武汉有线双向交互式业务技术平台建设中对视频编码格式选择的思考

武汉有线双向交互式业务技术平台建设中对视频编码格式选择的思考(2008-05)2009-06-08新闻来源：武汉电视台鞠宏武汉广电数字网络公司技术总监高级工程师广电交互式业务是数字电视广播技术和数字信息技术相结合的产物，它把电视传播方式与信息技术集于一身，使观众能以新的方式观看和利用电视节目内容。交互式业务技术平台建设涉及多种技术领域中的高科技术，其主要技术的正确选取与否直接影响到交互式业务开展的成败，这其中最重要的技术选择是视频编码格式的选择。武汉的双向交互式业务平台选用何种视频编码格式，除了要考虑宏观的技术发展趋势外，还需要综合考虑这种选择的费效比。1.视频编码格式应用现状目前开展双向交互式业务采用的视频编码方式主要有MPEG2（带宽高，但节目内容和数量都非常丰富）、MPEG4（又称为H.263、MEPG4-ASP、MPEG4Part2，将被取代，专利费高，仅杭州能提供一定的片源）、H.264（又称为MPEG4Part10或MPEG4AVC，带宽低，专利费较高）和AVS（国家标准，目前支持厂商较少，内容资源也较少）四种。目前，深圳天威采用MEPG2格式开展双向交互式业务，仅杭州在现有用户中采用MPEG4（标清）标准开展VOD业务，同时杭州计划在余下的用户中采用H.264标准部署双向交互式业务，也采用H.264作为高清VOD业务的编码格式。此外，已采用或准备采用H.264标准部署双向交互式业务的运营上还有：扬州、淄博、温州、绍兴等地。在IPTV领域，中国电信在2005年开展IPTV业务时，通过上海电信研究院进行大规模的测试，确立H.264为中国电信IPTV企业标准；但在07年，中国电信也开始了AVS标准的测试工作。不过，在08年6月中国电信进行的IPTV机顶盒大宗采购(57.4万台)招标中，依旧规定机顶盒必须使用H.264标准。中国网通很早就确定采用AVS编码格式为开展IPTV的企业标准。近期，AVS也被确立为国际标准之一。在国际上，在开展双向交互式视频业务中采用H.264格式作为编码标准被认为是大势所趋，DVD联盟、日本广播电视公司、欧洲DVBSteeringBoard、美国数字电视在内的众多机构都已经采用或决定采纳H.264标准。支持H.264标准的厂商众多，产业链成熟，具有运营商大规模运营的成熟案例。H.264作为早在05年确立的国际标准，其产业链的成熟程度是AVS尚不能企及的。2.编码效率在D1分辨率/SD清晰度相同条件下，几种编码标准的比较如表2。表2几种编码标准的编码效率比较压缩标准类别MPEG2MPEG4H.264压缩率约30约200〉300传输速率4Mbps1.1-1.6Mbps0.8-1.1Mbps最小宏块尺寸16*168*84*4帧类型I/B/PI/B/PI/B/P/SI/SP主要应用DVD/DVB交互多媒体新一代媒体格式可见，编码效率上和抗干扰能力上均是H.264占优。3.编码设备投入分析（1）、采用MEPG2编码格式以24路/64QAM调制的IPQAM为例，拥有24个模拟频点，每个频点通常拥有38Mbps的网络带宽速率，按照MPEG2节目源的峰值3.75Mbs（标清）来看，每个频点可以容纳10个VODMPEG2的节目（单个频点的网络资源都是独立的），这台IPQAM可同时播放168路节目。以一个中等规模城市为例，市区用户数为20万户，假设有30%用户开通了视频点播业务，峰值点播率（即在同一时间有多少比例的用户在点播）为50%，那么在同一时间需要产生的并发流数为：20万*30%*50%=3万个，一个IPQAM可以支持的并发流数为240个，每台可支持的用户数为：240/(0.3*0.5)=1600户，共需要125个IPQAM设备。以Seachange服务器为例，服务器每台可支持2.8Gbps带宽流的推送，约744个MPEG2节目的并发流（MPEG2的平均码率3.75Mbps），3万个并发流则至少需要40台VODServer。从存储来看，一个1小时的MPEG2节目（3.75Mbs码率），占用的存储容量约为1.7GB。（2）、采用H.264编码格式H.264格式按照节目源峰值1.1Mbs来看，每个模拟频点可以容纳34个VODH.264的节目，那这台IPQAM则可同时支持34x24=816路并发流。以前面同样的模型按3万个并发流计算，共需要36个IPQAM设备，只有MPEG2使用设备的三分之一。而VODServer方面，服务器支持2.8Gbps带宽流的推送，单服务器可同时推送约1500（考虑服务器过多流推送而产生50%的效率开销，即2800X55%≈1500）个H.264节目流，3万个并发流则只需要20台VODServer，也比采用MPEG2少用一半的设备。从存储来看，一个1小时的H.264节目（1.1Mbs），占用的存储容量约为500MB，比采用MPEG2节省约2/3的存储空间。同时，此计算还不包含因此而节省的网络频谱资源、网络传输费用等。（3）数据分包处理无论是采用MPEG2、MPEG4、AVS或者是H.264，在系统层上都是采用TS的封装方式，只不过在具体的CDN分发、存储及码流播发时，采取了TSOverIP技术将TS包分拆重新封装为IP数据包，然后通过IPQAM将IP包重新组织成TS流供机顶盒使用，或直接通过IP网络供机顶盒使用；不同的编码标准形成的TS流中，不同的只是数据包中内容的编码方法。正因为如此，就VOD系统播出和存储而言，无论采用何种编码方式，其硬件基本没有大的区别，所不同的只是软件上的差异；也就是说从一种编码方式变化到另外一种编码方式，往往只需要进行软件上的改变（软件升级或者运营商购买支持某种编码方式的授权）。当然，对于需要实时编码的时移业务来说，编码部分可以采用第三方的实时编码器来加以实现；即使是带有实时编码功能的VOD系统，编码方式的变化也只需要进行编码模块的硬件更替而已。一般来说，独立的实时H.264编码器（或编码模块组件）较MEPG2编码器（或编码模块组件）在价格上高出近20%，但在总体投资中所占比例非常有限；独立的实时H.264编码器（或编码模块组件）较MPEG4编码器（编码模块）价格相近，成本差异基本可以忽略不计。4.专利费（许可费）MPEG2的专利费体系已经为大家所熟知，这里就不再进行比较和介绍。AVS号称“1元专利费”，不过具体的收费形式至今尚不明确，有的企业收到的AVS专利费报价为H.264的两倍，也未确定是向设备厂商收取还是向芯片厂商收取。国家制定AVS标准的主要目的是防止大笔专利费外流外国企业，专利池由国内企业管理。但对于运营商自身而言，在经济上并没有明显的收益，采用不同的标准所不同的只是缴纳费用的对象和费用的额度不同而已。各标准的专利费也存在随着时间的推移而进行下降调整的可能性，这主要是因为标准之间的竞争而造成的专利费下降（AVS同H.264标准的强力竞争，H.264专利池的管理者也在积极考虑进一步降低H.264的专利费用），以及专利费双方在公开专利标准之下协商谈判而妥协的专利费下降。因此，这里主要对比一下MPEG4和H.264现阶段的专利费（见表3）。表3MPEG4和H.264的专利费比较专利费对比表格如上表所示，从中可以看出：（1）首先,H.264每台解码设备比MPEG4part2便宜0.05美元,这意味着当一个运营商拥有100万用户时,使用H.264可以为其节省5万美元的投资;（2）对于收费点播节目的专利费H.264至少比MPEG4节省0.02美元/内容。按照每个用户每周点播1部影片计算,H.264每年至少比MPEG4part2节省104万美元。（3）使用MPEG4part2同时还要需要按时间交费（2美分/小时）,这意味着每个用户如果每天看两个小时的节目,每年需要缴纳约15美元。而H.264则无此方面的专利费。（4）最后,H.264还降低了各项专利费的入门难度，有利于运营商初期业务开展。H.264编解码器10万以下无费用;而MPEG4为5万以下无费用；10万个包月用户以内无费用;而MPEG4为每个用户0.04美元；每年最高许可费用也大大降低；5.业务支持和扩展性（1）编码转换武汉有线双向交互式业务技术平台的视频资源来源一般有三种：一、平台自有视频节目资源，为MPEG2格式；二、总台视频节目资源，为MPEG2、MPEG4、H.264以及模拟视音频等多种格式；三、其他第三方的各类视频资源（各节目商或兄弟单位交流），为MPEG2、H.264或MPEG4格式。若平台采用H.264作为编码标准，平台在使用其他不同格式节目资源时，必须进行编码格式的转换，这种转换可以采取手动或者自动的方式进行。首先，我们列出如下主要格式转码效率的测试数据，如表4。表4几种格式的转码效率项目序号源格式目标格式转码速度（相对1x播放速度）1MPEG-1352x240@29.97fps1.5Mbps(VCD)AVC/H.264352x240@29.97fps3.5x2MPEG-2720x480@29.97fps8Mbps(DVD)AVC/H.264720x480@29.97fps1.0x3MPEG-21920x1080@25fps15Mbps(HDTV)AVC/H.2641920x1080@25fps0.3x4MPEG-4640x480@25fps1.3MbpsAVC/H.264640x480@25fps2.2x5MPEG-41280x720@25fps3MbpsAVC/H.2641280x720@25fps0.7x6MPEG-41920x816@25fps11MbpsAVC/H.2641920x816@25fps0.5x测试平台：Intel酷睿2E6300@2.1Ghz/2GDDR2667/250G(SATA2)/GeForce7300GT从上述测试数据中可以看出，若1万小时的标清数字电视节目（全部为MPEG2编码），采用8台工作站（含软件采购总价不超过15万）每天工作8小时进行H.264转码，共需要约156天；若节目源中部分为MPEG4编码，所需时间将更少。也就是说，保守估计，在平台开播后半年时间内，就可以积累至少1万小时的标清数字电视节目内容，每周可更新节目在320个小时左右。（2）高清VOD的支持和跨网络业务支持从目前国内国际的应用实际情况看来，H.264编码的TS流实际上已经成为了高清视频点播的主要格式，也被众多的知名电影、电视剧制作公司（如索尼、米高梅、华纳、TVBS等）作为标准供片格式之一，在互联网上甚至可以免费下载到大量的该格式视频文件（当然是盗版的）。由于MPEG2双向机顶盒只能通过IPQAM方式传送视频流到机顶盒，随着用户数量的增加，面对如高清等新业务，由于带宽过大，导致IPQAM单台支持并发流数量锐减，必须再大量增加IPQAM设备，并采用更加边缘化的网络分布式布置方式，投入巨大。而H.264既支持通过IPQAM传送视频到机顶盒，单台支持的并发流数量也较MPEG2有较大提高，同时也支持通过IP网络（LAN或者ADSL等多种方式）传送到机顶盒，能够比较好的支持跨网络业务的运营，有效的帮助运营商规避了潜在的风险。6.多种视频资源的接入前述三类视频资源来源也可自动式同平台进行互联，逻辑结构如图11所示，其他格式的视频资源通过转码为H.264格式后，同H.264格式的资源一道通过内容管理上载系统上载到VOD业务系统。图11视频资源接入逻辑系统拓扑结构如图12所示：图12视频资源接入方案拓扑其中，武汉本地节目平台可在现有索贝系统上加以扩建，其工作流程如下:（1）接口服务器通讯，按约定的通讯协议传送视频元数据（包含编码格式、内容简介、文件名称、大小、码率、时间长度、版权信息等等）；（2）依据元数据信息，H.264格式视频和其他格式视频分别上传至不同的缓存区；（3）接口服务器向格式仲裁服务器提起格式仲裁申请，通过审核的H.264资源由格式仲裁服务器告知上载服务器，被上载服务器上传到H.264近线存储，并将信息同步到内容管理服务器；（4）未通过审核的视频由格式仲裁服务器向