未來的視頻依賴轉(zhuǎn)碼技術
崔澎 2008/07/09
摘要： 當今視頻娛樂市場以內(nèi)容為王，能夠?qū)崟r轉(zhuǎn)換任意格式的視頻內(nèi)容是未來市場發(fā)展的一個核心趨勢。即使不被眾人所了解，但是視頻轉(zhuǎn)碼技術必將得到廣泛的使用。視頻轉(zhuǎn)碼是指將某一視頻格式轉(zhuǎn)換為另一視頻格式的過程，通常都是先將視頻暫時解碼，然后重新編碼成需要的格式和數(shù)據(jù)編碼速度。
關鍵詞： 視頻轉(zhuǎn)碼；MEPG-2；H.264；DSP
當今視頻娛樂市場以內(nèi)容為王，能夠?qū)崟r轉(zhuǎn)換任意格式的視頻內(nèi)容是未來市場發(fā)展的一個核心趨勢。即使不被眾人所了解，但是視頻轉(zhuǎn)碼技術必將得到廣泛的使用。視頻轉(zhuǎn)碼是指將某一視頻格式轉(zhuǎn)換為另一視頻格式的過程，通常都是先將視頻暫時解碼，然后重新編碼成需要的格式和數(shù)據(jù)編碼速度。
IDC分析指出了三種主要的轉(zhuǎn)碼需求：不同視頻格式間的轉(zhuǎn)換，例如從MPEG-2或者MPEG-4轉(zhuǎn)到H.264；內(nèi)容傳輸，改變比特率滿足不同網(wǎng)絡帶寬或者設備播放速度的需求；清晰度，將高清視頻轉(zhuǎn)為標清甚至更低的清晰度，后者反向處理。典型的例子是，為了進行編輯并將信息上載到網(wǎng)站(例如 YouTube)而將視頻從攝像機傳輸至 PC 的應用。視頻數(shù)據(jù)傳輸時，代碼轉(zhuǎn)換也正在進行；例如從攝像機(AVI 格式)到 PC(用于編輯的 MPEG-2；用于存儲的 MPEG-4)再到網(wǎng)站(H.263/H.264/Flash/等)。如果要在 PC 上觀看網(wǎng)站上的文件，則需再次執(zhí)行代碼轉(zhuǎn)換使其能在 RealPlayer 或 Windows Media Player 上播放。
轉(zhuǎn)碼的市場需求
視頻轉(zhuǎn)碼技術的發(fā)展及不斷增加的需求與廣播電視數(shù)字化進程密切相關，目前轉(zhuǎn)碼技術的主要應用領域是數(shù)字電視廣播和數(shù)字媒體前端處理。 “其實，多解碼芯片的應用只是在‘看’節(jié)目上應用，它讓設備可以支持多種類型的信號源�！备皇客ㄊ袌鼋�(jīng)理黃自力指出：“但有時有些場合只需要一種信號源，比如有線電視的前端，最好采用同一格式播出節(jié)目，這時候就需要將一部分節(jié)目的格式進行轉(zhuǎn)換。”
當前大量數(shù)字視頻節(jié)目為MPEG-2格式，而許多新的播放設備為提高傳輸和存儲效率而采用諸如MPEG-4\H.264 \Real\VC-1\AVS等高級數(shù)字編解碼格式，因此源于MPEG-2的轉(zhuǎn)碼技術已大量采用，而對與此相關的高清晰度轉(zhuǎn)碼的要求也越來越高，特別是實時轉(zhuǎn)碼技術及其實現(xiàn)手段的提高。
另外，在硬盤錄像機里，在MPEG-2格式時候占用硬盤空間太多，一部高清電影要占8G左右的硬盤空間，這就需要轉(zhuǎn)成更高壓縮比的H.264格式，從而擴大容量，節(jié)省硬盤的投入成本，同時也可以降低整機的重量和體積。像富士通的MB86H52就可以在保證節(jié)目質(zhì)量不變的情況下，最大達到5倍的容量擴展。
還有一些場合下，比如利用網(wǎng)絡來傳輸節(jié)目，MPEG-2就需要占用較大的帶寬，如果帶寬有限，就可以將MPEG-2的信號轉(zhuǎn)成H.264的信號，用較小的帶寬來進行傳輸，并且還可以進一步利用視頻轉(zhuǎn)碼處理器降低H.264信號的碼率，使之能夠適應網(wǎng)絡的傳輸。
轉(zhuǎn)碼技術將用來滿足更廣泛領域的數(shù)字視頻多制式轉(zhuǎn)換需求，不僅應用于包括視頻廣播轉(zhuǎn)碼、媒體網(wǎng)管、多會議單元 、醫(yī)療影響和視頻監(jiān)控等商用產(chǎn)品中，而且也將用于包括數(shù)字媒體適配器、高清視頻會議終端、高級數(shù)字機頂盒、IP視頻電話和高清網(wǎng)絡攝像機等消費類產(chǎn)品。如圖1所示，在商用產(chǎn)品中轉(zhuǎn)碼技術支持更高密度非常必要，而在消費類產(chǎn)品中轉(zhuǎn)碼技術的單片高性價比則必需。
黃自力也指出：“轉(zhuǎn)碼設備的應用市場還是很大的，新的應用還將被不斷開發(fā)出來�！�
轉(zhuǎn)碼技術的實現(xiàn)
視頻轉(zhuǎn)碼市場已經(jīng)開始吸引了不少數(shù)碼設備廠商和半導體公司的關注。前者出于市場實際需求的考量，一般都自行開發(fā)出從MPEG-2到H.264的ASIC轉(zhuǎn)碼芯片并集成在產(chǎn)品中。例如松下的HDD錄像機DIGA系列采用了自己開發(fā)的UniPhier芯片，可以在錄制節(jié)目的時候?qū)?7Mbps基于MPEG-2的數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成5.7Mbps的H.264格式，從而大幅提高了視頻錄制時間。日本的索尼和日立等公司也在2007年推出了采用自有芯片的具有轉(zhuǎn)碼功能的產(chǎn)品。
隨著半導體公司對轉(zhuǎn)碼技術的興趣提升，支持MPEG-2、H.264、VC-1等多種格式轉(zhuǎn)換的新品也在去年陸續(xù)面市。但是策略也不完全相同，目前轉(zhuǎn)碼技術的實現(xiàn)手段有偏向軟件和硬件兩種，前者通常采用高速計算機或者高性能的DSP，后者一般采用專用ASIC或者FPGA。談到這幾種方案的區(qū)別，TI通用DSP業(yè)務發(fā)展經(jīng)理鄭小龍認為：“數(shù)字視頻編解碼及轉(zhuǎn)碼的應用中高端DSP在實時處理中始終是主力平臺。在基本的媒體處理平臺中，ASIC類芯片一旦設計完成交付流片，則各種功能均不能再改變；FPGA雖屬有硬件可編程器件，但如果硬件設計完成并制板之后，就很難再有大的改動；DSP作為嵌入式軟件可編程平臺所備受關注之處在于全面支持各種視頻標準算法，即便是已完成產(chǎn)品仍可以通過軟件更新的方法進行升級�！�
TI支持多格式的高清多媒體處理器DM6467是一個包含多個處理器和核心的SoC，不是多個并行處理單元的羅列。DM6467中主要視頻處理核心為高速高清協(xié)處理器(HD-VICP)、高速DSP和視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引擎三個部。其中HD-VICP 通過編碼和解碼兩片專用加速器實現(xiàn)了相當于 3 GHz 以上的 DSP 處理能力，支持 HD 1080i H.264 高類轉(zhuǎn)碼；高速DSP采用主頻為600MHz的C64+核，輔助支持H.264 高清編解碼和轉(zhuǎn)碼時，所耗費時鐘低于300MHz，且DSP應用非常靈活，既支持早期算法，也支持新算法以及專有算法。視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引擎具有視頻下垂直調(diào)節(jié)器能降低 DSP 負載，色度采樣在硬件中完成，并有菜單覆蓋功能。DM6467還集成有300MHz的ARM9核心，可以支持多種嵌入式實時操作系統(tǒng)，并實現(xiàn)各種主控和管理工作。
圖1 多數(shù)和視頻相關的消費電子和商用產(chǎn)品將采用轉(zhuǎn)碼技術
資料來源：TI公司
圖2 TI支持多格式的高清視頻轉(zhuǎn)碼處理器DM6467
Broadcom公司去年發(fā)布了采用65納米制造的高清視頻轉(zhuǎn)碼單芯片解決方案BCM7043。BCM7043主要的嵌入模塊包括：視頻壓縮引擎，非壓縮視頻輸入傳送到此編碼引擎，把非壓縮視頻圖片系列轉(zhuǎn)換為H.264、AVC、MPEG-2或MPEG-4壓縮視頻流；視頻解碼(AVD)，AVD模塊解碼壓縮視頻以供視頻壓縮子系統(tǒng)的再編碼；音頻模塊，包含可編程的音頻處理器，它支持實時的MPEG-1、Layer-II、Dolby
Digital、Dolby Digital Plus Stereo、DTS、DTS-HD、MP-3和PCM解碼，以及實時的MPEG-1、Layer-II、Dolby
Digital、MP-3和PCM音頻格式的編碼；視頻輸入處理器(VIP)：VIP模塊提供編碼需要的非壓縮視頻，在視頻預處理器、運動補償時間濾波(MCTF)以及數(shù)字降噪的配合下獲得最佳的視頻質(zhì)量和最佳的壓縮效率。
轉(zhuǎn)碼芯片的差異化關鍵是可支持多樣化的編碼格式，尤其是向便攜式產(chǎn)品的延伸。加拿大威視(ViXS)系統(tǒng)公司開發(fā)的轉(zhuǎn)碼芯片XCode3290就具有稱做“鏡像轉(zhuǎn)碼”的功能，可以將HDTV的視頻內(nèi)容同時轉(zhuǎn)換成2種不同編碼格式。例如，將MPEG-2的HDTV視頻轉(zhuǎn)碼成H.264的同時，還能將分辨率縮小為320X240像素的QVGA，方便在iPod等便攜產(chǎn)品上播放。
潛在挑戰(zhàn)
視頻轉(zhuǎn)碼是一個高運算負荷的過程，需要對輸入的視頻流進行全解碼、視頻過濾/圖像處理、并且對輸出格式進行全編碼。最簡單的轉(zhuǎn)碼過程(圖3)僅僅涉及到解碼一個比特流和用不同的編解碼器重新編碼兩個步驟。這種硬轉(zhuǎn)碼看似很簡單，只需要一個解碼器和一個編碼器，但是最終顯示結(jié)果并不理想，因為視頻數(shù)據(jù)解碼后重新編碼會降低畫質(zhì)。
圖3 硬轉(zhuǎn)碼的過程
硬解碼無法利用捷徑，所以和采用智能轉(zhuǎn)碼算法的方法相比，要求更高的處理器性能并且產(chǎn)生更大的功耗。如果全部通過軟件進行臨時處理，需要2GHz頻率的處理器。以現(xiàn)在PC上的CPU的運算能力，在運行其他程序的情況下，是無法支持實時的高清視頻轉(zhuǎn)碼，更不要提機頂盒這樣的消費產(chǎn)品。
用一個專用的轉(zhuǎn)碼處理器減輕核心處理器的任務，對于機頂盒和數(shù)字錄像機這樣的設備更有幫助。而高清的轉(zhuǎn)碼更具挑戰(zhàn)性，因為需要處理的數(shù)據(jù)遠遠高于標清格式。事實上，在沒有硬件加速器的情況下，就算是當前比較高端的PC處理器都不能實施解碼1080i的流媒體，即便是非實時的轉(zhuǎn)碼過程也會消耗很多系統(tǒng)資源。
對于改善因為轉(zhuǎn)碼帶來的圖像質(zhì)量下降的問題，常見的方法都是在轉(zhuǎn)換前通過軟件對已編碼的視頻數(shù)據(jù)進行分析，并且在重編碼時采用這些分析，從而改善畫質(zhì)。具體來說，就是在解碼原始視頻時，通過DSP內(nèi)核對動態(tài)矢量信息進行分析。源數(shù)據(jù)的動態(tài)矢量信息正確時，就在編碼過程中采用這些信息，當發(fā)覺動態(tài)矢量信息不合適，就通過編碼器再次檢測動態(tài)矢量，然后重新分析檢測到的信息。
參考文獻：
- IdaRose Sylvester，Transcoding：The Future of the Video Market Depends on It, IDC, 2006.11
- Jeremiah Golston, HD Transcoding Connects Home Video Applications, 2007
- 《電子設計應用》 2008.6
電子產(chǎn)品世界
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