數(shù)字電視轉(zhuǎn)碼技術(shù)的研究

摘要：隨著人民對(duì)業(yè)余文化生活要求的不斷提高，數(shù)字電視得到了迅猛的發(fā)展，對(duì)節(jié)目視音頻質(zhì)量、高清晰度電視的訴求也越來越強(qiáng)烈。播出方面，海量的節(jié)目信息和有限的頻道帶寬資源已經(jīng)構(gòu)成了當(dāng)今制約數(shù)字電視傳輸發(fā)展的主要矛盾；媒資制作方面，一方面要降低存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的消耗，另一方面又要保證多次編輯后畫面質(zhì)量損失在最小范圍。目前現(xiàn)有生產(chǎn)環(huán)境，尚無法從根本上解決這些矛盾，必須找到一種折中方案來滿足人民對(duì)豐富的文化生活的渴望。面對(duì)新形勢，選擇適合不同環(huán)節(jié)節(jié)目編碼格式的新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提高視頻節(jié)目的編碼質(zhì)量成為解決這一主要矛盾的首選方案。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)碼技術(shù)；數(shù)字電視；視頻數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TN919.81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 (2012) 09-0000-02

一、視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)的含義及分類

視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)，顧名思義就是在通過某種手段改變現(xiàn)有視頻數(shù)據(jù)的編碼方式。視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)使用的目的不同，其實(shí)現(xiàn)的手段也各不相同。大致上可以分為兩類：

（1）不同編碼格式之間的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼不同編碼格式之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼，指通過轉(zhuǎn)碼方法改變視頻數(shù)據(jù)的編碼格式。通常這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼會(huì)改變視頻數(shù)據(jù)的現(xiàn)有碼流和分辨率。例如我們可以將基于MPEG-2格式的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DV、MPEG-4或其它編碼格式，同時(shí)根據(jù)其轉(zhuǎn)碼目的，指定轉(zhuǎn)碼產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)的碼流和分辨率。我們可以將MPEG-2全I(xiàn)幀50Mbps的視頻源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為25Mbps碼流的DV格式數(shù)據(jù)，用于筆記本移動(dòng)編輯系統(tǒng)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)300*200低分辨率的MPEG-4文件，使用REAL或者微軟的WMV格式進(jìn)行封裝，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸至主管領(lǐng)導(dǎo)處用于審看。這種轉(zhuǎn)碼方式設(shè)計(jì)的算法較為復(fù)雜，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)重新編碼的過程，涉及的算法復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷，是由轉(zhuǎn)碼所需圖像質(zhì)量要求及轉(zhuǎn)碼前后兩種編碼方式的相關(guān)度所決定的。

（2）相同編碼格式之間的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼相同編碼格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼，指不改變壓縮格式，只通過轉(zhuǎn)碼手段改變其碼流或頭文件信息。根據(jù)其使用目的，可分為改變碼流和不改變碼流兩種。如我們可以將MPEG-2全I(xiàn)幀50Mbps碼流的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼為MPEG-2 IBBP幀8Mbps碼流的視頻數(shù)據(jù)，直接用于播出服務(wù)器用于播出?；蛘呶覀儗⒒赟ONY視頻服務(wù)器頭文件封裝的MPEG-2全I(xiàn)幀50Mbps碼流的視頻文件，改變其頭文件和封裝形式，使之可以在給予MATROX板卡的編輯系統(tǒng)上直接編輯使用。

二、數(shù)字電視轉(zhuǎn)碼技術(shù)的研究

由于多方面原因，目前衛(wèi)星上、媒資制作大部分仍舊采用傳統(tǒng)的MPEG-2 IBP編碼方式。傳輸方面，這種編碼方式效率較低一套高清節(jié)目通常需要18~22Mbps碼率，而一個(gè)cable的頻點(diǎn)也不過可以提供38Mbps的傳輸能力。即便以18Mbps為一套高清節(jié)目計(jì)算，一個(gè)頻點(diǎn)也只能傳送2套高清節(jié)目；媒資制作方面，雖然有效降低了存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)帶寬占用，但在經(jīng)過多次編輯轉(zhuǎn)碼后畫面質(zhì)量下降十分明顯，同時(shí)對(duì)編輯制作硬件處理能力上教MPEG2 I幀高碼編輯要求反而更高。如果采用H.264 IBP編碼方式壓縮視頻信號(hào)則可以將一套高清節(jié)目的碼率壓縮到10-12Mbps左右。一個(gè)頻點(diǎn)可以傳送至少3套高清節(jié)目大大提高了頻點(diǎn)的利用率，采用H.264 I編碼方式，采用與原MPEG2 IBP相近的碼率，可以保證媒資制作存儲(chǔ)、帶寬、編輯轉(zhuǎn)碼硬件資源消耗不變的情況下將多次編輯的畫面損失降到最低。在這種背景下催生了對(duì)轉(zhuǎn)碼技術(shù)的需求。

當(dāng)前市場上主流的轉(zhuǎn)碼方式有兩種。一種是以傳統(tǒng)的廣播級(jí)編解碼器搭配組合的全解全編式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼，繼承了廣電級(jí)信號(hào)傳輸中所獨(dú)有的高品質(zhì)，低延時(shí)等優(yōu)勢。另一種是伴隨著近年來流行的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生的IP視頻轉(zhuǎn)碼方式。這種方式具有組織靈活，封裝多樣化等特性。

下面我們將就以上提到的兩種轉(zhuǎn)碼方式分別進(jìn)行討論：

（一）全解全編

視頻編解碼技術(shù)是為了解決在目前信道帶寬有限的條件下，實(shí)現(xiàn)高速率，低損耗的傳輸視頻信號(hào)而發(fā)明的一種技術(shù)。優(yōu)秀的視頻編碼技術(shù)會(huì)通過復(fù)雜的算法找到原始圖像中非敏感的元素進(jìn)行剔除。利用圖像內(nèi)部和圖像間的關(guān)聯(lián)性將原始大數(shù)據(jù)量的圖像通過少量的基礎(chǔ)信息表示，降低了信息量。解碼端以基礎(chǔ)信息為參考通過前向和后向的預(yù)測還原出原始圖像實(shí)現(xiàn)解碼。編碼效率越高，算法越復(fù)雜與之相對(duì)的運(yùn)算量越大。廣播級(jí)編碼器采用專用的編碼芯片處理核心運(yùn)算，保證編碼運(yùn)算可以獨(dú)享充足的系統(tǒng)資源，使得編碼質(zhì)量和實(shí)時(shí)性從根本上得到保障。

所謂的視頻轉(zhuǎn)碼實(shí)際上就是對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行二次編碼處理的過程。選擇高效率，有保障，易實(shí)現(xiàn)的編碼方式是保證轉(zhuǎn)碼質(zhì)量的基本條件。那么是不是二次編碼的質(zhì)量好就一定能獲得良好的編碼質(zhì)量呢？顯然不是。二次編碼面臨的條件比一次編碼更為復(fù)雜，它的前端很可能不再是一個(gè)原始的未經(jīng)處理的圖像信號(hào)，而是通過某種編碼方式處理后壓縮信號(hào)，如果前后兩次選用了不同的編碼方式就可能造成更大的誤差，導(dǎo)致后次編碼的質(zhì)量嚴(yán)重下降。即便選用相同的編碼方式，由于沒有完全還原前次圖像的信息，導(dǎo)致再次編碼時(shí)參考信息選擇不準(zhǔn)確也會(huì)影響編碼的質(zhì)量。

解決這個(gè)問題的最佳方案是選擇一組性能卓越的編解碼器配合使用，通過對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行全解全編的方式來完成轉(zhuǎn)碼業(yè)務(wù)。首先，性能卓越的解碼器可以針對(duì)前端采用的不同編碼方式選擇與之相同的方式對(duì)視頻流進(jìn)行還原。由于針對(duì)性的選擇了解碼方式所以解碼后可以得到損失最低，最接近原始狀態(tài)的視頻信號(hào)。二次編碼的編碼器感覺就像是在處理原始信號(hào)，很容易找到合適的參考幀并獲得最佳的編碼效果。

上面提到是一種廣泛應(yīng)用于廣播級(jí)視頻傳輸機(jī)構(gòu)中的解決方案。通常被稱作“全解全編”方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于：由于使用了專業(yè)的視頻編解碼設(shè)備，通過專用的芯片完成對(duì)一次編碼圖像的還原和二次編碼使得圖像在轉(zhuǎn)碼的過程中損失被降到最小限度。如果使用性能卓越的編解碼產(chǎn)品還可以獲得更低的延時(shí)效果。目前日本NTT推出的編解碼器組合可

以保證一解一編的最低延時(shí)在120ms以內(nèi)。這種低損耗，低延時(shí)的轉(zhuǎn)碼組合是大多數(shù)專業(yè)廣電級(jí)視頻傳輸機(jī)構(gòu)的首選方案。

（二）網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)碼

另一種目前比較流行的轉(zhuǎn)碼方式是新興網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)碼方案。網(wǎng)絡(luò)視頻流存在以下特點(diǎn)：以IP數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的傳輸模式，要求多分辨率，多格式封裝，低碼率，對(duì)延時(shí)要求不敏感等。這種需求最適合依托以PC或服務(wù)器為架構(gòu)的硬件平臺(tái)，采用軟件編碼方式實(shí)現(xiàn)的解決方案。目前已經(jīng)有一套完整可靠的開源編碼軟件被類似廠商廣為應(yīng)用，通過對(duì)軟件的二次開發(fā)使得各廠商的軟編碼產(chǎn)品都可以支持諸如MMS，RTSP等多種格式封裝，并可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中內(nèi)嵌的播放器的屏幕尺寸，靈活的調(diào)整播放窗口大小和視頻碼率。

這種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)碼方案的硬件基礎(chǔ)是pc或服務(wù)器架構(gòu)，所以其本質(zhì)上還是一臺(tái)電腦。為了管理各個(gè)設(shè)備并在設(shè)備間進(jìn)行通信需要安裝操作系統(tǒng)。這樣一來CPU就不在只單獨(dú)負(fù)責(zé)處理視頻編碼業(yè)務(wù)，編碼質(zhì)量和處理速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于專業(yè)的廣播級(jí)設(shè)備的水平。在處理比較復(fù)雜業(yè)務(wù)時(shí)延時(shí)通常會(huì)在3秒鐘以上。

再者，由于CPU并不是專業(yè)的視頻處理芯片在轉(zhuǎn)碼后輸出的圖像質(zhì)量上也與專業(yè)設(shè)備間存在一些差距。以AMD的Avivo為例，雖然其轉(zhuǎn)碼速度已經(jīng)很快快，但是其輸出視頻并不完美，其中會(huì)出現(xiàn)編碼錯(cuò)誤，如可能在人物手臂和小腿處出現(xiàn)的灰色方塊等。這些都是網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)碼器很難從根本上解決的問題。

因此，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)碼器更適合的應(yīng)用場景是IPTV或者IPVOD這類的小屏幕，低帶寬，多種屏幕，弱實(shí)時(shí)性的環(huán)境中。此類架構(gòu)一般都提供了大量的SDK開發(fā)工具為了滿足不同用戶的操作習(xí)慣和感官需求很容易擴(kuò)展和開發(fā)出新的應(yīng)用，以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境這種瞬息萬變的生態(tài)環(huán)境。

三、總結(jié)

結(jié)合前面談到的兩種不同的主流轉(zhuǎn)碼方式的特點(diǎn)和各自的原理。不難看出對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境選擇合適的轉(zhuǎn)碼方式是達(dá)到最佳效果的捷徑。由于傳統(tǒng)廣電傳輸有自身良好的網(wǎng)絡(luò)資源作為依托，以及實(shí)時(shí)性，高畫面質(zhì)量等傳統(tǒng)優(yōu)勢所以更適合采用全解全編的專業(yè)轉(zhuǎn)碼方案，這樣既提高了編碼效率，有完美的繼承了傳統(tǒng)廣電的優(yōu)勢。

對(duì)于新興的網(wǎng)絡(luò)是視頻業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)碼以其突出的靈活性和多封裝，多分辨率的特點(diǎn)得到了良好的應(yīng)用和發(fā)展。