高清編碼:MPEG4,H.264與微軟VC-1

來源:DigiTimes 更新日期:2006-03-31 作者:郭長祐

    就當(dāng)眾人都認(rèn)定MPEG-4必是繼MPEG-1(Video CD)、MPEG-2(DVD-Video)之后的接班人時(shí),突然有一件極令人沮喪的消息,那就是MPEG-4的技術(shù)授權(quán)費(fèi)讓許多運(yùn)營商難以認(rèn)同,不光是費(fèi)用問題,就連計(jì)費(fèi)方式也遭到強(qiáng)烈質(zhì)疑,在最初的授權(quán)預(yù)案中,如果電視內(nèi)容的營運(yùn)商要以MPEG-4格式來播放節(jié)目,則每分鐘要支付0.000333美元,或者是以每年每個(gè)收視用戶收取0.25美元。

    此方案一出,Apple、On2等業(yè)內(nèi)廠商立即提出異議,甚至Apple原訂在QuickTime中內(nèi)建MPEG-4的支持性,也因?yàn)槭跈?quán)異議而延緩發(fā)布日期。

    當(dāng)然,這樣的情形并不是第一次,要不是IBM收取PS/2(Personal System 2個(gè)人計(jì)算機(jī))、MCA(Micro Channel,微信道總線)等授權(quán)費(fèi)、要不是Apple收取FireWire(IEEE 1394)授權(quán)費(fèi),今日這些規(guī)格的普及度可能就有所不同,同樣的DVD在發(fā)表之初的數(shù)年幾乎是難以推廣,主要原因也一樣歸咎于授權(quán)或?qū)@M(fèi)用。

    經(jīng)過幾年后,DVD的授權(quán)與專利有了進(jìn)一步的妥協(xié),DVD才有今日的普及,所以從這個(gè)角度看MPEG-4授權(quán)實(shí)已成為一種“歐美常態(tài)”,只不過這次比較不同的一點(diǎn)是,運(yùn)營商不再愿意等待,已有另辟他路的打算,類似USB 2.0超越1394,眾人將目光轉(zhuǎn)向MPEG-4的另一衍生:H.264。

    圖解:MPEG LA對H.264的授權(quán),量產(chǎn)使用H.264技術(shù)的產(chǎn)品每件收取0.2美元,每年量產(chǎn)超過500萬件每件收取0.1美元,最低至少要授權(quán)10萬件,若為營運(yùn)商使用則每年收取350萬~500萬美元,此外消費(fèi)者一般在Internet使用MPEG-4技術(shù)是免費(fèi)(如下載播放),播放使用MPEG-4技術(shù)的電視節(jié)目運(yùn)營商,用來編碼須支付2,500美元(僅需付一次),然后再依據(jù)收視戶數(shù)收費(fèi),10萬戶以下免費(fèi),10萬~50萬戶收取2,500美元,50萬~100萬戶收取5,000美元,超過100萬戶一律只收取1萬美元,其余也針對訂閱性收視、付費(fèi)性收視有不同對應(yīng)的技術(shù)授權(quán)費(fèi)。

    MPEG-4(同時(shí)也是ISO/IEC 14496)的制訂并非只有動(dòng)態(tài)視頻的編解碼而已,其中還包括諸多的環(huán)節(jié)與項(xiàng)目,真正與視頻直接且密切相關(guān)的,其實(shí)是MPEG-4 Part 2(也稱為MPEG-4 Visual)的部分,其余還有用于傳送時(shí)的整合架構(gòu)規(guī)范、文件格式、軟件規(guī)范、相關(guān)定義等。

    MPEG系列的標(biāo)準(zhǔn)歸屬于ISO/IEC,但另一方面以制訂國際通訊標(biāo)準(zhǔn)為主的機(jī)構(gòu):ITU-T,在完成H.263(針對視頻會(huì)議之用的串流視頻標(biāo)準(zhǔn))后展開了更先進(jìn)的H.264制訂,且新制訂是與ISO/IEC機(jī)構(gòu)連手合作,由兩機(jī)構(gòu)共同成立一個(gè)名為JVT(Joint Video Team)的聯(lián)合工作小組,以MPEG-4技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行更適于視頻會(huì)議(Video Conference)運(yùn)用的衍生發(fā)展,也因?yàn)槭锹?lián)合制訂,因此在ITU-T方面稱為H.264,在ISO/IEC的MPEG方面就稱為MPEG-4 Part 10(第10部分,也叫ISO/IEC 14496-10),MPEG-4 Part 10的另一個(gè)代稱是MPEG-4 AVC(Advanced Video Coding,先進(jìn)視頻編碼),多個(gè)名稱其實(shí)是一個(gè)意思,即H.264=MPEG-4 Part 10=ISO/IEC 14496-10=MPEG-4 AVC,不過以下本文一律以H.264表述,一方面以H.264叫法最原始也最正宗,另一方面書寫上也最簡單。

    那么,H.264到底與MPEG-4有何差別呢?更準(zhǔn)確地說MPEG-4 Part 10與MPEG-4 Part 2有何差別?為何需要再訂制出MPEG-4 Part 10呢?直接沿用MPEG-4 Part 2難道不行?

    雖然MPEG-4已針對Internet傳送而設(shè)計(jì),提供比MPEG-2更高的視頻壓縮效率,更靈活與彈性變化的播放取樣率,但就視頻會(huì)議而言總希望有更進(jìn)一步的壓縮,所以才需要出現(xiàn)了H.264。

    到底H.264好在哪?先讓我們將MPEG-2、MPEG-4(MPEG-4 Part 2)、H.264(MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10)三者進(jìn)行分辨率表現(xiàn)與所用帶寬的比較,無論MPEG-2、MPEG-4、H.264,三者都能達(dá)1920×1080i(非交錯(cuò))的高清晰度(High Definition,HD)、24fps(每秒更新24張畫面)的影像畫質(zhì),但傳輸帶寬上MPEG-2需要12~20Mbps,相對的H.264只要7~8Mbps,而MPEG-4則介于兩者間,更直接地說,若把MPEG-2的帶寬用作基準(zhǔn)的100%,MPEG-4要達(dá)相同效果只需要60%帶寬,H.264更是低至40%,約為原MPEG-2的1/2~1/3。

    當(dāng)然,1920×1080是最高標(biāo)準(zhǔn)的分辨率,如果將H.264用在手機(jī)上,在176×144、24fps的情況下H.264只要40kbps~60kbps的帶寬,如此只要現(xiàn)有PHS(64kbps)、GPRS(115.2kbps)就足以進(jìn)行在線視頻,更具體地說,H.264力求在40kbps~300kbps的有限帶寬下盡可能得到流暢、清晰的表現(xiàn)。

    至此大家必然會(huì)問,何以H.264能夠有更高的壓縮率,且播放效果與MPEG-2、MPEG-4近乎相同?答案在于更復(fù)雜的編碼算法,以前之所以未采用更復(fù)雜的算法,是考慮到解碼(播放)端的運(yùn)算能力不足,就會(huì)導(dǎo)致播放不流暢,失去視頻娛樂觀賞的意義,但如今不同,無論桌面電腦、移動(dòng)終端的性能都突飛猛進(jìn)(幾乎都有200MHz以上頻率),即便運(yùn)用更復(fù)雜的壓縮編碼都可以實(shí)時(shí)解碼、流暢地播放,這正是MEPG-4、H.264能夠推行的一項(xiàng)先決條件。

    事實(shí)上MPEG-4與H.264的出現(xiàn)有其好處,可將“家庭播放”、“遠(yuǎn)程傳送”、“移動(dòng)終端播放”等多種視頻應(yīng)用的格式標(biāo)準(zhǔn)盡可能統(tǒng)一,減少再次轉(zhuǎn)換的麻煩。

    圖解:Via授權(quán)公司對H.264技術(shù)的授權(quán),每件運(yùn)用產(chǎn)品收取0.25美元,營運(yùn)總體收費(fèi)一年250萬美元,PC隨附軟件每年400萬美元,且?guī)缀醪灰罁?jù)用戶數(shù)額外收費(fèi),僅在付費(fèi)性收視方面依據(jù)播放時(shí)間酌量收費(fèi),30分鐘內(nèi)收取0.005美元,30~90分鐘收取0.015美元,超過則0.025美元。

    既生MPEG-4?何生H.264?

    就是希望擺脫MPEG-2非得在本地播放的局限,才另行訂立出可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中串行(Streaming)播放的MPEG-4,而H.264的制訂用意實(shí)與原有的MPEG-4相近,如此真有必要并存兩者嗎?

    關(guān)于這個(gè)問題,H.264不僅壓縮算法比以往的MPEG-4更優(yōu)異,帶寬耗用更低,還有一項(xiàng)最誘人的特點(diǎn):授權(quán)費(fèi)用比較合理,因?yàn)镠.264晚于MPEG-4問世,且兩者定位接近,既然如此,H.264只好在授權(quán)費(fèi)上降低定位,期盼以較寬厚的授權(quán)方式爭取被采用,而這正是對了運(yùn)營商的胃口,當(dāng)初許多運(yùn)營商對MPEG-4的授權(quán)深表反感,之后也都熱烈擁護(hù)H.264。

    舉幾個(gè)實(shí)際案例,日本前六大的電視廣播運(yùn)營商正是因?yàn)閷PEG-4的授權(quán)計(jì)價(jià)、記制感到不滿,于2004年3月宣布采H.264標(biāo)準(zhǔn)來播放,同樣DVD的接班人:HD DVD與Blue-Ray,也分別在2004年6月、9月宣布支持H.264格式,確定讓遠(yuǎn)程與本地播放都可以采用H.264,而歐洲數(shù)字廣播DVB(Digital Video Broadcasters)也在2004年11月表示其數(shù)字電視播放將采用H.264(包括標(biāo)準(zhǔn)分辨率的SDTV以及高分辨率的HDTV),美國的數(shù)字電視廣播ATSC(Advanced Television Systems Committee)也將H.264為最后定案前的考慮評估。

    附注:日本運(yùn)營商的數(shù)字電視播放規(guī)格為ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting),這樣一來歐、日數(shù)字電視都實(shí)行H.264標(biāo)準(zhǔn),若美國ATSC也實(shí)行,則主要市場的數(shù)字廣播視頻將一律使用H.264。

    同樣的,3GPP(GSM)、3GPP2(CDMA2000)等移動(dòng)終端用的多媒體格式制訂組織也聲明支持H.264,由此來看,無論有線廣播、無線廣播、家用盤片播送、手持行動(dòng)播放,統(tǒng)統(tǒng)使用H.264,如此廣大普及的響應(yīng),看來往后連手持?jǐn)z影機(jī)(D8、V8)、家庭錄放機(jī)(DVR、PVR)等編碼應(yīng)用也必然要支持H.264,廣泛的應(yīng)用將帶來更大的普及

    附注:Apple QuickTime技術(shù)于v6版支持MPEG-4,于v7版支持H.264。

    附注:3GPP全寫為3rd Generation Partnership Project! 
 

    H.264兩大對手:MPEG-4反撲、VC-1追擊

    H.264的壓縮率、授權(quán)優(yōu)于MPEG-4,說穿了就是效能與成本的領(lǐng)先,但在信息業(yè)界效能與成本的情況經(jīng)常在變,如果MPEG-4一樣將授權(quán)費(fèi)用降低,那么H.264的授權(quán)優(yōu)勢很可能減弱,另外Internet環(huán)境無時(shí)無刻朝寬帶化發(fā)展,真的需要比MPEG-4更優(yōu)的壓縮效率嗎?有時(shí)倒也未必,在帶寬條件夠充裕的情況下,使用MPEG-4還是H.264并無過多差異。所以,授權(quán)方式的改變,或整體帶寬環(huán)境的改善,都會(huì)對H.264產(chǎn)生不利,對此H.264唯有更速搶占市場,以高普及度來擺脫上述的不利因素。

    此外,Microsoft也對可變壓縮比的視頻、流媒體視頻等抱有很大野心,特別是2001年研發(fā)出Windows Media 9系列技術(shù)后,以此技術(shù)為基礎(chǔ)而開發(fā)出VC-9的視頻壓縮算法,之后改稱VC-1(VC指Video Codec),無論就市場或技術(shù),Microsoft VC-1都將與MPEG-4、H.264等同臺(tái)競爭。

    不過,VC-1目前的氣勢依然弱于H.264,也弱于MPEG-4,一方面是VC-1在技術(shù)層面上的實(shí)際表現(xiàn)與H.264無太大差異,VC-1同樣以MPEG-4為基礎(chǔ),但并沒有特別的突出點(diǎn)或優(yōu)越性,運(yùn)營商從技術(shù)角度考慮沒有必要非選擇VC-1。

    另外,從授權(quán)角度來看VC-1是否有優(yōu)勢呢?答案是三者中最不利的,礙于Microsoft一貫的推行策略,VC-1的授權(quán)來源僅只一家,授權(quán)價(jià)格與方式調(diào)整,以及后續(xù)版本的改進(jìn)方向,都由微軟一手掌握,無人能左右,眼前為與MPGE-4、H.264等競爭,VC-1授權(quán)自然不敢過高,但運(yùn)營商依然對未來是否會(huì)漲價(jià)表示擔(dān)心。

    相對來說,MPEG-4與H.264都是以多數(shù)參與討論來決定制訂方向,且授權(quán)上也有多種選擇,關(guān)于H.264的技術(shù),可以向MPEG LA取得授權(quán),或者也可以向Via Licensing公司(由Dolby Laboratories杜比實(shí)驗(yàn)室所成立)取得,兩者的授權(quán)方式與計(jì)價(jià)也各有不同,運(yùn)營商可依據(jù)自身的運(yùn)用方式來選擇較合適的授權(quán)機(jī)構(gòu)及方式。

    運(yùn)營商支持進(jìn)度現(xiàn)況

    所有運(yùn)營商支持H.264的動(dòng)機(jī)與策略是一致的嗎?看來未必。

    對于大廠而言,大多以求保險(xiǎn)的心態(tài)則會(huì)盡可能支持各種視頻規(guī)格,包括對以往格式的兼容與未來的發(fā)展,所以從MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264等都一一支持,有時(shí)甚至也包含WMV、VC-1的支持,包括音頻方面(如CD、AC-3、MP3、WMA、MPEG-4 AAC等)也盡可能都支持。另外也有運(yùn)營商真的跳過MPEG-4而只采H.264,這其實(shí)是對MPEG-4的授權(quán)方式的表達(dá)不滿。此外也有些是持觀望態(tài)度,等待MPEG-4、H.264、VC-1三者間的優(yōu)劣更明顯后,選擇其一、其二來支持。

    最后筆者列舉數(shù)家運(yùn)營商目前的實(shí)際支持情形,以方便從事視頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的開發(fā)者能對方案及組件的近況有更多的參考評估與了解。

    2004年4月Broadcom(博通)收并Sand Video,并于同年12月推出BCM7411的MPEG-2/H.264合一譯碼芯片,可用于HDTV(高清電視)、STB(機(jī)頂盒)等。至于核心,Broadcom向來喜歡用MIPS,筆者相信此次也不例外。

    2004年6月Conexant收購愛爾蘭的Amphion半導(dǎo)體,并于之后推出IP TV之用的CX2418X(X=2或3)的H.264解碼芯片,使用200MHz的ARM926EJ-S核心。

    2005年1月5日(CES展期間)STMicroelectronics(意法微電子)針對STB之用的STB7100單芯片,STB7100內(nèi)部使用300MHz的ST40處理核心(源自SuperH架構(gòu)),同時(shí)支持H.264與VC-1。

    2005年1月5日Sigma Design發(fā)表SMP8630媒體處理芯片,適合用在IP TV用途的STB、HDDVD播放機(jī)內(nèi),SMP8630同時(shí)支持MPEG-2/MPEG-4/H.264/VC-1,執(zhí)行處理方面使用300MHz的MIPS核心,同年4月也將原先既有的EM8620媒體處理芯片加增對H.264及VC-1的支持。

    2005年2月8日Renesas(瑞薩)發(fā)表SH73380的手機(jī)處理器芯片(研發(fā)代號(hào):SH-Mobile3A),SH73380內(nèi)建VPU4(Video Processing Unit 4),支持H.264運(yùn)算執(zhí)行。

 

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