H.264的革命-从编解码到系统架构

    过去的数十年间,我们见证了流媒体视频在企业、政府、机构、教育等各行业应用的飞速增长。在此期间，流媒体视频质量有了长足的进步，流媒体视频内容的制作和分发也变得更加容易。此外，流媒体技术开始应用在除专业有线电视领域以外的商业领域如视频网站、开放式小区、酒店、企业远程会议等场合。

    流媒体视频系统架构越来越复杂，但是关键的因素仍然是视频的编码和压缩，H.264视频压缩标准正是在之前一系列视频编码压缩标准基础上推出的适合于大多数应用场合，同时兼顾了压缩效率和图形质量的一种技术，这一技术得到了一些关键技术供应商如Adobe(Flash)、Microsoft(Smooth streaming)、Apple(Quick time)的采用和推动。

    早期的编解码设备可以适应在局域网内的固定客户端应用,但是不能适应新的移动客户端如智能手机、平板电脑、移动设备及大屏幕显示等的应用。这就需要新的技术和设备来满足这样的要求，H.264编解码技术配合不同的流媒体发布技术，就可以满足用户要通过移动和固定客户端设备收视实况播出或者已经存储的视频内容的需求。

    编码技术标准

    MPEG-1作为被广泛采用的视音频压缩标准，初次发布于1992年，从那以后，制造商已经在很多领域内极大地提高了视音频压缩和编码的性能，包括更高的分辨率、更好的动态图像处理能力、压缩比、元数据等，许多设备制造商一直以来都采用标准化的方法并追随着MPEG（活动图像专家组）和ITU（国际电信联盟）的标准。然而，另一些公司如Microsoft, Sorenson, and Google 则采用了其它的标准来满足自己终端的应用。

    H.264标准

    当下最受认可且增长迅猛的视频压缩标准就是H.264,它由ITU在2003年作为国际标准初次发布，其它的标准联盟如MPEG也配合ITU推出了与H.264同样的版本，只不过这个标准叫作MPEG-4 AVC或者MPEG-4 Part 10.

    早先的视频压缩标准目前有的还在广泛使用，但它们都有各自的瑕疵，如MPEG-2适合于工作在中、高压缩比特率情况下，但是压缩效率还是比较一般。MPEG-2编解码设备在低比特率情况下的图像质量是比较差的，所以不适合一些供电情况受限的设备如智能手机。MPEG-4是比较适合低带宽的应用如互联网视频流，但是图像质量比较一般并且无法倍线到到高清。Micraosoft的 Windows media 编码器倒是一款适合企业应用的多用途编码器，但是它需要使用微软专有的播放器，这也限制了它的大范围使用。

    视频编码器的技术性能判断是要看它在全范围分辨率情况下的压缩效率。下图就展示了不同编码标准在不同分辨率情况下的压缩效率比较。见图1 纵轴为视频分辨率，横轴为压缩效率。

    图1 编码分辨率vs.压缩效率

    图 1

    现代流媒体系统对编解码器的要求：

    编解码器普适性–该编码器要求能在非常宽的视频分辨率及压缩比特率情况下工作。

    通用的客户端支持能力 –可以在任何虚拟设备上回放，从小的手提显示设备到 桌面显示设备以及大屏幕HD显示器。

    更高效的压缩能力, 同样的视频可以用压缩到更低的数据率

    更强的动态图像处理– 更少的图像细节丢失

    更广泛的格式能满足不同种类系统的应用

    能支持多种传输协议

    H.264能满足以上的要求并且在任何网络结构和显示设备上都能高质量完美地再现视频，由于H.264的优越性及标准化，这几年它已成为流媒体视频技术的主导者 。

    视频编码以后，视频流就被打包通过IP网络传输，考虑到不同的IP网络环境（光网、Lan、Wan、无线网、卫星、英特网、有线电视等等）以及不同的回放设备（HD高清显示器，无线3G/4G移动设备，低带宽英特网客户端），就需要不同的传输协议能保证视频流能在不同的网络环境及设备上平滑且可靠地传送。根据以往的经验，H.264提供了多种传输协议来满足此要求，比如RTP/RTSP,TS(传输流），Flash RTMP,HTTP,Smooth Streaming等。这些丰富的传输选项使得不同的系统结构能精确选择流媒体协议来匹配它的应用和网络。

    表 1流媒体应用及传输协议

    有线电视网 Transport Stream (TS)传输流

    Internet via CDN（内容分发网络） RTMP（路由选择表维护协议）

    企业级Flash RTMP for unicast（单播）, RTMFP for Multicast（多播）

    WAN RTSP Interleaved for TCP Transmission

    带防火墙的WAN HTTP Tunneled

    企业LAN RTP or TS Multicast, IIS Smooth Streaming Unicast

    STB(机顶盒显示） TS

    平板或智能手机，基于iOS系统 HLS

    平板或智能手机，基于Windows7系统  IIS Smooth Streaming