視頻轉碼技術與系統要求相匹配

　音視頻轉碼曾被視為一種直接的、傳統的處理過程，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類系統也都開始支持視頻功能，工程師肩負著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單模式匹配算法(brute force approach)。盡管這種方法能產生高質量視頻效果，但由于視頻偽像被當作有效數據包含在編碼中，視頻質量會隨著每個編碼／解碼循環操作而遞減。此外，該算法還存在其他缺點。

　　● 對處理器要求高：在算法效率不斷提高的同時，其復雜性也越來越高，需要更高的處理能力，尤其是在需要實時轉換的情況下。

　　● 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增加系統的材料清單成本。尤其對那些價格敏感型消費類產品而言，這將關系到產品在市場中的成敗。

　　移動設備上的視頻回放功能就是一個需要減少處理器負載以及節約存儲器資源的很好應用實例。盡管手機本身不進行轉碼工作，而只是在視頻點播(VoD)服務器或視頻網關上進行轉碼，但移動電視／移動視頻電話仍然還受其他五點限制，分別是：

　　● 網絡帶寬；

　　● 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條件。

　　盡管移動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，這樣才能被網絡服務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。該表專門對采用運動補償與離散余弦變換(DCT)技術實現視頻壓縮的基于塊的視頻編解碼器進行了分析。

表1 編碼參數的影響

　　對上述關鍵參數稍加修改，就會產生迥異的結果。降低細節解析度（可在編碼進程中通過提高量化因數來實現）可將視頻解碼的能耗降低75%～85%，但視頻質量僅下降5%～13%。

　　轉碼技術的選擇

　　過去幾年來，業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，即我們能通過更先進的技術對初始編碼過程中創建的量子化和頻率域信息進行修改，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容進行重構。

　　換言之，就是說既可摒棄某些信息，也可在來源與目標之間轉換頻率域信息，而無須進入像素域進行解碼。

　　具體而言，傳統方案的最重要優勢在于，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，那么就需在保證盡可能高的視頻質量的同時，還要降低對系統處理功能和存儲器資源的要求。只有讓轉碼技術與特定的應用相匹配，才能實現上述目標。

　　通常說來，轉碼可采用三種通用方案或架構，以下給出每種方案的簡單定義及其比較評定。

　　● 松弛耦合轉碼器：這種轉碼技術大多數采用解碼的輸入視頻中的運動矢量和其他附屬信息進行編碼。再編碼過程可對運動矢量進行微調，或根據編碼要求進行更高效的運動矢量計算。該方法消除了去耦轉碼器所面臨的復雜計算問題，同時還能實現幾乎相同的視頻質量。

　　● 緊密耦合轉碼：再編碼通過采用運動矢量實現，并且無須進入像素域對運動矢量信息進行再計算。轉碼工作也可在轉換域中進行。這里需要重點考慮的問題是，由于這種方法根本不進行運動再估計，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，但代價是降低了畫質。緊密耦合轉碼算法難以制定，但可根據具體要求進行開發。

　　● 碼率轉換器：在轉換域對位流進行部分解碼，并用網絡可支持的所需比特率對位流進行再編碼。視頻格式在轉碼流過程中不發生變化，無須逆變換，且在頻率域進行再量化。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備傳輸的視頻質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、視頻會議、IPTV以及一些VoD等對畫質要求較高的應用中，通常采用去耦和松弛耦合轉碼技術。決定采用何種轉碼技術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質的系統。移動電話的點對點視頻電話應用就是一個很好的例子，因為視頻只需顯示在小屏幕上，而且分辨率相對較低，無須通過整個網絡傳輸高保真視頻。此外，對大量生產的設備，尤其是移動電話而言，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電視、IPTV及視頻電話應用中的某些特殊情況，并根據可用的系統帶寬來匹配傳輸數據速率。其可以轉換音頻和視頻的碼率，而且幾乎感覺不到品質的下降。

　　平臺考慮事項

　　長期以來，設計工程師一直都非常清楚地認識到，針對每個產品需求分別進行設計，效率遠不如在初期就設計一個統一靈活的平臺來滿足各種不同的需求。機頂盒(STB)就是一個很好的例子，這種產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，轉碼發揮著重要的作用。

　　由于對STB而言最重要的就是實現高質量視頻，因此只能將松弛耦合轉碼作為主要方法。

　　STB設計能否成功進入市場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施。STB的價位各不相同并在全球各地銷售，與采用標準化格式的視頻會議系統截然不同，其必須滿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應同時處理多少個頻道（如主視頻和畫中畫）以及室內每個房間中的多少臺電視。

　　● 需要采用哪些產品差異化功能來贏得市場優勢（例如畫中畫、專有圖像、藍光光盤刻錄、視頻通信、連接至 IP 網絡、有線電視網絡等）。

　　● 市場部給出的初步價格點是多少。

　　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，因而是平臺創建的重要因素，所有產品變體在此基礎上演變產生。這意味著，不僅應讓靈活的處理器與可滿足各種設計的兼容性開發軟件相配合，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，并實時調整顯示輸出。

　　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對帶寬有著很高的要求，這就意味著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STB系統中的其他系統進行良好交互，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，以及向STB SoC傳輸音／視頻的高帶寬接口。圖2是常見的架構示意圖。

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)技術的數字媒體處理器可實施這種架構。該架構的簡化版如圖3所示。
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個人視頻通過STB硬盤驅動器傳輸到手機上，那么通過精巧的工程設計(Clever engineering)方案就可使用另一個解碼方法將基于達芬奇技術的DM6467等處理器壓縮到服務中。