基于HEVC的視頻教學(xué)資源庫建設(shè)研究

藍(lán)敏

摘要：首先討論了視頻教學(xué)資源庫在校園數(shù)字書館的建設(shè)意義，然后分析了HEVC的一些關(guān)鍵技術(shù)，最后就建設(shè)視頻資源庫建設(shè)提出技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：HECV；視頻教學(xué)；視頻編碼；資源庫

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）01-0222-02

Research on Video Teaching Resource Library Construction Based on HEVC

LAN Min

（Changsha Vocational & Technical College， Changsha 410217， China）

Abstract： First discusses the construction significance of the video teaching resource library in the campus digital library， then analyzes some of the key technologies of HEVC， finally technical solutions of building the video resource library are put forward.

Key words：HECV； video teaching； video encoding； resource library

1 綜述

不論是影響廣泛的公開課、大型的慕課，還是短小精悍的微課，都離不開視頻資源的對(duì)它們的支撐作用。視頻教學(xué)資源庫，是教師組織教學(xué)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，也是校園數(shù)字圖書館建設(shè)的重要組成部分。在未來的五年甚至十年，高效視頻編碼HEVC（High Efficiency Video Coding）將會(huì)成為視頻編解碼的主流，是下一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的代表之作。因此，建設(shè)基于HEVC的視頻教學(xué)資源庫，將成為各大高校的必由之路。

2 校園視頻資源庫建設(shè)的意義

視頻教學(xué)資源庫，最早要從美國麻省理工學(xué)院（MIT）提出的公開課OCW（Open Course Ware）說起。OCW是一項(xiàng)偉大創(chuàng)舉，MIT將其所開設(shè)課程的教學(xué)資料、視頻和課件等公布于網(wǎng)上，供全世界的求知者無償免費(fèi)使用。該計(jì)劃重新定義和闡釋了現(xiàn)代大學(xué)的功能，對(duì)全球教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。截至目前，網(wǎng)易公開課已有4000多門，新浪、搜狐、騰訊等都提供了眾多的國際名校視頻公開課。在開放資源理念的指引下，國家教育部和財(cái)政部從2003年開始投入專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)實(shí)施高等院校國家精品課程、視頻公開課和精品資源共享課建設(shè)計(jì)劃[1]。“十二五”期間，計(jì)劃建設(shè)1000門精品視頻公開課、對(duì)已有國家精品課程升級(jí)改造完善、建設(shè)5000門國家級(jí)精品資源共享課。

在視頻公開課的基礎(chǔ)上，涌現(xiàn)出了“慕課”（MOOC，Massive Open Online Course）這樣的新型在線課程。2012年是“慕課元年”，“慕課”在短時(shí)間里得到了巨大發(fā)展。“慕課”作為一種新興的教育模式，在擴(kuò)大高等教育規(guī)模，提高高等教育質(zhì)量，創(chuàng)新人才培養(yǎng)理念，實(shí)現(xiàn)教育的多樣化和個(gè)性化等方面發(fā)揮了重要作用[2]。而視頻資源，是“慕課”及其重要組成部分。

此外，以短視頻為主要載體的微課，由于其精致的教學(xué)設(shè)計(jì)、靈活的自主學(xué)習(xí)方式和制作的簡便易學(xué)，在國內(nèi)外教育領(lǐng)域中得到了快速的發(fā)展。其“短小精悍”的特征，“見微知著，小課堂大教學(xué)”的口號(hào)，使其在眾多教育資源中顯得格外注目。

不論是影響廣泛的公開課、大型的慕課，還是短小精悍的微課，都離不開視頻資源的對(duì)它們的支撐作用。視頻教學(xué)資源庫，是教師組織教學(xué)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，也是我國短缺的一種教學(xué)資源。國家推出的一系列教育資源建設(shè)方針政策，目的就是解決高校教學(xué)中優(yōu)質(zhì)資源不足、東西部教育發(fā)展不平衡、教育質(zhì)量下降等問題。建設(shè)視頻教學(xué)資源庫，既可以推動(dòng)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享、實(shí)現(xiàn)效益最大化，又能加快數(shù)字圖書館建設(shè)速度，充分緩解優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源總量不足、分布不均、共享困難的矛盾。

3 HEVC關(guān)鍵技術(shù)分析

HEVC（High Efficiency Video Coding）是兩大視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)組織ITU-T/VCEG和ISO-IEC/MPEG聯(lián)合提出的第三代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。此前兩大組織成立的視頻編碼聯(lián)合組（JCT-VC）提出的H.264/AVC，是比較成熟的第二代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。隨著公眾對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、4G、3D、高清電視需求的不斷攀升，對(duì)高清視頻解壓縮提出了更高的要求，原有的H.264/AVC技術(shù)已經(jīng)不能滿足大眾的需求，HEVC便應(yīng)運(yùn)而生了[3]。相比于H.264，HEVC的計(jì)算復(fù)雜度提高1到3倍，但編碼效率提高了一倍[4]。這就意味著，下一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)采用后，視頻的帶寬成本將降至現(xiàn)有的一半。手機(jī)用戶在線觀看HEVC壓縮后的視頻，流量費(fèi)會(huì)大大減少，并且更加流暢。

HEVC相比于H.264新增了許多新的特性：靈活的四叉樹分割結(jié)構(gòu)、更多角度的幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)、改進(jìn)運(yùn)動(dòng)矢量預(yù)測技術(shù)（AMVP）、新的幀間預(yù)測模式（Merge模式）、可變PU尺寸的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、樣本自適應(yīng)偏移（SAO）濾波等技術(shù)。

新技術(shù)的應(yīng)用增加了編碼復(fù)雜度，以幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)為例：HEVC幀內(nèi)編碼單元CU的劃分比H.264復(fù)雜了不少，從16×16宏塊變成了64×64編碼樹單元（CTU），劃分深度從最大2變成了最大深度為3的四叉樹，幀內(nèi)預(yù)測模式由H.264的9種拓展到35種。由于運(yùn)算的高復(fù)雜性，要求我們使用快速編碼算法，有許多學(xué)者為此作出了巨大工作：

Lee 等人[5]利用時(shí)間相關(guān)性，將上一幀相同位置的CU和PU去指導(dǎo)當(dāng)前幀的編碼單元，不足之處是沒有考慮空間的相關(guān)性。文獻(xiàn)[6]利用了空間相關(guān)性，提前結(jié)束不必要的深度計(jì)算，但是沒有考慮到編碼塊自身的紋理特征。文獻(xiàn)[7]用濾波模板對(duì)CU濾波作為紋理復(fù)雜度的指標(biāo)，判斷劃分是否提前結(jié)束。文獻(xiàn)[8]利用Sobel算子作邊緣檢測生成的直方圖排除小概率的預(yù)測模式，但會(huì)引入較大的額外計(jì)算復(fù)雜度。這些工作都減少了編碼復(fù)雜性，但仍有必要進(jìn)一步優(yōu)化，以更好推廣應(yīng)用HEVC，本文作者在其他論文中敘述。

4 視頻資源庫建設(shè)方案

視頻資源庫的建設(shè)，大多采用B/S模式，即瀏覽器/web服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，三層架構(gòu)的形式。用戶通過瀏覽器和web服務(wù)器進(jìn)行直接的交互，視頻節(jié)目的播放路徑、格式、相關(guān)介紹存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，真正的視頻內(nèi)容則存儲(chǔ)在流媒體服務(wù)器中。前端和web服務(wù)器可以使用ASP.NET+IIS的形式，也可采用JSP+Apache等形式；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)管理視頻資料，可用SQL Server等數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)；流媒體服務(wù)器可以選用支持較廣的Adobe Flash Media Server。整個(gè)架構(gòu)如圖1左上所示：

圖1 視頻資源庫技術(shù)解決方案

由于視頻點(diǎn)播服務(wù)屬于數(shù)據(jù)密集型服務(wù)，為了滿足日益增長的用戶量和大規(guī)模訪問，系統(tǒng)必須可擴(kuò)展[9]。單個(gè)視頻服務(wù)器規(guī)模受限，一般采用多臺(tái)服務(wù)器組成的視頻服務(wù)集群。隨著云計(jì)算的興起，除了可以改造利用已有閑置的軟硬件之外，還可以租用第三方運(yùn)營平臺(tái)提供的云服務(wù)（圖1右下）。web服務(wù)器以下的架構(gòu)，可以用Hadoop等系統(tǒng)構(gòu)建（圖1左下）。如果要整合一個(gè)地區(qū)的各校教育資源，還可以在教育廳增加一層云視頻存儲(chǔ)與分享（如圖2所示），實(shí)現(xiàn)一個(gè)地區(qū)各學(xué)校的資源共享。在選用流媒體服務(wù)器軟件時(shí)，應(yīng)盡量選用支持H.264/AVC、HEVC等最新視頻標(biāo)準(zhǔn)的軟件，還應(yīng)支持分布式部署或云部署。

對(duì)于視頻庫中的資源，一部分可以在采集時(shí)即采用最新的HEVC編碼格式，另一部分可以對(duì)現(xiàn)有的視頻資源進(jìn)行轉(zhuǎn)碼實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算的高復(fù)雜性，要求我們使用快速編碼算法。圍繞HEVC的官方軟件參考模型HM，涌現(xiàn)出了眾多快速算法優(yōu)化后的編碼器。

5 總結(jié)

視頻教學(xué)資源庫建設(shè)的意義重大，高校應(yīng)積極參與其中。在視頻格式的選用上，應(yīng)盡量采用最新的HEVC標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)將來的發(fā)展趨勢(shì)。在技術(shù)解決方案上，可以采用流行的云計(jì)算部署的辦法，以更好地實(shí)現(xiàn)共建共享。

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