視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)與系統(tǒng)要求相匹配

視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)與系統(tǒng)要求相匹配

　音視頻轉(zhuǎn)碼曾被視為一種直接的、傳統(tǒng)的處理過程，可將源視頻編碼，生成略差于原始未壓縮內(nèi)容的版本，然后將其重新解碼為傳輸或觀看所要求的格式。

　　隨著視頻壓縮算法種類的日益豐富，且越來越多的低成本消費類系統(tǒng)也都開始支持視頻功能，工程師肩負(fù)著設(shè)計出兼具低成本與良好視頻性能系統(tǒng)的重?fù)?dān)，因此必須認(rèn)真審視上述這種簡單模式匹配算法(brute force approach)。盡管這種方法能產(chǎn)生高質(zhì)量視頻效果，但由于視頻偽像被當(dāng)作有效數(shù)據(jù)包含在編碼中，視頻質(zhì)量會隨著每個編碼／解碼循環(huán)操作而遞減。此外，該算法還存在其他缺點。

　　● 對處理器要求高：在算法效率不斷提高的同時，其復(fù)雜性也越來越高，需要更高的處理能力，尤其是在需要實時轉(zhuǎn)換的情況下。

　　● 對存儲器資源要求高：解碼／編碼操作通常需要將被解碼的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，而額外的存儲器則會增加系統(tǒng)的材料清單成本。尤其對那些價格敏感型消費類產(chǎn)品而言，這將關(guān)系到產(chǎn)品在市場中的成敗。

　　移動設(shè)備上的視頻回放功能就是一個需要減少處理器負(fù)載以及節(jié)約存儲器資源的很好應(yīng)用實例。盡管手機(jī)本身不進(jìn)行轉(zhuǎn)碼工作，而只是在視頻點播(VoD)服務(wù)器或視頻網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，但移動電視／移動視頻電話仍然還受其他五點限制，分別是：

　　● 網(wǎng)絡(luò)帶寬；

　　● 移動電話的處理能力；

　　● 顯示屏分辨率；

　　● 存儲器容量；

　　● 移動電話的能耗，人們往往不把這一因素視為視頻回放所要考慮的條件。

　　盡管移動視頻設(shè)備的處理能力一代比一代強(qiáng)大，但用手持設(shè)備捕獲的HD或SD視頻全都需要處理，這樣才能被網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的終端設(shè)備播放。表1 給出了不同視頻編碼參數(shù)對解碼設(shè)備所需資源選擇的大致影響。該表專門對采用運動補(bǔ)償與離散余弦變換(DCT)技術(shù)實現(xiàn)視頻壓縮的基于塊的視頻編解碼器進(jìn)行了分析。

表1 編碼參數(shù)的影響

　　對上述關(guān)鍵參數(shù)稍加修改，就會產(chǎn)生迥異的結(jié)果。降低細(xì)節(jié)解析度（可在編碼進(jìn)程中通過提高量化因數(shù)來實現(xiàn)）可將視頻解碼的能耗降低75%～85%，但視頻質(zhì)量僅下降5%～13%。

　　轉(zhuǎn)碼技術(shù)的選擇

　　過去幾年來，業(yè)界針對轉(zhuǎn)碼工作提出了幾種不同的方法，可提高處理與存儲器資源的使用效率。大多數(shù)這種方案都建立在這樣一種認(rèn)識基礎(chǔ)之上，即我們能通過更先進(jìn)的技術(shù)對初始編碼過程中創(chuàng)建的量子化和頻率域信息進(jìn)行修改，更好地加以利用，摒棄其中無用的東西，而不必簡單地對原始視頻內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。

　　換言之，就是說既可摒棄某些信息，也可在來源與目標(biāo)之間轉(zhuǎn)換頻率域信息，而無須進(jìn)入像素域進(jìn)行解碼。

　　具體而言，傳統(tǒng)方案的最重要優(yōu)勢在于，其交付的視頻與原始視頻內(nèi)容相比具有極高的保真度。因此，如果采用其他的轉(zhuǎn)碼技術(shù)，那么就需在保證盡可能高的視頻質(zhì)量的同時，還要降低對系統(tǒng)處理功能和存儲器資源的要求。只有讓轉(zhuǎn)碼技術(shù)與特定的應(yīng)用相匹配，才能實現(xiàn)上述目標(biāo)。

　　通常說來，轉(zhuǎn)碼可采用三種通用方案或架構(gòu)，以下給出每種方案的簡單定義及其比較評定。

　　● 松弛耦合轉(zhuǎn)碼器：這種轉(zhuǎn)碼技術(shù)大多數(shù)采用解碼的輸入視頻中的運動矢量和其他附屬信息進(jìn)行編碼。再編碼過程可對運動矢量進(jìn)行微調(diào)，或根據(jù)編碼要求進(jìn)行更高效的運動矢量計算。該方法消除了去耦轉(zhuǎn)碼器所面臨的復(fù)雜計算問題，同時還能實現(xiàn)幾乎相同的視頻質(zhì)量。

　　● 緊密耦合轉(zhuǎn)碼：再編碼通過采用運動矢量實現(xiàn)，并且無須進(jìn)入像素域?qū)\動矢量信息進(jìn)行再計算。轉(zhuǎn)碼工作也可在轉(zhuǎn)換域中進(jìn)行。這里需要重點考慮的問題是，由于這種方法根本不進(jìn)行運動再估計，因此不能更改分辨率。這種方法最大程度地降低了對存儲器和處理器的要求，但代價是降低了畫質(zhì)。緊密耦合轉(zhuǎn)碼算法難以制定，但可根據(jù)具體要求進(jìn)行開發(fā)。

　　● 碼率轉(zhuǎn)換器：在轉(zhuǎn)換域?qū)ξ涣鬟M(jìn)行部分解碼，并用網(wǎng)絡(luò)可支持的所需比特率對位流進(jìn)行再編碼。視頻格式在轉(zhuǎn)碼流過程中不發(fā)生變化，無須逆變換，且在頻率域進(jìn)行再量化。通常采用這種方法來解決具體的問題。例如，線纜頭端的通道容量在線纜廠已衰減，但又需要確保向終端設(shè)備傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量和分辨率基本不變。

圖1 應(yīng)用中最常用的松弛耦合轉(zhuǎn)碼器的典型流程圖

　　使轉(zhuǎn)碼器與應(yīng)用相匹配

　　在諸如機(jī)頂盒、視頻會議、IPTV以及一些VoD等對畫質(zhì)要求較高的應(yīng)用中，通常采用去耦和松弛耦合轉(zhuǎn)碼技術(shù)。決定采用何種轉(zhuǎn)碼技術(shù)需要評估特定應(yīng)用的預(yù)期表現(xiàn)與存儲器帶寬。

　　緊密耦合轉(zhuǎn)碼最適合存儲器有限或者不需要高畫質(zhì)的系統(tǒng)。移動電話的點對點視頻電話應(yīng)用就是一個很好的例子，因為視頻只需顯示在小屏幕上，而且分辨率相對較低，無須通過整個網(wǎng)絡(luò)傳輸高保真視頻。此外，對大量生產(chǎn)的設(shè)備，尤其是移動電話而言，合計還能節(jié)約大量處理功耗、存儲器容量及物料清單成本。

　如前所述，碼率轉(zhuǎn)換器通常適用于有線電視、IPTV及視頻電話應(yīng)用中的某些特殊情況，并根據(jù)可用的系統(tǒng)帶寬來匹配傳輸數(shù)據(jù)速率。其可以轉(zhuǎn)換音頻和視頻的碼率，而且?guī)缀醺杏X不到品質(zhì)的下降。

　　平臺考慮事項

　　長期以來，設(shè)計工程師一直都非常清楚地認(rèn)識到，針對每個產(chǎn)品需求分別進(jìn)行設(shè)計，效率遠(yuǎn)不如在初期就設(shè)計一個統(tǒng)一靈活的平臺來滿足各種不同的需求。機(jī)頂盒(STB)就是一個很好的例子，這種產(chǎn)品存在眾多型號要求。在估算處理性能及其他平臺參數(shù)方面，轉(zhuǎn)碼發(fā)揮著重要的作用。

　　由于對STB而言最重要的就是實現(xiàn)高質(zhì)量視頻，因此只能將松弛耦合轉(zhuǎn)碼作為主要方法。

　　STB設(shè)計能否成功進(jìn)入市場不僅取決于設(shè)計初期選擇什么樣的平臺，而且也取決于隨后設(shè)計方案的逐步實施。STB的價位各不相同并在全球各地銷售，與采用標(biāo)準(zhǔn)化格式的視頻會議系統(tǒng)截然不同，其必須滿足各種不同視頻格式的需要。

　　STB 設(shè)計人員需要考慮以下一些更高級的設(shè)計決策：

　　● STB應(yīng)同時處理多少個頻道（如主視頻和畫中畫）以及室內(nèi)每個房間中的多少臺電視。

　　● 需要采用哪些產(chǎn)品差異化功能來贏得市場優(yōu)勢（例如畫中畫、專有圖像、藍(lán)光光盤刻錄、視頻通信、連接至 IP 網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)等）。

　　● 市場部給出的初步價格點是多少。

　　與大多數(shù)設(shè)計的典型情況一樣，上述這三項標(biāo)準(zhǔn)彼此密切相關(guān)，因而是平臺創(chuàng)建的重要因素，所有產(chǎn)品變體在此基礎(chǔ)上演變產(chǎn)生。這意味著，不僅應(yīng)讓靈活的處理器與可滿足各種設(shè)計的兼容性開發(fā)軟件相配合，而且還應(yīng)提供廣泛的固件庫、算法和支持。

　　設(shè)置性能標(biāo)準(zhǔn)

　　支持HDTV 1080p標(biāo)準(zhǔn)是體現(xiàn)STB平臺高端性能的重要指標(biāo)，STB必須支持這種高級別的吞吐量，并實時調(diào)整顯示輸出。

　　此外，必須支持各種內(nèi)容源和數(shù)字顯示格式。低端有CIF格式及其分支，如QCIF格式等，可應(yīng)用于視頻流中并為DTV上的拆分屏幕應(yīng)用提供基礎(chǔ)支持。

　　眾所周知，HD對帶寬有著很高的要求，這就意味著我們應(yīng)當(dāng)支持各種壓縮算法，其中包括H.264/MPEG-4 part 10/AVC以及WMV9/VC-1等高級編解碼算法。通常需要將常規(guī)的MPEG-2傳輸流轉(zhuǎn)碼為高級編解碼。

　　轉(zhuǎn)碼硬件必須與整個STB系統(tǒng)中的其他系統(tǒng)進(jìn)行良好交互，其中包括數(shù)字調(diào)諧器、解多路復(fù)用器 (Demuxer)和解調(diào)器、DDR2存儲器、PCI總線，以及向STB SoC傳輸音／視頻的高帶寬接口。圖2是常見的架構(gòu)示意圖。

圖2? 典型的STB系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 基于達(dá)芬奇技術(shù)的TMS320DM6467數(shù)字媒體處理器方框圖

　　德州儀器(TI)基于達(dá)芬奇(DaVinciTM)技術(shù)的數(shù)字媒體處理器可實施這種架構(gòu)。該架構(gòu)的簡化版如圖3所示。
為了滿足多房間觀看電視和多頻道欣賞的要求，可通過DDR2和PCI連接多個DM6467數(shù)字媒體處理器，以在不同設(shè)備間交換數(shù)據(jù)，并確保架構(gòu)的可擴(kuò)展性。例如，如果應(yīng)用需要將攝像機(jī)上的SD或HD個人視頻通過STB硬盤驅(qū)動器傳輸?shù)绞謾C(jī)上，那么通過精巧的工程設(shè)計(Clever engineering)方案就可使用另一個解碼方法將基于達(dá)芬奇技術(shù)的DM6467等處理器壓縮到服務(wù)中。