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视频转码技术与系统要求相匹配可显著提升新一代视频应用性能

视频转码曾是一种相当直接的解码和再编码过程，但一些应用可避免采用这种强力 (brute force) 法，同时还能节约系统资源。 作者：Asheesh Bhardwaj，德州仪器 音视频转码曾被视为一种直接的、传统的处理过程，可将编码源视频解码，生成与原始未压缩内容相比并不完美的版本，然后将其重新编码为传输或观看所要求的格式。 随着视频压缩算法种类的日益丰富，且越来越多的低成本消费类系统也都开始支持视频功能，工程师肩负着设计出同时具备低成本与良好视频性能的系统的重担，因此必须认真审视上述这种简单模式匹配算法(brute force approach)。尽管这种方法能产生高质量视频效果，但由于视频伪像被当作有效数据包含在编码中，视频质量会随着每个编码／解码循环操作而递减。此外，该算法还存在如下其它缺点： 对处理器要求高：在算法效率不断提高的同时，其复杂性也越来越高，需要更高的处理能力，尤其是在需要实时转换的情况下。即使转码技术所用的芯片能支持BF算法，那么计算强度较低的转码技术也能采用同一芯片来支持更多的通道，并降低整体系统成本。 对存储器资源要求高：解码／编码操作通常需要将被解码的数据存储在存储器中，而额外的存储器则会增加系统的材料清单成本。尤其对那些价格敏感型消费类产品而言，这将关系到产品在市场中的成败。 移动设备上的视频回放功能就是一个需要减少处理器负载以及节约存储器资源的很好的应用实例。尽管手机本身不进行转码工作，而是在视频点播 (VoD) 服务器或视频网关上进行转码，但移动电视／移动视频电话除了受 VoD 服务器和视频网关本身限制外仍然还受其它五点限制，具体包括如下： 网络带宽 移动电话的处理能力 显示屏分辨率 存储器容量 移动电话的能耗，人们往往不把这一因素视为视频回放所要考虑的内容。 尽管移动视频设备的处理能力一代比一代强大，但目前一般移动视频设备的处理器速度介于 300～600 MHz 之间，存储器容量约为 64 MB。甚至粗略评估显示并非所有适用于大屏幕显示的高清 (HD) 或标清 (SD) 视频编码的信息在移动设备上播放时都必须进行处理，但用手持设备捕获的 HD 或 SD 视频则全都需要处理，这样才能被网络服务器上的终端设备播放。 表 1 给出了不同视频编码参数对解码设备所需资源选择的大致影响。该表专门对采用运动补偿与离散余弦变换 (DCT) 技术实现视频压缩的基于块的视频编解码器进行了分析。 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. 编码参数的影响 对上述关键参数稍加修改，就会产生迥异的结果。降低细节解析度（可在编码进程中通过提高量化因数来实现）可将视频解码的能耗降低 75% ～ 85%，但视频质量仅下降 5% ～ 13%。 转码技术的选择 过去几年来，业界针对转码工作提出了几种不同的方法，可提高处理与存储器资源的使用效率。至少在一定程度上，大多数这种方案都建立在这样一种认识基础之上，即我们能通过更先进的技术对初始编码过程中创建的量子化和频率域信息进行修改，更好地加以利用，摒弃其中无用的东西，而不必简单地对原始视频内容进行重构。 换言之，就是说既可摒弃某些信息，也可在来源与目标之间转换频率域信息，而无需进入像素域进行解码。 具体而言，传统方案的最重要优势在于，其交付的视频与原始视频内容相比具有极高的保真度。因此，如果采用其他的转码技术，那么就需要在保证尽可能高的视频质量的同时，还要降低对系统处理功能和存储器资源的要求。只有让转码技术与特定的应用相匹配，才能最佳地实现上述目标。 通常说来，转码可采用三种通用方案或架构，以下给出每种方案的简单定义及其比较评定： 传统的转码方法称为去耦转码。除了可确保最佳视频质量之外，这种方法在源至目标视频的格式、分辨率及比特率方面也具有最大的灵活性。 松弛耦合转码器：这种转码技术大多数采用解码的输入视频中的运动矢量和其他附属信息进行编码。再编码过程可对运动矢量进行微调，或根据编码要求进行更高效的运动矢量计算。该方法消除了去耦转码器所面临的复杂计算问题，同时还能实现几乎相同的视频质量。 紧密耦合转码：再编码通过采用运动矢量实现，并且无需进入像素域对运动矢量信息进行再计算。转码工作也可在转换域中进行。这里需要重点考虑的问题是，由于这种方法根本不进行运动再估计，因此不能更改分辨率。这种方法最大程度地地降低了对存储器和处理器的要求，但代价是降低了画质。紧密耦合转码算法难以制定，但可根据具体要求进行开发。 码率转换器 (Transrator)：在转换域对位流进行部分解码，并用网络可支持的所需比特率对位流进行再编码。视频格式在转码流过程中不发生变化，无需逆变换，且在频率域进行再量化。通常采用这种方法来解决具体的问题。例如，线缆头端的通道容量在线缆厂已衰减，但又需要确保向终端设备传输的视频质量和分辨率基本不变。                                 登录/注册后可看大图 图 1. 应用中最常用的松弛耦合转码器的典型流程图 使转码器与应用相匹配 在诸如机顶盒、视频会议、IPTV以及一些 VoD 等对画质要求较高的应用中，通常采用去耦和松弛耦合转码技术。决定采用何种转码技术需要评估特定应用的预期表现与存储器带宽。 紧密耦合转码最适合存储器有限或者不需要高画质的系统。移动电话的端对端视频电话应用就是一个很好的例子，因为视频只需显示在小屏幕上，而且分辨率相对较低。我们无需通过整个网络传输高保真视频。此外，对大量生产的设备，尤其是移动电话而言，合计还能节约大量处理功耗、存储器容量及物料清单成本。 如前所述，码率转换器 (Transrator) 通常适用于有线电视、IPTV 及视频电话应用中的某些特殊情况，并根据可用的系统带宽来匹配传输数据速率。可以转换音频和视频的码率，而且几乎感觉不到品质的下降。 平台考虑事项 长期以来，设计工程师一直都非常清楚地认识到，针对每个产品需求分别进行设计，效率远不如在初期就设计一个统一灵活的平台来满足各种不同的需求。机顶盒 (STB) 就是一个很好的例子，这种产品存在众多型号要求。在估算处理性能及其他平台参数方面，转码发挥着重要的作用。 由于对 STB 而言最重要的就是实现高质量视频，因此我们只能将松弛耦合转码作为主要方法。 STB设计能否成功进入市场不仅取决于设计初期选择什么样的平台，而且也取决于随后设计方案的逐步实施。STB 的价位各不相同并在全球各地销售。与采用标准化格式的视频会议系统截然不同，STB 必须满足各种不同视频格式的需要。 STB 设计人员需要考虑以下一些更高级的设计决策： STB 应同时处理多少个频道（如主视频和画中画）以及室内每个房间中的多少台电视？ 需要采用哪些产品差异化功能来赢得市场优势（例如画中画、专有图像、蓝光光盘刻录、视频通信、连接至 IP 网络、有线电视网络等）？ 市场部给出的初步价格点是多少？ 与大多数设计的典型情况一样，上述这三项标准彼此密切相关，因而是平台创建的重要因素，所有产品变体在此基础上演变产生。这意味着，不仅应让灵活的处理器与可满足各种设计的兼容性开发软件相配合，而且还应提供广泛的固件库、算法和支持。 设置性能标准 (Bar) 对于 STB 平台的高端性能而言，应支持 HDTV 1080p 标准。STB 必须能够支持这种高级别的吞吐量，并实时调整显示输出。 此外，必须支持各种内容源和数字显示格式。低端有CIF 格式及其分支，如 QCIF 格式等，可应用于视频流中并为 DTV 上的拆分屏幕应用提供基础支持。 根据是否需要在家庭计算机网络中集成 STB，我们还要考虑到计算机显示屏输出问题，其中包括是否需要支持娱乐系统常用的各种 HD 格式等。源内容分辨率和目标显示分辨率之间的格式转换需要支持各种格式，如将 HD 视频转换为低分辨率显示，以及将低分辨率视频内容转换为 HD 视频。 众所周知，HD 对带宽有着很高的要求，这就意味着我们应当支持各种压缩算法，其中包括 H.264/MPEG-4 part 10/AVC 以及 WMV9/VC-1 等高级编解码算法。通常需要将常规的 MPEG-2 传输流转码为高级编解码。 向更高级编解码升级是一个渐进性过程，因此同样也必须确保与 MPEG-2 的后向兼容性。视频占用了大部分处理功能，同时音频流也需要编解成不同格式。这也是面向未来设计的一个典型实例，这样可尽可能地满足新型编解码器的要求。杜比数字 （Dolby digital）与 AAC 立体声是广播市场的典型音频要求，用于其他传统音频格式的音频转码。从硬件角度来说，不仅应支持可编程性，同时还要支持多处理器，如果在 SoC 上实施转码，则还要支持处理器内核。 最后，在家庭网络中，转码不仅要改变内容的比特率和格式，同时还要转换电视产业（各种形式的条件接入）和 PC 领域（数字权限管理 (DRM)）间不同的所有权保护机制。 转码硬件必须与整个 STB 系统中的其他系统进行良好交互，其中包括数字调谐器、解多路复用器 (Demuxer) 和解调器、DDR2 存储器、PCI 总线，以及向 STB SoC 传输音／视频的高带宽接口。图 2 给出了常见的架构示意图，但这不一定是一般性架构。                                 登录/注册后可看大图 图 2. 典型的 STB 系统架构 能处理双通道编码和解码或单通道转码的 STB 视频片上系统 (SoC) 在处理音频与视频的解码、编码以及转码时应最少需要四个协处理器内核，分别是：处理 SoC 控制操作的 GPP 内核、处理音频转码操作的 DSP/GPP 内核，以及可针对视频处理支持两个协处理内核的 DSP 内核（各支持一个通道）。DSP 和视频／影像协处理器协同工作时，协处理器的基本功能就是执行 H.264、MPEG-2 及 MPEG-4 等编解码算法。传输进来的数据流是经多路复用的音频和视频，由处理音频解码的 GPP 进行解多路复用。 除了处理与系统控制功能之外，还需要添加通常分为连接外设、串行接口和程序／数据存储等相关外设。外设通过交换架构 (Switch fabric)和桥接器（两者称作资源交换中心 (SCR)，即可在主系统外设和从系统外设之间提供低时延连接的互连系统）连接到处理器模块。SCR 是解码、路由以及判优逻辑，支持与其相连的多个主从系统之间的连接。 德州仪器 (TI) 基于达芬奇 (DaVinci™) 技术的数字媒体处理器可实施这种架构。该架构的简化版如图 3所示。                                 登录/注册后可看大图 图 3. 基于达芬奇技术的 TMS320DM6467 数字媒体处理器方框图 我们在上文对 STB 的分析中假定，STB 采用的是松弛耦合转码技术，这是最可能的情况。不过也应当指出，支持松弛耦合转码技术的硬件也可能支持其他三种转码技术。为了满足多房间观看电视和多频道欣赏的要求，可通过 DDR2 和 PCI 连接多个 DM6467 数字媒体处理器，以在不同设备间交换数据，并确保架构的可扩展性。例如，如果应用需要将摄像机上的 SD 或 HD 个人视频通过 STB 硬盘驱动器传输到手机上，那么通过精巧的工程设计 (Clever engineering) 方案就可使用另一个解码方法将基于达芬奇技术的 DM6467 等处理器压缩到服务中。 关于作者 Asheesh Bhardwaj 是 TI 科技委员会成员，工作职责涉及软件芯片架构与技术规范，以及基于达芬奇技术的新一代数字媒体处理器应用。Asheesh 于 2007 年 12 月加入 TI 通用应用部 (Catalog Applications)。

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玻璃破碎探测器的抗干扰很难控制，不知楼主有何建议？