基于AVS3编解码和SMT协议封装的超高清视频传输系统研究与实现.pdf
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1、 视音频技术Video&Audio1 引言 数字音视频编解码技术标准工作组于 2002 年 6 月由国家原信息产业部科学技术司批准成立,距今已有 21 年。在这 21 年中,产生了丰富的成果,如AVS 系列标准。该系列标准包含系统、视频、音频、数字版权管理在内的完整标准体系,为数字音视频产业提供全面的解决方案。近年来,中国互联网产业迅猛发展。目前,视频媒体不断向更高质量发展,对分辨率的要求越来越高。为了支持 8K 实时压缩,我国专家组自主研制了更高效的 AVS3 编码标准,同时,采用 AVS3 标准的试验频道在央视播出。互联网的快速发展促进媒体内容和形态快速增长,如何让更高质量与更多内容的媒体
2、进行融合,形成相关联的全媒体内容,并智能服务人类生活,AVS 系统标准中提供了解决方案,即 SMT(Smart Media Transport)协议。如何将两者结合并得以实现,国产标准的应用非常必要。本文介绍使用 SMT 协议传输 AVS3 编码的视频,特别是 8K 超高清视频的研究与实现,为国产化标准的落地实现提供参考。2 SMT 协议2.1 协议简介SMT 协议可以分为 3 个逻辑功能区,分别为信令功能区、封装功能区和传送功能区,系统的整体架构如图 1所示。封装功能区有 2 个特点:一是基于 ISO BMFF;二是内容碎片化。内容碎片又名通用封装单元(Common Encapsulatio
3、n Unit,CEU),其包含的编码媒体数据既可以是时序的,又可以是非时序的。2.2 与 HLS 对比HLS(HTTP Live Streaming,HTTP 实时流传输)是苹果公司自主开发的流媒体传输方案。其特点是使用M3U8 描述文件和使用 TS 切片的媒体文件。这里作了 SMT 协议和 HLS协议对比。(1)SMT 协 议 媒 体 文 件 采 用CEU 格 式,HLS 采 用 TS 切 片 文 件。CEU 格式支持元数据和媒体内容的分开存储,每个媒体分片包含可独立解密和解码的内容元数据。(2)从媒体文件大小的对比来看,对于相同码率的视频文件相差很小。本文使用的参考文件为 AVS3 编码的
4、基于AVS3编解码和SMT协议封装的 超高清视频传输系统研究与实现文/上海数字电视国家工程研究中心有限公司 邓军摘要:我国 AVS 工作组制定了视频、音频、系统等系列标准,包含了面向超高清视频应用的新一代数字视频编码标准和为异构网络中的媒体数据提供传输与分发服务的SMT协议等众多标准。本文介绍了 AVS3 和 SMT 协议的基本特点,重点总结了基于SMT 协议传输 AVS3 码流的实现流程、难点问题、解决方法以及在机顶盒上播放的效果。关键词:AVS3 SMT 超高清图 1 SMT 系统架构超高清 Ultra High Definition 2023年7月 月刊 总第375期TS 文件,其大小为
5、 2.266GB。碎片化为 CEU 后,占用的总大小为 2.216GB。(3)时间戳对比:TS 码流在 PES阶段,设置 PES_Packet 包中的 PTS_DTS_Flags,可 以 加 入 PTS 信 息 和DTS信息,当PTS_DTS_Flags为“10”时,此 时 仅 有 PTS 信 息;当 PTS_DTS_Flags 为“11”时,此时有 PTS信息和 DTS 信息。而在 SMT 协议中,呈现时间是通过 UTC 时间。(4)SMT 协议支持 UDP 和 TCP传输,HLS 使用 HTTP 协议。2.3 与 MPEG-DASH 对比在 MPEG-DASH 中,通过 MPD文件描述媒体
6、的组织信息。媒体文件包含了音视频的初始化段和不同码率的媒体段。而在 SMT 中,每一个CEU 切片都会有 CEU Metadata,相当 于 MPEG-DASH 中 的 初 始 化 段。不断重复的初始化段更适合在广播系统中使用。而在基于 HTTP 的传输系统中,多个初始化段增加了一些冗余。但是对于最终的存储文件而言,CEU形式的更类似 TS 一样,用户只要这个文件就可以播放,而 DASH 必须同时包含上述 Init Segment 和 Media Segment 才能播放。CEU 支持不同帧率的切片组合,而 DASH 不支持。2.4 基于 SMTP 的传输在单播或者广播中,数据要以Packet
7、 的方式传输,但是数据包存在丢失的可能性,此时,要对丢包有一定的适应性。为此 SMT 设计了SMTP 的包结构。SMTP 包主要由包头和 Payload Data 组成。根据时序媒体的组织方式,每次都是先发送 ftyp 和 moov 数据之后,然后发送 mdat 数据,此时如果一个 CEU 丢失,不影响后续的 CEU解析和解码呈现。但是如果接收端成功收到 CEU Metadata 和 Fragment Metadata 后,mdat 中的某些数据包丢失,此时的流程如图 2 所示。除了根据 CEU 的数据特性,为了保证多播/广播环境的可靠性,SMTP主要依靠 FEC,而不是将数据包重发。为了生成
8、 FEC 冗余数据,此时一种可选的方式是将整个的 GOP 数据一起生成 FEC 冗余数据。另外一种方式是每个 Sample 单独生成冗余数据,此种方式比第一种方式延迟更低。在 以 HTTP 方 式 传 输 时,此 时就没有必要进行 SMTP 打包,因为HTTP 是 可 靠 传 输,增 加 SMTP 头,增加了不必要的传输开销。3 AVS3 技术3.1 AVS3 简介视频分辨率向着高分辨率发展,位深从 8bit 提升到 10bit12bit,帧率从普通的 25 帧发展为 120 帧,使得视频数据量变大,这就给传输的带宽及存储带来挑战。为了适应这种挑战,当前国际上使用的 HEVC、AV1、H.26
9、6 等视频编码标准应运而生。同时,我国 AVS 工作组率先展开了具有自主知识产权的、针对超高清视频的视频编码标准的制定工作。2017 年 12 月,AVS 工作组决定开展面向超高清视频应用的新一代数字视频编码标准,即AVS3 的制定工作。AVS3 的制定工作分为 2 个阶段:第一阶段(基准档次)是从 2018 年 3 月到 2019 年 6 月,制定面向复杂度优先的应用,其性能相较于 AVS2 提升 30%;第二阶段(增强档次)是从 2019 年 6 月到 2021 年12 月,目标是编码效率比 AVS2 提升1 倍以上,同时编码性能超越同时代的其他国际标准。2020 年 5 月 13 日,A
10、VS3 基准档次标准正式获批并被颁布为团体标准。当前国内 AVS 编码技术主要应用在广播电视领域,如高清电视、IPTV、卫星电视等。2021 年 2 月 1 日,中央广播电视总台 8K 超高清电视节目实验播出;2022 年 1 月 1 日,北京电视台冬奥纪实频道采用 AVS3 视频标准播出;2022 年 1 月 25 日,中央广播电视总台 8K 超高清频道采用 AVS3 视频标准播出。图 2 数据异常处理流程 视音频技术Video&Audio3.2 AVS3 关键技术编码块划分技术把复杂多样的图像划分成多个矩形块,有针对性地对以块为单位的图像进行有效编码,最后再以块为单位去解码图像。帧内预测利
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