個(gè)通道幀內(nèi)空間冗余度及各個(gè)圖像之間的時(shí)間冗余度加以考慮，另一方面，兩個(gè)通道圖像相互間的空間冗余度也不能忽視，通常情況下，借助視差補(bǔ)償預(yù)測(cè)法即可將其消除。筆者在此所闡述的是依托于AVS標(biāo)準(zhǔn)的立體視頻壓縮編碼方法，詳見(jiàn)下圖所示。

3. 立體視頻流傳輸方法

立體視頻流最顯著的特征就是擁有雙通道，并且具有諸如高寬帶、非對(duì)稱性流量、高并發(fā)以及QOS保證等傳統(tǒng)單通道流媒體所具有的特點(diǎn)；不僅如此，立體視頻流還具有以下兩方面顯著特征：第一，立體視頻流與傳統(tǒng)單通道視頻流相比，前者擁有更大的視頻流數(shù)據(jù)量，通常情況下，比后者多近三分之一；第二，兩個(gè)通道數(shù)據(jù)在重要性程度上有所區(qū)別，由于左通道數(shù)據(jù)是右通道數(shù)據(jù)解碼的重要基礎(chǔ)，再加上視頻連續(xù)性因素，丟失一些右通道的數(shù)據(jù)不會(huì)給視頻整體效果產(chǎn)生明顯影響，對(duì)于觀眾而言，對(duì)視覺(jué)效果產(chǎn)生的不利影響幾乎可以忽略不計(jì)，因此，需要在單通道流媒體基礎(chǔ)之上對(duì)立體視頻流傳輸予以適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充，并且左通道數(shù)據(jù)在傳輸上享有優(yōu)先保障。

傳遞流媒體內(nèi)容的技術(shù)有兩種，分別是CDN和P2P。其中，前者將中心內(nèi)容置于網(wǎng)絡(luò)邊緣，在最近地方獲取內(nèi)容，這樣會(huì)在一定程度上減輕中心服務(wù)器及主干網(wǎng)所承擔(dān)的壓力，以便為QOS及服務(wù)可用性提供更加有力的保障；P2P則借助用戶間的協(xié)作實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)容的獲取，從而達(dá)到緩解內(nèi)容發(fā)布者壓力的目的，為傳輸質(zhì)量提供可靠保證。這兩種傳遞流媒體內(nèi)容的技術(shù)既有優(yōu)勢(shì)，也存在一定的不足，客戶服務(wù)器模式是CDN性能的一大特點(diǎn)，其服務(wù)能力更加可靠，服務(wù)質(zhì)量更高，不足之處就是系統(tǒng)擴(kuò)展性能較弱，對(duì)成本的要求較高；而P2P的優(yōu)點(diǎn)在于成本相對(duì)低廉，系統(tǒng)擴(kuò)展性較為優(yōu)越，其能夠提供的服務(wù)資源隨著終端的增加而增加，從而為系統(tǒng)服務(wù)可靠性提供有力保障，不足之處主要體現(xiàn)為其需要占用的寬帶量較大。筆者所闡述的依托于3DTV編解碼技術(shù)的視頻流傳輸方法融合了兩種傳遞流媒體內(nèi)容的技術(shù)流媒體分發(fā)技術(shù)，在P2P基礎(chǔ)之上，引進(jìn)CDN管理機(jī)制，CDN充當(dāng)中心，對(duì)于用戶而言，可以借助P2P客戶端獲得所需要的服務(wù)。

立體視頻雙通道傳輸與傳統(tǒng)的單通道傳輸相比，二者最大的不同體現(xiàn)在P2P終端系統(tǒng)模型機(jī)調(diào)度算法方面。單通道流媒體P2P終端首先對(duì)視頻流進(jìn)行打包處理，并加注相應(yīng)的標(biāo)記，用戶將屬于自己的包置于buffer當(dāng)中，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注；再以自己擁有的包及周邊用戶buffer map為依據(jù)，決定從何處獲取自身沒(méi)有的包，這需要依賴于調(diào)度算法來(lái)實(shí)現(xiàn)；而立體視頻具有左右兩個(gè)通道，左通道視頻流打包及右通道視頻流打包需要分別進(jìn)行，此外，需要對(duì)左通道視頻及音頻予以集成，一同打包。所以，對(duì)于立體視頻而言，P2P終端的buffer及buffer map必須是傳統(tǒng)單通道視頻流的兩倍。除此之外，立體視頻流P2P終端調(diào)度算法也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并通過(guò)將左通道數(shù)據(jù)置于優(yōu)先級(jí)別來(lái)彰顯左通道數(shù)據(jù)的重要程度，為左通道數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量提供可靠性保障。

4. 結(jié)語(yǔ)

電視技術(shù)發(fā)展至今，先后經(jīng)歷了黑白電視、彩色電視、數(shù)字高清電視等階段，隨著科技的進(jìn)步，立體電視將成為今后電視技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)，對(duì)于立體多視角3DTV處理系統(tǒng)的構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)而言，關(guān)鍵在于對(duì)面向3DTV的立體視頻編解碼技術(shù)及視頻流傳輸方法進(jìn)行深入分析和研究。立體視頻技術(shù)在最近幾年已經(jīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)內(nèi)在領(lǐng)域的研究也取得一定成績(jī)，但立足全局，我國(guó)當(dāng)前仍處于技術(shù)創(chuàng)新及起步階段，研發(fā)力量不夠充實(shí)，產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，在技術(shù)方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。筆者在此所介紹的依托于3DTV編解碼技術(shù)的視頻流傳輸方法是建立在DSP平臺(tái)基礎(chǔ)之上的，為今后的輕量化立體攝像機(jī)的研發(fā)創(chuàng)造技術(shù)條件。

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