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音視頻轉碼曾被視為一種直接的、傳統的處理過(guò)程，可將源視頻編碼，生成略差于原始未壓縮內容的版本，然后將其重新解碼為傳輸或觀(guān)看所要求的格式。 隨著(zhù)視頻壓縮算法種類(lèi)的日益豐富，且越來(lái)越多的低成本消費類(lèi)系統也都開(kāi)始支持視頻功能，工程師肩負著(zhù)設計出兼具低成本與良好視頻性能系統的重擔，因此必須認真審視上述這種簡(jiǎn)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作有效數據包含在編碼中，視頻質(zhì)量會(huì )隨著(zhù)每個(gè)編碼／解碼循環(huán)操作而遞減。此外，該算法還存在其他缺點(diǎn)。 ● 對處理器要求高：在算法效率不斷提高的同時(shí)，其復雜性也越來(lái)越高，需要更高的處理能力，尤其是在需要實(shí)時(shí)轉換的情況下。 ● 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據存儲在存儲器中，而額外的存儲器則會(huì )增加系統的材料清單成本。尤其對那些價(jià)格敏感型消費類(lèi)產(chǎn)品而言，這將關(guān)系到產(chǎn)品在市場(chǎng)中的成敗。 移動(dòng)設備上的視頻回放功能就是一個(gè)需要減少處理器負載以及節約存儲器資源的很好應用實(shí)例。盡管手機本身不進(jìn)行轉碼工作，而只是在視頻點(diǎn)播 (VoD)服務(wù)器或視頻網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行轉碼，但移動(dòng)電視／移動(dòng)視頻電話(huà)仍然還受其他五點(diǎn)限制，分別是： ● 網(wǎng)絡(luò )帶寬； ● 移動(dòng)電話(huà)的處理能力； ● 顯示屏分辨率； ● 存儲器容量； ● 移動(dòng)電話(huà)的能耗，人們往往不把這一因素視為視頻回放所要考慮的條件。 盡管移動(dòng)視頻設備的處理能力一代比一代強大，但用手持設備捕獲的HD或SD視頻全都需要處理，這樣才能被網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上的終端設備播放。表1 給出了不同視頻編碼參數對解碼設備所需資源選擇的大致影響。該表專(zhuān)門(mén)對采用運動(dòng)補償與離散余弦變換(DCT)技術(shù)實(shí)現視頻壓縮的基于塊的視頻編解碼器進(jìn)行了分析。 表1 編碼參數的影響 
對上述關(guān)鍵參數稍加修改，就會(huì )產(chǎn)生迥異的結果。降低細節解析度（可在編碼進(jìn)程中通過(guò)提高量化因數來(lái)實(shí)現）可將視頻解碼的能耗降低 75%～85%，但視頻質(zhì)量?jì)H下降5%～13%。 轉碼技術(shù)的選擇 過(guò)去幾年來(lái)，業(yè)界針對轉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。大多數這種方案都建立在這樣一種認識基礎之上，即我們能通過(guò)更先進(jìn)的技術(shù)對初始編碼過(guò)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(wú)用的東西，而不必簡(jiǎn)單地對原始視頻內容進(jìn)行重構。 換言之，就是說(shuō)既可摒棄某些信息，也可在來(lái)源與目標之間轉換頻率域信息，而無(wú)須進(jìn)入像素域進(jìn)行解碼。 具體而言，傳統方案的最重要優(yōu)勢在于，其交付的視頻與原始視頻內容相比具有極高的保真度。因此，如果采用其他的轉碼技術(shù)，那么就需在保證盡可能高的視頻質(zhì)量的同時(shí)，還要降低對系統處理功能和存儲器資源的要求。只有讓轉碼技術(shù)與特定的應用相匹配，才能實(shí)現上述目標。 通常說(shuō)來(lái)，轉碼可采用三種通用方案或架構，以下給出每種方案的簡(jiǎn)單定義及其比較評定。 ● 松弛耦合轉碼器：這種轉碼技術(shù)大多數采用解碼的輸入視頻中的運動(dòng)矢量和其他附屬信息進(jìn)行編碼。再編碼過(guò)程可對運動(dòng)矢量進(jìn)行微調，或根據編碼要求進(jìn)行更高效的運動(dòng)矢量計算。該方法消除了去耦轉碼器所面臨的復雜計算問(wèn)題，同時(shí)還能實(shí)現幾乎相同的視頻質(zhì)量。 ● 緊密耦合轉碼：再編碼通過(guò)采用運動(dòng)矢量實(shí)現，并且無(wú)須進(jìn)入像素域對運動(dòng)矢量信息進(jìn)行再計算。轉碼工作也可在轉換域中進(jìn)行。這里需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是，由于這種方法根本不進(jìn)行運動(dòng)再估計，因此不能更改分辨率。這種方法最大程度地降低了對存儲器和處理器的要求，但代價(jià)是降低了畫(huà)質(zhì)。緊密耦合轉碼算法難以制定，但可根據具體要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 ● 碼率轉換器：在轉換域對位流進(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。視頻格式在轉碼流過(guò)程中不發(fā)生變化，無(wú)須逆變換，且在頻率域進(jìn)行再量化。通常采用這種方法來(lái)解決具體的問(wèn)題。例如，線(xiàn)纜頭端的通道容量在線(xiàn)纜廠(chǎng)已衰減，但又需要確保向終端設備傳輸的視頻質(zhì)量和分辨率基本不變。
圖1 應用中最常用的松弛耦合轉碼器的典型流程圖 使轉碼器與應用相匹配 在諸如機頂盒、視頻會(huì )議、IPTV以及一些VoD等對畫(huà)質(zhì)要求較高的應用中，通常采用去耦和松弛耦合轉碼技術(shù)。決定采用何種轉碼技術(shù)需要評估特定應用的預期表現與存儲器帶寬。 緊密耦合轉碼最適合存儲器有限或者不需要高畫(huà)質(zhì)的系統。移動(dòng)電話(huà)的點(diǎn)對點(diǎn)視頻電話(huà)應用就是一個(gè)很好的例子，因為視頻只需顯示在小屏幕上，而且分辨率相對較低，無(wú)須通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )傳輸高保真視頻。此外，對大量生產(chǎn)的設備，尤其是移動(dòng)電話(huà)而言，合計還能節約大量處理功耗、存儲器容量及物料清單成本。 如前所述，碼率轉換器通常適用于有線(xiàn)電視、IPTV及視頻電話(huà)應用中的某些特殊情況，并根據可用的系統帶寬來(lái)匹配傳輸數據速率。其可以轉換音頻和視頻的碼率，而且幾乎感覺(jué)不到品質(zhì)的下降。 平臺考慮事項 長(cháng)期以來(lái)，設計工程師一直都非常清楚地認識到，針對每個(gè)產(chǎn)品需求分別進(jìn)行設計，效率遠不如在初期就設計一個(gè)統一靈活的平臺來(lái)滿(mǎn)足各種不同的需求。機頂盒(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方面，轉碼發(fā)揮著(zhù)重要的作用。 由于對STB而言最重要的就是實(shí)現高質(zhì)量視頻，因此只能將松弛耦合轉碼作為主要方法。 STB設計能否成功進(jìn)入市場(chǎng)不僅取決于設計初期選擇什么樣的平臺，而且也取決于隨后設計方案的逐步實(shí)施。STB的價(jià)位各不相同并在全球各地銷(xiāo)售，與采用標準化格式的視頻會(huì )議系統截然不同，其必須滿(mǎn)足各種不同視頻格式的需要。 STB 設計人員需要考慮以下一些更高級的設計決策： ● STB應同時(shí)處理多少個(gè)頻道（如主視頻和畫(huà)中畫(huà)）以及室內每個(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(lái)贏(yíng)得市場(chǎng)優(yōu)勢（例如畫(huà)中畫(huà)、專(zhuān)有圖像、藍光光盤(pán)刻錄、視頻通信、連接至 IP 網(wǎng)絡(luò )、有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )等）。 ● 市場(chǎng)部給出的初步價(jià)格點(diǎn)是多少。 與大多數設計的典型情況一樣，上述這三項標準彼此密切相關(guān)，因而是平臺創(chuàng )建的重要因素，所有產(chǎn)品變體在此基礎上演變產(chǎn)生。這意味著(zhù)，不僅應讓靈活的處理器與可滿(mǎn)足各種設計的兼容性開(kāi)發(fā)軟件相配合，而且還應提供廣泛的固件庫、算法和支持。 設置性能標準 支持HDTV 1080p標準是體現STB平臺高端性能的重要指標，STB必須支持這種高級別的吞吐量，并實(shí)時(shí)調整顯示輸出。 此外，必須支持各種內容源和數字顯示格式。低端有CIF格式及其分支，如QCIF格式等，可應用于視頻流中并為DTV上的拆分屏幕應用提供基礎支持。 眾所周知，HD對帶寬有著(zhù)很高的要求，這就意味著(zhù)我們應當支持各種壓縮算法，其中包括H.264/MPEG-4 part 10/AVC以及WMV9/VC-1等高級編解碼算法。通常需要將常規的MPEG-2傳輸流轉碼為高級編解碼。 轉碼硬件必須與整個(gè)STB系統中的其他系統進(jìn)行良好交互，其中包括數字調諧器、解多路復用器 (Demuxer)和解調器、DDR2存儲器、PCI總線(xiàn)，以及向STB SoC傳輸音／視頻的高帶寬接口。圖2是常見(jiàn)的架構示意圖。
圖2 典型的STB系統架構
圖3 基于達芬奇技術(shù)的TMS320DM6467數字媒體處理器方框圖 德州儀器(TI)基于達芬奇(DaVinciTM)技術(shù)的數字媒體處理器可實(shí)施這種架構。該架構的簡(jiǎn)化版如圖3所示。 為了滿(mǎn)足多房間觀(guān)看電視和多頻道欣賞的要求，可通過(guò)DDR2和PCI連接多個(gè)DM6467數字媒體處理器，以在不同設備間交換數據，并確保架構的可擴展性。例如，如果應用需要將攝像機上的SD或HD個(gè)人視頻通過(guò)STB硬盤(pán)驅動(dòng)器傳輸到手機上，那么通過(guò)精巧的工程設計(Clever engineering)方案就可使用另一個(gè)解碼方法將基于達芬奇技術(shù)的DM6467等處理器壓縮到服務(wù)中。 作者：德州儀器公司 Asheesh Bhardwaj |
