三屏合一轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)中轉(zhuǎn)碼和集群系統(tǒng)技術(shù)分析

劉 彤

（北京數(shù)碼視訊科技股份有限公司，北京 100085）

當(dāng)前，“一云多屏”已成為廣電行業(yè)乃至電信互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的潮流趨勢，其核心是用戶體驗，在不同終端形成無縫的視頻資訊傳輸、互動和定制的統(tǒng)一服務(wù)，豐富用戶在不同環(huán)境下的體驗。鑒于廣電網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的改善，手機(jī)、平板電腦和數(shù)字電視的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和終端已經(jīng)不再是用戶體驗視頻服務(wù)的障礙，但如何將好的節(jié)目轉(zhuǎn)換成為適合不同終端不同網(wǎng)絡(luò)的節(jié)目源已經(jīng)成為多屏業(yè)務(wù)發(fā)展的主要問題[1-4]。本文重點討論如何提高轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的處理能力，以適應(yīng)三屏合一這一市場需求。

1 多屏業(yè)務(wù)的市場需求和前景

多屏平臺可用于IPTV、網(wǎng)絡(luò)電視、手機(jī)電視和CMMB等，用戶通過計算機(jī)、平板電腦和智能手機(jī)收看直播電視、視頻點播以及時移電視等，良好的用戶體驗將吸引大量的客戶購買廣電的服務(wù)。隨著用戶數(shù)量的快速增長，預(yù)計在2012年，全球的三屏業(yè)務(wù)收入將達(dá)到186億美元，將成為運營商增加收入的重要途徑。隨著用戶數(shù)量的增加，三屏業(yè)務(wù)也必將為運營商帶來豐厚的利潤?，F(xiàn)在，國內(nèi)外多家運營商已經(jīng)在這一領(lǐng)域開始發(fā)力，多業(yè)務(wù)、多終端的豐富運營模式成為未來發(fā)展的主流：在國外，AT&T已經(jīng)開始運營三屏業(yè)務(wù)，向電視、電腦和手機(jī)用戶提供電視業(yè)務(wù)；在國內(nèi)，包括CNTV、百事通和華數(shù)等多家網(wǎng)絡(luò)電視臺都建立了相應(yīng)的多屏轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)，搶占了國內(nèi)三屏市場。

面對多屏市場的機(jī)遇，運營商卻面臨著節(jié)目源轉(zhuǎn)碼能力的限制。隨著新媒體內(nèi)容的爆發(fā)性增長，受制于轉(zhuǎn)碼能力，用戶卻無法觀看到需要的節(jié)目。怎樣才能提高并且充分利用轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)？答案是提高單臺設(shè)備的視頻轉(zhuǎn)碼能力，以及采用集群系統(tǒng)實現(xiàn)負(fù)載均衡。

2 視頻轉(zhuǎn)碼

從技術(shù)角度上講，提高單臺設(shè)備視頻轉(zhuǎn)碼能力包括選擇合適的碼率轉(zhuǎn)換方法、空間分辨率轉(zhuǎn)換算法優(yōu)化、提高時間分辨率轉(zhuǎn)換和編碼格式轉(zhuǎn)換技術(shù)精確度。

2.1 碼率轉(zhuǎn)換

為了適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求，轉(zhuǎn)碼設(shè)備需要通過一定的方法降低視頻的碼率，確保轉(zhuǎn)換后的視頻能夠在不同的終端上播出。視頻碼率轉(zhuǎn)換方法主要有4種，他們的難度依次遞增，同時轉(zhuǎn)碼效果也和運算量成正比。第1種方法是通過丟棄部分高頻DCT系數(shù)，截斷高頻部分DCT分量，雖然丟棄高頻系數(shù)會導(dǎo)致圖像部分細(xì)節(jié)的缺失，但在不影響觀看的前提下，保證了碼流輸出符合要求。第2種是對第1種方法的優(yōu)化，根據(jù)分析選擇合適的量化步長，量化解碼后的頻域系數(shù)來降低輸出碼率。上述兩種采用的是開環(huán)系統(tǒng)，計算的復(fù)雜度降低很多，同時也犧牲了圖像質(zhì)量。第3種方法是在不改變視頻的編碼模式和運動矢量的基礎(chǔ)上對圖像重新編碼，避免在編碼模式的重新選擇和運動估計占用資源。第4種方法是這4種方法中效果最好的，但同時也是運算量最大的。需要從視頻流中提取對應(yīng)的編碼信息，通過運動矢量優(yōu)化并做一次IDCT和DCT，這樣就提高了運動估計的精準(zhǔn)性。后兩種方法采用閉環(huán)系統(tǒng)，對解碼圖像進(jìn)行了重建，對各宏塊的殘差進(jìn)行了重新估計，雖然計算復(fù)雜度較高，但在反饋了參考幀圖像基礎(chǔ)上獲得了較好的圖像質(zhì)量。

2.2 空間分辨率轉(zhuǎn)換

為了能夠使高質(zhì)量高分辨力的視頻在分辨力較低的終端上顯示，這就需要空間分辨力轉(zhuǎn)換。通過添加模塊，在“全解全編”架構(gòu)中將視頻的分辨力進(jìn)行由高到低的變換。分辨力轉(zhuǎn)換的算法有以下3種，分別是下采樣算法、運動矢量映射算法和伸縮算法。下采樣算法是通過改變原有的采樣方式，減小圖像的尺寸來降低分辨力，方法包括像素平均法，把原來2×2像素變?yōu)橐粋€新的像素；濾波采用法，對通過濾波器濾波后的新像素進(jìn)行抽樣。運動矢量的伸縮算法和映射算法，是指通過運動矢量的縮放效應(yīng),對視頻圖像壓縮，從而達(dá)到降低空間分辨力的效果，其低分辨力圖像的新宏塊與原來的多個宏塊對應(yīng)，之后采用一定的映射算法計算出這些新宏塊的具體運動矢量，這些方法包括平均值法、中值法以及隨機(jī)選取其中一個矢量作為參考宏塊的當(dāng)前運動矢量，最后將所得的該運動矢量與分辨力的壓縮比作除，從而在低分辨力圖像下獲得最終的運動矢量。

2.3 時間分辨力轉(zhuǎn)換

時間分辨力轉(zhuǎn)換是指把原來視頻序列的幀率以一定的方法進(jìn)行由高向低的變換，這樣就會減少對解碼設(shè)備處理能力的依賴，保證在終端設(shè)備分辨力低、處理能力弱、帶寬小的情況下視頻的正常播放。時間分辨力轉(zhuǎn)換的方法主要有3種，分別是丟幀、幀類型轉(zhuǎn)換和運動矢量合成算法。降低幀率的方法不是簡單的丟棄幀，而是通過丟棄幀的運動信息合成新的運動矢量。由于丟棄B幀不會對I和P幀有任何影響，所以丟幀的策略是首先丟棄B幀。另外，跳幀策略是根據(jù)運動矢量的積累程度來選擇。幀類型轉(zhuǎn)換主要是指B幀到P幀的轉(zhuǎn)換，多向的運動矢量變換為前向運動矢量。運動矢量合成算法是采集棄幀中的相關(guān)運動信息，通過合適的運動矢量合成算法，合成新的運動矢量，這種方法利用了運動矢量的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.4 編碼格式轉(zhuǎn)換

為了將原始視頻的編碼格式轉(zhuǎn)換成終端所需的解碼格式，通過先解再編對編碼格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在主流的視頻編碼格式包括H.264，MPEG-4，MPEG-2和AVS等，由于H.264的技術(shù)較為先進(jìn)，在不降低畫面效果質(zhì)量的情況下大大降低了碼率，也就是具有較高的編碼效率，現(xiàn)在成為主流的高清乃至標(biāo)清小屏幕設(shè)備主要視頻編碼格式。因此，在從其他編碼標(biāo)準(zhǔn)到H.264編碼轉(zhuǎn)換的過程中，利用陣內(nèi)圖像預(yù)測、運動估計多模式選擇等方法，通過多參考幀、多編碼模式以及1/4像素運動估計等方法對視頻圖像進(jìn)行優(yōu)化，這樣在保證圖像質(zhì)量的前提下降低了運算量。

基于以上的技術(shù)分析，在面對不同的轉(zhuǎn)碼需求時選擇合適的轉(zhuǎn)碼方法，運用先進(jìn)的算法，這樣才能提高轉(zhuǎn)碼器的轉(zhuǎn)碼能力。

3 集群系統(tǒng)

轉(zhuǎn)碼工作不僅僅需要轉(zhuǎn)碼器具有強(qiáng)大的轉(zhuǎn)碼能力，還需要通過轉(zhuǎn)碼集群管理平臺管理轉(zhuǎn)碼器實現(xiàn)充分調(diào)度，使轉(zhuǎn)碼器的轉(zhuǎn)碼能力最大化。轉(zhuǎn)碼集群管理平臺可同時管理多個轉(zhuǎn)碼器，負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)中轉(zhuǎn)碼器的狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)碼器出現(xiàn)故障時，從備份轉(zhuǎn)碼器中選取冗余的轉(zhuǎn)碼器進(jìn)行熱備。轉(zhuǎn)碼集群管理包括負(fù)載均衡、冗余備份、任務(wù)調(diào)度以及轉(zhuǎn)碼緩沖管理。

以一個來自CDN網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)碼請求媒資轉(zhuǎn)碼為例，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)向轉(zhuǎn)碼集群發(fā)送轉(zhuǎn)碼任務(wù)請求，轉(zhuǎn)碼集群服務(wù)器根據(jù)負(fù)載情況自動選擇一臺轉(zhuǎn)碼服務(wù)器，設(shè)置輸入和輸出目標(biāo)，啟動轉(zhuǎn)碼。轉(zhuǎn)碼服務(wù)器可以在向內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)提供內(nèi)容的同時向緩沖中寫入文件，轉(zhuǎn)碼集群負(fù)責(zé)維護(hù)轉(zhuǎn)碼輸出的文件Cache，下次當(dāng)同一個轉(zhuǎn)碼任務(wù)發(fā)出時，如果轉(zhuǎn)碼結(jié)果存在于文件Cache中，轉(zhuǎn)碼集群管理服務(wù)器將不再啟動轉(zhuǎn)碼，直接返回該文件的訪問鏈接，通過這種方式，可大大降低轉(zhuǎn)碼集群的壓力，節(jié)省運營商的投入成本。

轉(zhuǎn)碼集群管理服務(wù)器對于轉(zhuǎn)碼集群的管理采用分組調(diào)度的方式，典型的一種是在邏輯上根據(jù)不同的應(yīng)用對轉(zhuǎn)碼服務(wù)器分組，對于一個任務(wù)的冗余調(diào)度在其組內(nèi)實現(xiàn)，當(dāng)有設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以從冗余組中選擇一臺服務(wù)器進(jìn)行備份，對于不同的組，用戶可以選擇不同的負(fù)載均衡策略，固定提供最大資源利用、平均分配等策略可供用戶選擇，其示意圖如圖1所示。

轉(zhuǎn)碼集群管理服務(wù)器對轉(zhuǎn)碼緩沖管理采用先進(jìn)先出和熱度調(diào)度兩種策略，先進(jìn)先出即簡單的最先生成的文件當(dāng)緩沖滿時最先清除，熱度調(diào)度策略類似于現(xiàn)在計算機(jī)內(nèi)存管理策略，根據(jù)當(dāng)前文件的熱度和生成時間作為緩沖清除判斷依據(jù)，兩種策略應(yīng)用于不同的應(yīng)用場景，前者適用于內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)屏蔽了用戶請求的環(huán)境，后者適用于內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)直接傳遞用戶請求的場景。可根據(jù)用戶的使用環(huán)境選擇，并且易于擴(kuò)展。

相對于傳統(tǒng)的單機(jī)轉(zhuǎn)碼器，轉(zhuǎn)碼集群可以實現(xiàn)負(fù)載均衡、冗余備份、任務(wù)調(diào)度以及轉(zhuǎn)碼緩沖管理，可以將多臺轉(zhuǎn)碼器的轉(zhuǎn)碼能力充分利用，解決傳統(tǒng)多臺轉(zhuǎn)碼器同時工作時無法調(diào)度、負(fù)載不均等缺陷。因此，集群系統(tǒng)將取代傳統(tǒng)的多臺設(shè)備疊加，成為未來技術(shù)發(fā)展的主流。

4 小結(jié)

高性能的轉(zhuǎn)碼器和轉(zhuǎn)碼集群系統(tǒng)解決了運營商在推廣多屏業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)碼較難處理等問題。為此，數(shù)碼視訊推出了以xStream 2000為核心的多屏轉(zhuǎn)碼集群系統(tǒng)，提供高并發(fā)的任務(wù)響應(yīng)，將各種輸入轉(zhuǎn)化為適合各種終端的視音頻格式。隨著國內(nèi)三網(wǎng)融合步伐的邁動，各大運營商對三大網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的融合已經(jīng)拉開了帷幕，多屏編轉(zhuǎn)碼集群系統(tǒng)通過將媒資和實時節(jié)目轉(zhuǎn)化為適合各個網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿襟w格式，使得各大運營商能以較小的投入輕松打開現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)壁壘，將為三網(wǎng)融合在業(yè)務(wù)層面的融合打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，為廣大人民群眾提供更加便捷、豐富的文化消費，提供更好的互動體驗，從而滿足廣大人民群眾日益增長的精神文化需要。

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[1]上海貝爾.上海貝爾“多屏”解決方案[EB/OL].[2011-03-03].http://www.ccidcom.com/html/anliku/yewuwanga/201003/27-101463.html

[2]韋樂平.三網(wǎng)融合的思考[J].電信科學(xué)，2010（3）：1-6.

[3]溫建偉，王厚芹.國際三網(wǎng)融合進(jìn)程評價與啟示[J].電視技術(shù)，2010，34（6）：113-115.

[4]張黎晨.“三網(wǎng)融合”:中國廣播電視發(fā)展的新機(jī)遇[J].電視技術(shù)，2010，34（6）：116-117.