未來的視頻依賴轉(zhuǎn)碼技術(shù)
崔澎 2008/07/09
摘要： 當(dāng)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(shù)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(guān)鍵詞： 視頻轉(zhuǎn)碼；MEPG-2；H.264；DSP
當(dāng)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(shù)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M(jìn)PEG-4轉(zhuǎn)到H.264；內(nèi)容傳輸，改變比特率滿足不同網(wǎng)絡(luò)帶寬或者設(shè)備播放速度的需求；清晰度，將高清視頻轉(zhuǎn)為標(biāo)清甚至更低的清晰度，后者反向處理。典型的例子是，為了進(jìn)行編輯并將信息上載到網(wǎng)站(例如 YouTube)而將視頻從攝像機(jī)傳輸至 PC 的應(yīng)用。視頻數(shù)據(jù)傳輸時，代碼轉(zhuǎn)換也正在進(jìn)行；例如從攝像機(jī)(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(shù)的發(fā)展及不斷增加的需求與廣播電視數(shù)字化進(jìn)程密切相關(guān)，目前轉(zhuǎn)碼技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是數(shù)字電視廣播和數(shù)字媒體前端處理。 “其實(shí)，多解碼芯片的應(yīng)用只是在‘看’節(jié)目上應(yīng)用，它讓設(shè)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。”
當(dāng)前大量數(shù)字視頻節(jié)目為MPEG-2格式，而許多新的播放設(shè)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(shù)已大量采用，而對與此相關(guān)的高清晰度轉(zhuǎn)碼的要求也越來越高，特別是實(shí)時轉(zhuǎn)碼技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)手段的提高。
另外，在硬盤錄像機(jī)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(kuò)大容量，節(jié)省硬盤的投入成本，同時也可以降低整機(jī)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(dá)到5倍的容量擴(kuò)展。
還有一些場合下，比如利用網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行傳輸，并且還可以進(jìn)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸。
轉(zhuǎn)碼技術(shù)將用來滿足更廣泛領(lǐng)域的數(shù)字視頻多制式轉(zhuǎn)換需求，不僅應(yīng)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(jī)頂盒、IP視頻電話和高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品。如圖1所示，在商用產(chǎn)品中轉(zhuǎn)碼技術(shù)支持更高密度非常必要，而在消費(fèi)類產(chǎn)品中轉(zhuǎn)碼技術(shù)的單片高性價比則必需。
黃自力也指出：“轉(zhuǎn)碼設(shè)備的應(yīng)用市場還是很大的，新的應(yīng)用還將被不斷開發(fā)出來�！�
轉(zhuǎn)碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
視頻轉(zhuǎn)碼市場已經(jīng)開始吸引了不少數(shù)碼設(shè)備廠商和半導(dǎo)體公司的關(guān)注。前者出于市場實(shí)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(jī)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(dǎo)體公司對轉(zhuǎn)碼技術(shù)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(shù)的實(shí)現(xiàn)手段有偏向軟件和硬件兩種，前者通常采用高速計(jì)算機(jī)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(wù)發(fā)展經(jīng)理鄭小龍認(rèn)為：“數(shù)字視頻編解碼及轉(zhuǎn)碼的應(yīng)用中高端DSP在實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(guān)注之處在于全面支持各種視頻標(biāo)準(zhǔn)算法，即便是已完成產(chǎn)品仍可以通過軟件更新的方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)了相當(dāng)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(fèi)時鐘低于300MHz，且DSP應(yīng)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(fù)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(shí)時操作系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)各種主控和管理工作。
圖1 多數(shù)和視頻相關(guān)的消費(fèi)電子和商用產(chǎn)品將采用轉(zhuǎn)碼技術(shù)
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(shí)時的MPEG-1、Layer-II、Dolby
Digital、Dolby Digital Plus Stereo、DTS、DTS-HD、MP-3和PCM解碼，以及實(shí)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(yù)處理器、運(yùn)動補(bǔ)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(guān)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(yùn)算負(fù)荷的過程，需要對輸入的視頻流進(jìn)行全解碼、視頻過濾/圖像處理、并且對輸出格式進(jìn)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?yàn)橐曨l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(jìn)行臨時處理，需要2GHz頻率的處理器。以現(xiàn)在PC上的CPU的運(yùn)算能力，在運(yùn)行其他程序的情況下，是無法支持實(shí)時的高清視頻轉(zhuǎn)碼，更不要提機(jī)頂盒這樣的消費(fèi)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(wù)，對于機(jī)頂盒和數(shù)字錄像機(jī)這樣的設(shè)備更有幫助。而高清的轉(zhuǎn)碼更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰幚淼臄?shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)清格式。事實(shí)上，在沒有硬件加速器的情況下，就算是當(dāng)前比較高端的PC處理器都不能實(shí)施解碼1080i的流媒體，即便是非實(shí)時的轉(zhuǎn)碼過程也會消耗很多系統(tǒng)資源。
對于改善因?yàn)檗D(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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(xiàn)：
- 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(shè)計(jì)應(yīng)用》 2008.6
電子產(chǎn)品世界
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