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音視頻轉(zhuǎn)碼曾被視為一種直接的、傳統(tǒng)的處理過程，可將編碼源視頻解碼，生成與原始未壓縮內(nèi)容相比并不完美的版本，然后將其重新編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，且越來越多的低成本消費(fèi)類系統(tǒng)也都開始支持視頻功能，工程師肩負(fù)著設(shè)計(jì)出同時(shí)具備低成本與良好視頻性能的系統(tǒng)的重?fù)?dān)，因此必須認(rèn)真審視上述這種簡單模式匹配算法(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，該算法還存在如下其它缺點(diǎn)：
● 對處理器要求高：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。即使轉(zhuǎn)碼技術(shù)所用的芯片能支持BF算法，那么計(jì)算強(qiáng)度較低的轉(zhuǎn)碼技術(shù)也能采用同一芯片來支持更多的通道，并降低整體系統(tǒng)成本。
● 對存儲器資源要求高：解碼／編碼操作通常需要將被解碼的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，而額外的存儲器則會增加系統(tǒng)的材料清單成本。尤其對那些價(jià)格敏感型消費(fèi)類產(chǎn)品而言，這將關(guān)系到產(chǎn)品在市場中的成敗。
移動設(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)約存儲器資源的很好的應(yīng)用實(shí)例。盡管手機(jī)本身不進(jìn)行轉(zhuǎn)碼工作，而是在視頻點(diǎn)播 (VoD) 服務(wù)器或視頻網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，但移動電視／移動視頻電話除了受 VoD 服務(wù)器和視頻網(wǎng)關(guān)本身限制外仍然還受其它五點(diǎn)限制，具體包括如下：
● 網(wǎng)絡(luò)帶寬
● 移動電話的處理能力
● 顯示屏分辨率
● 存儲器容量
● 移動電話的能耗，人們往往不把這一因素視為視頻回放所要考慮的內(nèi)容。
盡管移動視頻設(shè)備的處理能力一代比一代強(qiáng)大，但目前一般移動視頻設(shè)備的處理器速度介于 300～600 MHz 之間，存儲器容量約為 64 MB。甚至粗略評估顯示并非所有適用于大屏幕顯示的高清 (HD) 或標(biāo)清 (SD) 視頻編碼的信息在移動設(shè)備上播放時(shí)都必須進(jìn)行處理，但用手持設(shè)備捕獲的 HD 或 SD 視頻則全都需要處理，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)對解碼設(shè)備所需資源選擇的大致影響。該表專門對采用運(yùn)動補(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。
| Bit Rate | Processor | Memory | Energy | |
|
Spatial Resolution (Screen size) |
X | X | X | X |
|
Temporal Resolution (Frame rate) |
X | X | X | |
|
Detail Resolution (Pixel resolution) |
X | X | X |
表 1. 編碼參數(shù)的影響
對上述關(guān)鍵參數(shù)稍加修改，就會產(chǎn)生迥異的結(jié)果。降低細(xì)節(jié)解析度（可在編碼進(jìn)程中通過提高量化因數(shù)來實(shí)現(xiàn)）可將視頻解碼的能耗降低 75% ～ 85%，但視頻質(zhì)量僅下降 5% ～ 13%。
過去幾年來，業(yè)界針對轉(zhuǎn)碼工作提出了幾種不同的方法，可提高處理與存儲器資源的使用效率。至少在一定程度上，大多數(shù)這種方案都建立在這樣一種認(rèn)識基礎(chǔ)之上，即我們能通過更先進(jìn)的技術(shù)對初始編碼過程中創(chuàng)建的量子化和頻率域信息進(jìn)行修改，更好地加以利用，摒棄其中無用的東西，而不必簡單地對原始視頻內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。
換言之，就是說既可摒棄某些信息，也可在來源與目標(biāo)之間轉(zhuǎn)換頻率域信息，而無需進(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)，那么就需要在保證盡可能高的視頻質(zhì)量的同時(shí)，還要降低對系統(tǒng)處理功能和存儲器資源的要求。只有讓轉(zhuǎn)碼技術(shù)與特定的應(yīng)用相匹配，才能最佳地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
通常說來，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單定義及其比較評定：
● 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)碼方法稱為去耦轉(zhuǎn)碼。除了可確保最佳視頻質(zhì)量之外，這種方法在源至目標(biāo)視頻的格式、分辨率及比特率方面也具有最大的靈活性。
● 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)動矢量和其他附屬信息進(jìn)行編碼。再編碼過程可對運(yùn)動矢量進(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：再編碼通過采用運(yùn)動矢量實(shí)現(xiàn)，并且無需進(jìn)入像素域?qū)\(yùn)動矢量信息進(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)考慮的問題是，由于這種方法根本不進(jìn)行運(yùn)動再估計(jì)，因此不能更改分辨率。這種方法最大程度地地降低了對存儲器和處理器的要求，但代價(jià)是降低了畫質(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)行開發(fā)。
● 碼率轉(zhuǎn)換器 (Transrator)：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位流進(jìn)行再編碼。視頻格式在轉(zhuǎn)碼流過程中不發(fā)生變化，無需逆變換，且在頻率域進(jìn)行再量化。通常采用這種方法來解決具體的問題。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
在諸如機(jī)頂盒、視頻會議、IPTV以及一些 VoD 等對畫質(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)需要評估特定應(yīng)用的預(yù)期表現(xiàn)與存儲器帶寬。
緊密耦合轉(zhuǎn)碼最適合存儲器有限或者不需要高畫質(zhì)的系統(tǒng)。移動電話的端對端視頻電話應(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，而且分辨率相對較低。我們無需通過整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸高保真視頻。此外，對大量生產(chǎn)的設(shè)備，尤其是移動電話而言，合計(jì)還能節(jié)約大量處理功耗、存儲器容量及物料清單成本。
如前所述，碼率轉(zhuǎn)換器 (Transrator) 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)帶寬來匹配傳輸數(shù)據(jù)速率?？梢赞D(zhuǎn)換音頻和視頻的碼率，而且?guī)缀醺杏X不到品質(zhì)的下降。
長期以來，設(shè)計(jì)工程師一直都非常清楚地認(rèn)識到，針對每個(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)一靈活的平臺來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)品存在眾多型號要求。在估算處理性能及其他平臺參數(shù)方面，轉(zhuǎn)碼發(fā)揮著重要的作用。
由于對 STB 而言最重要的就是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量視頻，因此我們只能將松弛耦合轉(zhuǎn)碼作為主要方法。
STB設(shè)計(jì)能否成功進(jìn)入市場不僅取決于設(shè)計(jì)初期選擇什么樣的平臺，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)化格式的視頻會議系統(tǒng)截然不同，STB 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（如主視頻和畫中畫）以及室內(nèi)每個(gè)房間中的多少臺電視？
● 需要采用哪些產(chǎn)品差異化功能來贏得市場優(yōu)勢（例如畫中畫、專有圖像、藍(lán)光光盤刻錄、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)的兼容性開發(fā)軟件相配合，而且還應(yīng)提供廣泛的固件庫、算法和支持。
對于 STB 平臺的高端性能而言，應(yīng)支持 HDTV 1080p 標(biāo)準(zhǔn)。STB 必須能夠支持這種高級別的吞吐量，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。
根據(jù)是否需要在家庭計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中集成 STB，我們還要考慮到計(jì)算機(jī)顯示屏輸出問題，其中包括是否需要支持娛樂系統(tǒng)常用的各種 HD 格式等。源內(nèi)容分辨率和目標(biāo)顯示分辨率之間的格式轉(zhuǎn)換需要支持各種格式，如將 HD 視頻轉(zhuǎn)換為低分辨率顯示，以及將低分辨率視頻內(nèi)容轉(zhuǎn)換為 HD 視頻。
眾所周知，HD 對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)碼為高級編解碼。
向更高級編解碼升級是一個(gè)漸進(jìn)性過程，因此同樣也必須確保與 MPEG-2 的后向兼容性。視頻占用了大部分處理功能，同時(shí)音頻流也需要編解成不同格式。這也是面向未來設(shè)計(jì)的一個(gè)典型實(shí)例，這樣可盡可能地滿足新型編解碼器的要求。杜比數(shù)字 （Dolby digital）與 AAC 立體聲是廣播市場的典型音頻要求，用于其他傳統(tǒng)音頻格式的音頻轉(zhuǎn)碼。從硬件角度來說，不僅應(yīng)支持可編程性，同時(shí)還要支持多處理器，如果在 SoC 上實(shí)施轉(zhuǎn)碼，則還要支持處理器內(nèi)核。
最后，在家庭網(wǎng)絡(luò)中，轉(zhuǎn)碼不僅要改變內(nèi)容的比特率和格式，同時(shí)還要轉(zhuǎn)換電視產(chǎn)業(yè)（各種形式的條件接入）和 PC 領(lǐng)域（數(shù)字權(quán)限管理 (DRM)）間不同的所有權(quán)保護(hù)機(jī)制。
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 存儲器、PCI 總線，以及向 STB SoC 傳輸音／視頻的高帶寬接口。圖 2 給出了常見的架構(gòu)示意圖，但這不一定是一般性架構(gòu)。
圖 2. 典型的 STB 系統(tǒng)架構(gòu)
能處理雙通道編碼和解碼或單通道轉(zhuǎn)碼的 STB 視頻片上系統(tǒng) (SoC) 在處理音頻與視頻的解碼、編碼以及轉(zhuǎn)碼時(shí)應(yīng)最少需要四個(gè)協(xié)處理器內(nèi)核，分別是：處理 SoC 控制操作的 GPP 內(nèi)核、處理音頻轉(zhuǎn)碼操作的 DSP/GPP 內(nèi)核，以及可針對視頻處理支持兩個(gè)協(xié)處理內(nèi)核的 DSP 內(nèi)核（各支持一個(gè)通道）。DSP 和視頻／影像協(xié)處理器協(xié)同工作時(shí)，協(xié)處理器的基本功能就是執(zhí)行 H.264、MPEG-2 及 MPEG-4 等編解碼算法。傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)流是經(jīng)多路復(fù)用的音頻和視頻，由處理音頻解碼的 GPP 進(jìn)行解多路復(fù)用。
除了處理與系統(tǒng)控制功能之外，還需要添加通常分為連接外設(shè)、串行接口和程序／數(shù)據(jù)存儲等相關(guān)外設(shè)。外設(shè)通過交換架構(gòu) (Switch fabric)和橋接器（兩者稱作資源交換中心 (SCR)，即可在主系統(tǒng)外設(shè)和從系統(tǒng)外設(shè)之間提供低時(shí)延連接的互連系統(tǒng)）連接到處理器模塊。SCR 是解碼、路由以及判優(yōu)邏輯，支持與其相連的多個(gè)主從系統(tǒng)之間的連接。
德州儀器 (TI) 基于達(dá)芬奇 (DaVinci?) 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)的簡化版如圖 3所示。
圖 3. 基于達(dá)芬奇技術(shù)的 TMS320DM6467 數(shù)字媒體處理器方框圖
我們在上文對 STB 的分析中假定，STB 采用的是松弛耦合轉(zhuǎn)碼技術(shù)，這是最可能的情況。不過也應(yīng)當(dāng)指出，支持松弛耦合轉(zhuǎn)碼技術(shù)的硬件也可能支持其他三種轉(zhuǎn)碼技術(shù)。為了滿足多房間觀看電視和多頻道欣賞的要求，可通過 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 STB 硬盤驅(qū)動器傳輸?shù)绞謾C(jī)上，那么通過精巧的工程設(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。