基于H.264編碼的視頻發送/接收系統的設計*

雷驚鵬

(1.合肥工業大學計算機與信息學院，安徽合肥23000;2.安徽國防科技職業學院信息工程系，安徽六安237011)

視頻泛指將一系列靜態影像以電信號方式加以捕捉、紀錄、處理、儲存、傳送與重現的各種技術.不斷發展的網絡技術和網絡帶寬的快速增長，使視頻業務應用得以普及.

視頻信息由于其直觀性，容易被人的視覺接受.由于其包含的信息量極大，因此需要有良好的帶寬支持.在諸多形式的多媒體應用中，低延遲是傳輸的基本要求，用戶對視頻信息的延遲和對延遲的變化相對比較敏感.但是在傳輸中偶爾因為數據幀丟失導致畫面出現短暫停頓、流暢性欠佳等情況，則允許控制在一定的范圍.對視頻捕捉設備采集到的信號需要經過變換、量化等一系列操作后進行編碼，例如預測編碼、變換編碼、統計編碼，即三大經典編碼方法［1］.

1 H.264編碼

國際標準化組織(ISO)和國際電信聯盟(ITU－T)等標準化組織制定了一系列關于視頻編碼的標準.H.264編碼標準又稱作AVC(Advanced Video Coding)標準，也被稱作ITU－T H.264建議和MPEG－4的第10部分的標準［2］.

相對于其他現有的視頻編碼標準，H.264希望在相同帶寬下提供更好的視頻質量.H.264將視頻編解碼的流程分成5個模塊:幀內預測和幀間預測、變換和反變換、量化和反量化、環路濾波、熵編碼.在視頻通信、存儲領域，H.264視頻編碼標準都得到了廣泛應用，例如，視頻電視電話會議、遠程教育等.H.264編碼算法劃分為VCL和NAL兩個邏輯層.相對于H.263+算法，H.264采用了更加靈活的VCL算法，核心壓縮引擎、宏塊、片等使用了新的編碼語法，編碼效率得到有效提高.H.264標準在VCL和NAL之間定義的接口采用分組方式，完成兩個層次間的系統層分割，使得VCL和NAL可以獨立完成各自的任務.

H.264視頻編碼標準也在不斷地修訂和完善，目前對它的理論研究主要集中在分析其算法結構和視頻信號延時，以有效提高視頻壓縮效率.編碼時幀間預測的運動估計和模式選擇耗費了大量的時間［3］，對視頻壓縮編碼的效率有很大影響，而類似運動估計、快速模式算法等固定算法的形成，加深了對該運動估計和模式的研究，有效提高了視頻壓縮的能力和視頻信息的實時穩定性.在極低碼率(32－128Kbps)的情況下，H.264與MPEG－4相比具有性能倍增效應，即:相同碼率的H.26L媒體流和MPEG－4媒體流相比，H.26L擁有大約3個分貝的增益(畫質水平倍增).32Kbps的H.26L媒體流，其信躁比與128K的MPEG－4媒體流相近.即在同樣的畫面質量下，H.264的碼率僅僅為 MPEG－4的四分之一［4］.

本文借助開源代碼實現了基于H.264編碼的網絡視頻發送和接收系統，客戶端接收并對數據解碼后進行播放.在視頻實時傳輸業務中可以采用.

2 基于H.264編碼的視頻發送/接收系統

2.1 系統框架

本文提出的視頻發送/接收系統的總體框架如圖1所示:

圖1 基于H.264編碼的C/S架構視頻發送/接收系統

(1)視頻采集設備作為信息來源，負責視頻信號的接收和預處理;

(2)服務器端利用編碼函數encode()，完成以下主要工作:

1)初始化編碼器參數;

2)為待編碼幀分配內存空間;

3)循環完成幀層次編碼.

(3)客戶端利用解碼函數完成數據解碼，并進行播放.

2.2 關鍵過程

服務器端需要對H.264視頻流進行RTP打包，經過封裝后，形成適合網絡傳輸格式的數據包.

(1)編碼器選用開源的T264編碼器，主要由六部分組成:幀內預測、幀間預測、DCT變換和量化、Zigzag掃描、環路濾波、熵編碼［5］.

(2)T264_encode()編碼函數調用eg_init()函數對視頻碼流進行指針初始化，調用decision_slice_type函數()判斷當前的幀類型，根據確定的類型調用相關函數初始化NAL［6］單元頭信息，最后再通過T264_encode_frame()函數進行編碼，并將編碼后的數據寫入NAL單元結構中.設計傳輸使用的RTP數據頭如下:

編碼函數T264_encode()主要完成編碼器參數初始化及T264結構體的初始化，并為待編碼的原始圖像幀分配內存空間.

(3)編碼Filter的基類選擇CTransformFilter，以適應不同類型的傳輸媒體.該類的實現中，通過CheckInputType函數完成對媒體類型的檢查.Filter經編譯后生成T264Encoder.ax文件，對該文件注冊后即可作為獨立的COM組件.

(4)在服務器和客戶端可加入緩存機制，實現對視頻抖動的控制.

3 結語

通過修改開源的T264編解碼器能實現基于H.264編碼視頻的采集與播放，對信息傳輸的質量控制是需要在此基礎上進一步改進的工作.設置基于終端的QoS解決策略有助于視頻傳輸質量的改進和控制，通過在終端增加速率控制、誤碼控制等QoS機制，在網絡相對穩定的條件下能夠做到一定的QoS保證，從而提高圖像的質量.

［1］蔡安妮，孫景鰲.多媒體通信技術基礎［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［2］畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準——H.264/AVC［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［3］梁睿.H.264幀間預測模式選擇和快速運動估計優化算法［EB/OL］.http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200701 －151，2007 －01 －12.

［4］吳峰，貝悅，李輝.H.264 編碼新技術展望［J］.軟件，2011，(11):73－75.

［5］譚超，王庫，傅穎.基于DM642的X264開源代碼實現的研究［J］.微計算機信息，2007，(35):181 －183.

［6］孔群娥，曾學文，劉馬飛.基于x264實現H.264的時域可伸縮編碼［J］.微計算機應用，2011，(3):24 －28.