MPEG在決定數字視頻產品的開放標準方面一直處于領先地位。創(chuàng)建于1988年的國際標準化組織ISO工作組先后在1992年和1994年提出了MPEG-1和MPEG-2作為數字視頻的國際標準。其中MPEG-1規(guī)定了活動圖像及其伴音的數字數據的編碼、存儲和檢索以及數據流壓縮率等標準。MPEG-2則力求取得更好的分辨率，它主要用于數字視頻廣播、DVD和HDTV等應用場合。MPEG-4延續(xù)了上述兩者積累的經驗，并聯合了幾十個國家的科技精英，集許多專利技術在一起，完全彌補了上述兩種標準的不足之處，它以完整的對象為圖像處理目標，更多地強調多媒體通信的交互性、靈活性和編碼的高效性，廣泛應用于因特網、無線傳輸與廣播、衛(wèi)星傳輸與直播、數字電視、移動多媒體通信、交互式多媒體和低碼率/高效率的高質量AV服務等領域。它于1993年就開始進行標準制定的準備工作，1998年正式通過了版本1，一年多以后又通過了版本2。之所以花那么長的時間，是由于MPEG-4是一種龐大、復雜的標準，其各方面的特色需要用一本厚厚的書來綜述。但由于其利益牽涉到方方面面，尤其是使用MPEG-4專利技術的授權問題曾經歷了多次反復，不少從事MPEG-4的軟件開發(fā)商無法進行其實際產品的開發(fā)。直到2002年1月31日，MPEG一站式服務的授權管理機構MPEG LALicensing Authority終于向媒體發(fā)布了統一的授權辦法和概括了MPEG-4標準中的兩個主要檔次的授權項目新聞稿，結束了長期以來光說不練的局面，完成了MPEG-4從構思理念到標準制定，又從制定的標準轉而推出實際MPEG-4產品的兩次飛躍。本文綜述和比較了最近推出和正在開發(fā)中的幾款MPEG-4編解碼器的性能，并用幾種MPEG-4播放器測試驗證了這些編解碼器的實際性能。由于測試均通過使用此前發(fā)布的軟件進行的，因此無法公布這些編碼器的具體得分。但通過對這些編解碼器的測試性能綜述，用戶可全面了解當前MPEG-4的總體情況和開發(fā)中的潛在問題。一、檔次和等級上面已經說過，MPEG-4標準本身非常龐大復雜，其各種特色涉及到幾百種具體規(guī)范，但對某一種具體應用來說，其涉及的范圍相當小，它只是其龐大功能整集中的一個子集，因此可以用檔次Profiles和等級Level來具體規(guī)定其功能范圍和數值大小。檔次是指對特色和功能在性質上的制定，而等級則是指在同一檔次內其功能在數量上的復雜程度。有了這種檔次與等級的分類方法，MPEG-4標準就可以規(guī)定具體編解碼器哪些該處理、哪些則不該處理的內容。只要遵循這些規(guī)則，任何符合規(guī)定的器件，不管是計算機軟件、手機還是機頂盒，都可以正常工作。因特網串流媒體聯盟ISMAInternet Streaming Media Alliance是由Apple、IBM、Cisco、Kasenna、Philips和Sun等公司組成的聯合團體，其宗旨是提出一個為MPEG-4使用的標準，這一標準有可能成為重要的開放式通用標準。ISMA提出的初步標準為檔次0和檔次1，前者主要用于窄帶網，后者則用于寬帶網。但目前非ISMA成員的Microsoft和RealNetworks尚未表態(tài)支持ISMA檔次，RealNetworks只是從ISMA成員Envivio獲得MPEG-4回放工具的授權，而Microsoft的Windows Media播放器還不能提供任何支持MPEG-4文件格式和數據流的任何MPEG-4回放能力，而且也沒有公開表示準備添加這一能力。Apple則宣稱準備在QuickTime的下一版本中支持ISMA檔次中的0和1，但由于MPEG-4的授權問題，目前尚未有任何進展。表1列出了按檔次與等級分類的各種檔次及每一檔次中的各種等級，用來傳送MPEG-4的各種視頻信息。表中CIF代表普通圖像格式Common Image Format，其中QCIF為176×144，CIF為352×288，2CIF為352×576，4CIF為720×576像素。1. 簡單檔次。是迄今為止最普通的檔次，它對開發(fā)商來說即使在移動設備上也是最容易實現和解碼的，它可用于低功率器件的視頻錄制。簡單檔次中的等級1相當于ISMA標準中的檔次0，而等級0的極限幀率為15fps，其他檔次的極限幀率均為30fps。簡單檔次對低功率的移動通信器件來說可能是最重要的檔次，因為主流產品制造廠家由于要考慮較高的圖像質量，可能不會選擇簡單檔次而選擇高級簡單檔次。2. 高級簡單檔次。是簡單檔次的超集，因此它可處理全部簡單檔次的內容。高級簡單檔次加進了許多增強措施來支持更好的視頻質量，這些措施有B幀、全局移動補償GMC和1/4像素移動估值。高級簡單檔次的等級3相當于ISMA標準中的檔次1。希望高級簡單檔次能成為臺式計算機、機頂盒和其他高功率器件的第一個主流MPEG-4視頻檔次。3. 簡單可定標檔次。它只是在簡單檔次的基礎上加一增強層，使服務器能通過降低圖像質量、幀率或分辨率等手段來動態(tài)地降低碼率。PacketVideo是目前推出簡單可定標檔次創(chuàng)作工具和播放器的唯一公司。4. 精密可定標檔次FGS。采用現有的簡單檔次和高級簡單檔次的全部內容并添加多級帶寬以便取得比簡單可定標檔次有更高的質量。但本文綜述的七種編碼器目前還無一能支持FGS。5. 核心檔次。它是在簡單檔次的基礎上加上B幀和1比特形狀編碼而形成的，它支持實時掩蔽功能，透明度掩蔽本身在整個圖像范圍內都是相同的。同一檔次中的兩種等級都給予CPU留有足夠的附加能力用來同時處理屏幕上的多重重疊目標和視頻圖像。6. 核心可定標檔次。它增加了可變幀率和分辨率，這種多碼率MBR帶寬的減縮可便于服務器將視頻信號的數據率與所連接線路的速率統一起來。7. 主檔次。它的目標在于交互式廣播，因而支持隔行掃描的視頻信號。廣播電視臺所談到的交互式MPEG-4的未來時，指的就是主檔次。主檔次中的最高等級可用來取代現有的DTV系統用于HDTV傳輸。主檔次中沒有等級1，因為主檔次并非設計用來作低碼率傳輸的。目前，Envivio和iVast兩公司都已擁有編碼工具和播放器，可支持主檔次的先進特色。二、MPEG-4編解碼器的測試方法測試的7種編解碼器每種都對4種不同的圖像源片段如圖1進行壓縮處理。圖1a為一段電影圖像，圖1b為一段談話人的人頭圖像，圖1c為一段移動圖形，圖1d為一段高速移動圖像。每一圖像源片斷的長度均為60秒，且不包括音頻信號，然后對各個編解碼器的性能進行評估。電影圖像測試片段由各種24fps的逐行掃描組成，它提供有黃金時間的戲劇、故事片和其他拍攝得很好的電影連續(xù)鏡頭，它們具有典型的幀率和圖像的復雜程度 ；談話人頭圖像測試片段是一段未經剪輯的連續(xù)圖像，很便于壓縮，因此是判定編解碼器將基本幀和增量幀之間質量匹配能力的一種優(yōu)良測試材料 ；移動圖形測試片段包括一系列越來越復雜的移動圖形動畫片，用來測試編解碼器的彩色保真度和處理復雜移動動作的能力，因為對編解碼器來說，要處理好滾動的文字特別困難 ；高速移動圖像測試片段是用快速移動、快速剪輯和復雜構圖來考驗編解碼器的響應能力，看它是否能對這種特別困難的圖像源仍然能保持正確的數據率。每種編解碼器的壓縮工具均能支持不同的輸入文件類型，絕大多數能接受AVI，但普遍不能接受YCrCb 4 : 2 : 0的格式，因此全部圖像源片段都應事先準備成未壓縮的RGB AVI文件，以便于讀取數據信息。測試中選擇了三種目標數據率和分辨率組合作為統一的測試標準 :1. 30kbps和176×144像素。電影圖像測試片段的幀率為8fps，其他三種像源均為10fps ；2. 200kbps和320×240像素。電影圖像測試片段的幀率為24fps，其他三種像源均為29.97fps ；3. 800kbps和640×480像素。電影圖像測試片段的幀率為24fps，其他三種像源均為29.97fps。上面選定的三種目標數據率和分辨率組合主要是模擬典型的壓縮視頻傳輸的幾種常用選項，其中30kbps的數據率歸屬于ISMA的檔次0，用于移動通信器件 ；200kbps的數據率是典型的保險數據率，其目標主要用于如DSL數字用戶線和電纜調制解調器等領域的寬帶連接 ；800kbps和640×480的數據率已超出ISMA的檔次1的參數范圍之外，并不是所有的MPEG-4播放器和編解碼器都能支持它，但它是對編解碼器和播放器高質量傳輸能力的最佳測試組合。雖然各種編解碼器自身的缺省壓縮設置值是不同的，但在測試中還是設法盡量使它們統一標準化起來。在所有情況下，將這些編解碼器均設置在其最高質量的模式下，即使這樣做可能會導致較長的壓縮時間。如果這是一種可選用的方案，則采用二次通過法的編碼方案來進行壓縮。這里要強調的一點是為了保證圖像質量，在必要時可用一些幀率保留量。如果要對移動搜索值進行規(guī)定的話，則可將32像素用于30kbps 176×144和 200kbps 320×240的樣值，將64像素用于800kbps 640×480樣值。在絕大多數情況下，每隔10秒插入一幀基本幀。如果該種工具不支持10秒，則插入基本幀的時間分隔可取該種工具所能支持的最長時間值 ；對于以簡單檔次和高級簡單檔次文件兩者為目標的編解碼器，則對兩者分開編碼。編解碼器提供高級簡單檔次文件的特色也不相同，有的只加B幀，有的包含有1/4像素移動估值，有的則不能確定其精確算法。如果一種編解碼器能夠對下載和串流提供優(yōu)化的模式——典型地稱作VBR可變碼率和CBR恒定碼率，則就對這兩種模式均進行編碼。只有在VBR的實施辦法中不能提供數據率的兩個劃定限值時才不進行VBR編碼。三、七種編解碼器的測試綜述先對參加評估的幾種編解碼器作一些說明。這次評估的MPEG-4編解碼器有些目前仍處在繼續(xù)開發(fā)階段，撰寫本文和用戶拿到實際產品時，其實際情況可能與本文介紹的有相當大的出入。另外，有些編解碼器正在爭取全方位的授權事宜，但可以肯定的是 :本文的介紹都是以截止到撰寫本文時的MPEG-4編解碼器的現狀為依據的，并提出了需要開發(fā)商加以解決的問題，或由潛在用戶檢驗并確定需要予以解決的問題清單。此外，Apple的QuickTime b可能已包含了其自己的編解碼器，只等授權問題的解決，因此不在這次綜述范圍之內。1. Avipix的MP4Creator。它是Avipix公司生產的幾種MPEG-4工具之一，這是一種簡單地用鼠標進行拖拉拾放操作的MPEG-4編解碼器。目前這種編解碼器及其接口仍處于開發(fā)過程中，從其已發(fā)行的版本來看，還看不到其版本號，它僅能支持簡單檔次文件。但該公司打算在近期推出支持核心檔次的產品。MP4Creator提供的幾種壓縮模式均可用于順序下載和串流信號，并具有全套典型的MPEG-4編碼特色。MP4Creator在移動目標的后面留有明顯的拖尾，特別是在移動圖形測試文件中更為明顯。其輸出幀率是固定的，數據率很正確。2. Dicas公司的Mpegable編解碼器是能最完整地支持簡單檔次和高級簡單檔次的工具。在其編解碼器版本1.2.b的全部模式中，提供有一種快速、素描質量的繪圖處理器，但它未用于最終測試中 ；還提供有在場景發(fā)生改變時能自動插入基本幀的功能，此功能在最終測試中很有用 ；還有B幀，用于高級簡單檔次模式。Mpegable還擁有幾種差錯恢復工具以及能提供壓縮文件的信/噪比報告，這是一種很有用的近似數，用來表明壓縮瑕疵的嚴重程度如圖2。Mpegable允許在兩個I幀之間插入的最大幀數為200。測試中使用的版本，其高級簡單檔次設置值不支持該檔次的關鍵特色之一 ——全局移動補償功能，但該公司披露在下一版本的產品中將會具備。從測試結果來看，用Dicas高級簡單檔次進行壓縮的文件并沒有顯示出比用Dicas簡單檔次進行壓縮的文件有重大的質量改善之處。3. ivastEncode是iVast公司許多MPEG-4的產品之一，它是通過若干配置文件和若干命令行來控制的，因此使用起來非常不方便。但編解碼器軟件中具有GUI圖形用戶接口前端是一項非常有用的特色。到撰寫本文為止，iVast編解碼器的1.5.0.8版支持簡單檔次和高級簡單檔次中的B幀特色，而iVast公司的其他MPEG-4產品則將重點放在提供交互性和豐富的主檔次媒體特色。在壓縮測試中，iVast的工具大大超越了某些30kbps片斷的目標數據率，但該公司并不想將其重點放在移動通信器件的市場方面，目前iVast正集中精力于高帶寬的傳輸方面。4. Ligos的GoMotion。Ligos是一家長期從事于MPEG開發(fā)的公司，GoMotion是一種可獲得授權的軟件開發(fā)套件Software Development Kit， SDK，如圖3，用于能制作許多MPEG格式，包括MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4的多種應用場合。Ligos公司根據其最近的開發(fā)版GoMotion SDK用來提供一種示范性的變換編碼應用。GoMotion 6.0目前只支持簡單檔次，但Ligos表示即將增加對高級簡單檔次的支持。GoMotion 6.0可用來規(guī)定等級并校驗設置情況以確保這些設置情況與選定的等級相一致，這是一項非常受歡迎的特色。它還可以用來規(guī)定移動搜索的范圍。“不受限制的移動估測”和“高級預測”是GoMotion擁有的兩種改善質量的模式，但代價是要放棄一些速度，在這次壓縮測試中就使用了這兩種模式。GoMotion不能編制高于352×240像素的文件，測試中使用的文件結構設置成至少每64幀插入一個基本幀，但這樣做對最終的質量并沒有很明顯的效果?？偟膩砜矗琇igos公司的GoMotion對于簡單檔次的編解碼器來說有非常好的質量，并能生成在測試的七種編解碼器中最具兼容性的MPEG-4文件。在很多情況下，它大大地超過了目標數據率，這對其較高的質量起了很大的作用，但在使用規(guī)定的數據率時其質量較低。5. PacketVideo的PVAuthor 3.0。PacketVideo是歷史最悠久的MPEG-4公司之一，它的PVAuthor 3.0是非常成熟的編碼工具，其目標是將串流技術應用于移動通信器件。因此PVAuthor及其相伴的PVPlayer是這次測試中支持MPEG-4的簡單可定標檔次的唯一工具如圖4。簡單可定標檔次能使服務器進行自動帶寬的協調，這是實時Web上串流技術的一種很重要的特色，希望將來的ISMA檔次能增加對簡單可定標檔次的支持。另外，PVAuthor還能建立簡單檔次文件，CBR文件用于串流，VBR文件用于順序下載。PVAuthor無法建立比簡單可定標檔次中最高分辨率384×288像素更高的編碼文件，因此無法生成640×480分辨率的測試文件。PVAuthor可提供比其他編解碼器更佳的圖像質量，但有時在維持圖像質量和數據率的編碼過程中會發(fā)生丟幀現象，因此希望能提供可使圖像質量滑動的模式以保持一定的幀率。6. Philips的WebCine是第一個投放市場的商用MPEG-4壓縮產品，其WebCine 1.1版是一臺基于Windows的完整配置好的雙處理器編碼工作站，它可用來作以文件為基礎的編碼，也可以進行現場編碼，并可以通過包括Matrox DigiSuite LE在內的硬件進行廣播。WebCine是使用的測試工具中最為陳舊的，而且其生成的文件存在最大的互操作性問題。據Philips公司說，這些問題將在更新后的編解碼器中予以解決。WebCine的質量介于中間狀態(tài)，其編碼的圖像細度優(yōu)于某些其他編解碼器，但在高速移動的圖像測試中留有明顯的拖尾。7. Sorenson公司的Media MP4是一種超前的MPEG-4編解碼器，其作為出口商品的模塊可以在QuickTime下運行，它是由該公司的視頻編解碼器SV Codec的原型機和其Squeeze壓縮工具發(fā)展而來的。MP4于2002年夏季投放市場，并與它的Squeeze工具一起使用，它是該公司除Apple在Mac操作系統下運行的MPEG-4方案之外的唯一的另一種MPEG-4編解碼器。Sorenson公司聲稱即將推出能在Windows下運行的新版本。Media MP4這款MPEG-4編解碼器可提供許多特色，包括自動插入基本幀的靈敏度是可以選擇的。還有快壓縮模式并能支持H.263國際電聯制定的一種會議電視標準中MPEG-4的基準子集。雖然MPEG-4的所有檔次對這一點并未作出什么要求，但這種子集壓縮比全部MPEG-4檔次更加快速，并有利于與原有的會議電視格式的互操作。從總體上看，Media MP4的圖像質量很好，但它在試圖運行其目標數據率時會發(fā)生大量丟幀現象，這種現象除了圖1b的頭像測試片段外，其他所有文件在測試時均發(fā)生過，即使將編解碼器的最低質量門限設置為零也是如此。Sorenson公司聲稱這些問題將會在其最終發(fā)行時獲得解決。其實這種說法還不如提供另一種選項 :允許較低的圖像質量以保留合適的幀率，這在其他編解碼器中也是這樣做的。表2是七種編解碼器的MPEG-4編碼特色的比較。注 :第二欄編碼速度是指對預處理后圖像源的320×240個樣值進行編碼的平均秒數。編碼是在專業(yè)的雙處理器1GHz奔Ⅲ工作站運行Windows XP時進行的，只有Philips的編解碼器是個例外，它在WebCine雙733MHz奔Ⅲ工作站上進行。四、播放器軟件目前MPEG-4播放器用于臺式計算機上的比用在編解碼器中的為少，但前者的使用會越來越多，在2002年能見到支持ISMA檔次1的全部主要媒體播放器。當前的播放器軟件，除了PacketVideo公司的PVPlayer播放器外，都沒有提供文件說明哪家的播放器能支持的檔次與等級分類法，因此還不清楚有哪些缺陷或播放那些規(guī)范之外的文件是否會引起互操作問題?，F在的主要播放器只有下列4家公司提供 :1. Dicas的Mpegable播放器2.0版。它的表演工具成分多于實際使用于最終用戶的成分，它可以讓你選擇程序分塊和減抖后濾波模式，以便預看文件用不同特色時的播放效果。程序分塊模式可大大改善外在質量。2. Envivio有播放器插件。它在Mac機上可用QuickTime工作，在Windows下可用RealOne工作。測試組曾對下一版本RealOne插件提前發(fā)行的產品進行了測試，結果發(fā)現這一插件的兼容性最好。它雖然沒有提供任何配置特色，但當它以較低分辨率運行時具有自動后期處理功能。3. PacketVideo的PVPlayer。它的目標市場是在移動通信器件上的回放功能，但它也有基于Windows播放器的3.0版，以便開發(fā)人員可看到他們創(chuàng)作的內容與效果。這種播放器只能使用PacketVideo文件以及與普通適用的Ligos和WebCine簡單檔次圖像源一起工作。4. Philips的WebCine播放器。是第一個順利可用的MPEG-4播放器，它現在的版本1.1e推出已有一段時間了，但它存在互操作問題見表3，Philips公司聲稱即將推出的更新版將會解決這些問題。表3是4家公司播放器的兼容性矩陣表。這表的根據是最新推出的MPEG-4編解碼器版本和在2002年冬季前推出的播放器綜合得出的。表3表明，雖然MPEG-4是一種標準，但對標準不同的解釋意味著今天并不是所有的MPEG編解碼器可以與所有的MPEG-4播放器協同工作。五、MPEG-4編解碼器小結經過9年的開發(fā)研究，現在已從令人感趣的理念最終轉向實際產品。至2002年底，范圍廣闊的MPEG-4媒體分布實際解決方案拿出來了，雖然在這次測試比較過程中只看到了許多大致的眉目，但目前的一些研究工具和播放器成果已預示著這一產業(yè)的光明前景。但目前的MPEG-4編解碼器中，性能最好的也比不上今天最佳的QuickTime、Real和Windows Media三種專利Web編解碼器的性能。也許在MPEG-4編解碼器能支持全套高級簡單檔次的功能特色時這種情況才會有所改變，MPEG-4編解碼器會在互操作性、可擴展性和開放性三方面的優(yōu)越性超越上述三種專利格式的編解碼器取得成就而獲得更廣泛的應用。表1 MPEG-4的檔次與等級檔次 等級 最大 最大 最高碼分辨率 目標數 率Kbps0 QCIF 1 64簡單檔次 1 QCIF 4 642 CIF 4 1283 CIF 4 3840 QCIF 1 1281 QCIF 4 128高級簡 2 CIF 4 384單檔次 3 CIF 4 7684 2CIF 4 30005 4CIF 4 8000簡單可定 1 CIF 4 128標檔次 2 CIF 4 2560 QCIF 1 1281 QCIF 4 128精密可定 2 CIF 4 384標檔次 3 CIF 4 7684 2CIF 4 30005 4CIF 4 8000核心檔次 1 QCIF 4 3842 CIF 16 2000核心可 1 QCIF 4 768定標檔次 2 CIF 8 15003 4CIF 16 40001 CIF 16 768主檔次 2 2CIF 32 15003 1920×1088 32 4000表2 MPEG-4編碼特色編解碼器 編碼速 多處理器 高級簡單 對超過352×288制造廠家 度秒 處理能力 檔次特色 分辨率輸出的支持Avipix 87 無 無 能Dicas 44 無 全部 能iVast 88 有 B幀 能Ligos 140 無 無 不能PacketVideo 62 無 無有簡單 不能可定標Philips 40 有 B幀 不能Sorenson 69 無 能表3 MPEG-4兼容性矩陣Mpegable播 RealOne PVPlayer 3.0 WebCine放器2.0版 插件 播放器僅表示頭35秒高于 失效時用“Errors :MP4Creator 兼容 兼容 320×240時有顯示錯誤 file open failed”信息表示Mpegable編解碼器高級 兼容 回放圖像干擾少 僅播放第1秒的圖像片斷 不能播放Mpegable編解碼器簡單 兼容 兼容 僅播放第1秒的圖像片斷 不能播放iVastEncode高級 僅表示最后一幀 兼容 不能播放 不能播放iVastEncode簡單 僅表示最后一幀 兼容 不能播放 不能播放GoMotion 兼容 兼容 兼容 兼容PVAuthor 3.0 兼容 兼容 兼容 不良顯示故障，幀序故障WebCine高級 兼容 兼容 僅能每隔二幀播放 兼容WebCine簡單 兼容 兼容 兼容 兼容Media MP4 僅表示最后一幀 兼容 僅表示頭35秒，高于 不良顯示故障，320×240有顯示錯誤 幀序故障