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(guò)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(lái)越多的低成本消費(fèi)類系統(tǒng)也都開(kāi)始支持視頻功能，工程師肩負(fù)著設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(huì)隨著每個(gè)編碼／解碼循環(huán)操作而遞減。此外，該算法還存在其他缺點(diǎn)。

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

● 對(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)在存儲(chǔ)器中，而額外的存儲(chǔ)器則會(huì)增加系統(tǒng)的材料清單成本。尤其對(duì)那些價(jià)格敏感型消費(fèi)類產(chǎn)品而言，這將關(guān)系到產(chǎn)品在市場(chǎng)中的成敗。

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

● 網(wǎng)絡(luò)帶寬；

● 移動(dòng)電話的處理能力；

● 顯示屏分辨率；

● 存儲(chǔ)器容量；

● 移動(dòng)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(dòng)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(duì)解碼設(shè)備所需資源選擇的大致影響。該表專門對(duì)采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與離散余弦變換(DCT)技術(shù)實(shí)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(duì)上述關(guān)鍵參數(shù)稍加修改，就會(huì)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(guò)提高量化因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)）可將視頻解碼的能耗降低75%～85%，但視頻質(zhì)量?jī)H下降5%～13%。

轉(zhuǎn)碼技術(shù)的選擇
過(guò)去幾年來(lái)，業(yè)界針對(duì)轉(zhuǎn)碼工作提出了幾種不同的方法，可提高處理與存儲(chǔ)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(shí)基礎(chǔ)之上，即我們能通過(guò)更先進(jìn)的技術(shù)對(duì)初始編碼過(guò)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(wú)用的東西，而不必簡(jiǎn)單地對(duì)原始視頻內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。

換言之，就是說(shuō)既可摒棄某些信息，也可在來(lái)源與目標(biāo)之間轉(zhuǎn)換頻率域信息，而無(wú)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(shì)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(shí)，還要降低對(duì)系統(tǒng)處理功能和存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

通常說(shuō)來(lái)，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(jiǎn)單定義及其比較評(píng)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(yùn)動(dòng)矢量和其他附屬信息進(jìn)行編碼。再編碼過(guò)程可對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行微調(diào)，或根據(jù)編碼要求進(jìn)行更高效的運(yùn)動(dòng)矢量計(jì)算。該方法消除了去耦轉(zhuǎn)碼器所面臨的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)幾乎相同的視頻質(zhì)量。

● 緊密耦合轉(zhuǎn)碼：再編碼通過(guò)采用運(yùn)動(dòng)矢量實(shí)現(xiàn)，并且無(wú)須進(jìn)入像素域?qū)\(yùn)動(dòng)矢量信息進(jìn)行再計(jì)算。轉(zhuǎn)碼工作也可在轉(zhuǎn)換域中進(jìn)行。這里需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是，由于這種方法根本不進(jìn)行運(yùn)動(dòng)再估計(jì)，因此不能更改分辨率。這種方法最大程度地降低了對(duì)存儲(chǔ)器和處理器的要求，但代價(jià)是降低了畫(huà)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(kāi)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(duì)位流進(jìn)行再編碼。視頻格式在轉(zhuǎn)碼流過(guò)程中不發(fā)生變化，無(wú)須逆變換，且在頻率域進(jìn)行再量化。通常采用這種方法來(lái)解決具體的問(wèn)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(huì)議、IPTV以及一些VoD等對(duì)畫(huà)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(píng)估特定應(yīng)用的預(yù)期表現(xiàn)與存儲(chǔ)器帶寬。

緊密耦合轉(zhuǎn)碼最適合存儲(chǔ)器有限或者不需要高畫(huà)質(zhì)的系統(tǒng)。移動(dòng)電話的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視頻電話應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子，因?yàn)橐曨l只需顯示在小屏幕上，而且分辨率相對(duì)較低，無(wú)須通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸高保真視頻。此外，對(duì)大量生產(chǎn)的設(shè)備，尤其是移動(dòng)電話而言，合計(jì)還能節(jié)約大量處理功耗、存儲(chǔ)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(lái)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(jué)不到品質(zhì)的下降。

平臺(tái)考慮事項(xiàng)
長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)工程師一直都非常清楚地認(rèn)識(shí)到，針對(duì)每個(gè)產(chǎn)品需求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，效率遠(yuǎn)不如在初期就設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一靈活的平臺(tái)來(lái)滿足各種不同的需求。機(jī)頂盒(STB)就是一個(gè)很好的例子，這種產(chǎn)品存在眾多型號(hào)要求。在估算處理性能及其他平臺(tái)參數(shù)方面，轉(zhuǎn)碼發(fā)揮著重要的作用。

由于對(duì)STB而言最重要的就是實(shí)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(jì)能否成功進(jìn)入市場(chǎng)不僅取決于設(shè)計(jì)初期選擇什么樣的平臺(tái)，而且也取決于隨后設(shè)計(jì)方案的逐步實(shí)施。STB的價(jià)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(huì)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(jì)人員需要考慮以下一些更高級(jí)的設(shè)計(jì)決策：

● STB應(yīng)同時(shí)處理多少個(gè)頻道（如主視頻和畫(huà)中畫(huà)）以及室內(nèi)每個(gè)房間中的多少臺(tái)電視。

● 需要采用哪些產(chǎn)品差異化功能來(lái)贏得市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)（例如畫(huà)中畫(huà)、專有圖像、藍(lán)光光盤(pán)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(chǎng)部給出的初步價(jià)格點(diǎn)是多少。

與大多數(shù)設(shè)計(jì)的典型情況一樣，上述這三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)彼此密切相關(guān)，因而是平臺(tái)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(jì)的兼容性開(kāi)發(fā)軟件相配合，而且還應(yīng)提供廣泛的固件庫(kù)、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(tái)高端性能的重要指標(biāo)，STB必須支持這種高級(jí)別的吞吐量，并實(shí)時(shí)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(duì)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(jí)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(jí)編解碼。

轉(zhuǎn)碼硬件必須與整個(gè)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(chǔ)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(jiàn)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(shí)施這種架構(gòu)。該架構(gòu)的簡(jiǎn)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(guò)DDR2和PCI連接多個(gè)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(gè)人視頻通過(guò)STB硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)绞謾C(jī)上，那么通過(guò)精巧的工程設(shè)計(jì)(Clever engineering)方案就可使用另一個(gè)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。