轉碼技術(shù)在視頻領(lǐng)域內的應用分析

　本文簡(jiǎn)單介紹了視頻轉碼技術(shù)的定義、分類(lèi)及實(shí)現手段，重點(diǎn)分析了如何在視頻工程中使用轉碼技術(shù)，包括轉碼技術(shù)的使用方式及其優(yōu)勢所在。分析了在流方式和文件方式下如何使用轉碼技術(shù)。通過(guò)對移動(dòng)非線(xiàn)性編輯系統遠程傳輸視頻數據和節目制作網(wǎng)絡(luò )素材集中上載兩個(gè)工程實(shí)例的分析，探討了轉碼系統工作的靈活性和通用性。闡明了作者對在專(zhuān)業(yè)視頻領(lǐng)域內，配合計算機設備及網(wǎng)絡(luò )架構，使用轉碼技術(shù)前景的看法。

1 引言

　　從一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題開(kāi)始我們的討論：對于一個(gè)視頻工程技術(shù)人員而言，工作中所需面對的視音頻編碼方式有多少種？

　　以編碼和壓縮方式的大類(lèi)而言，我們需要面對 Motion-JPEG 、 MPEG 、 DV 、 H.261H.263 等不同系列的壓縮編碼方式；每一種編碼方式我們又需面對不同的子類(lèi)或子級，如討論 DVB ，經(jīng)常就要涉及 MPEG-2 MP@ML 和 MP@HL ；不同廠(chǎng)商的視頻產(chǎn)品，也根據各自情況采用不同的 幀內、幀間編碼關(guān)系及不同的碼流； GOP 長(cháng)度、 I 、 B 、 P 幀、 50 、 25 Mbps 等名詞現在已經(jīng)成為視頻產(chǎn)品技術(shù)參數的重要組成部分；每個(gè)廠(chǎng)商在視頻數據的封裝上也有各自的編碼方式，不同廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的視頻服務(wù)器，如 Grass Valley 的 Profile 系列服務(wù)器和 SONY 的 MAV 系列的服務(wù)器，雖然可以支持以相同 GOP 長(cháng)度、相同碼流的編碼方式產(chǎn)生 MPEG-2 視頻文件，但由于在文件封裝上的不同，二者產(chǎn)生的視頻文件是無(wú)法相互直接使用的，這種情況在數字視頻領(lǐng)域相當普遍，有時(shí)甚至在同一廠(chǎng)商所開(kāi)發(fā)的不同系列的視頻產(chǎn)品中，數據流或文件也是無(wú)法相互識別的。

　　我們不想在這里探討哪一種編碼壓縮方式更好、更優(yōu)秀，本文想要討論的是：在采用不同壓縮編碼方式的視頻設備之間如何高質(zhì)量、高效效率的共享和交換視音頻數據。

　　現在交換視頻數據的普遍做法是將編碼完成的視頻數據解壓縮為基帶信號，根據情況進(jìn)行再編碼，并加以適當的封裝，使用相同的接口協(xié)議，以流的方式，在不同的視頻產(chǎn)品之間進(jìn)行傳輸共享。如在不同的視頻產(chǎn)品間使用 SDI 連接，不論設備內部使用何種編碼方式，均通過(guò)內置的 SDI 編解碼器將視頻數據編解碼為標準的 SDI 數據流，進(jìn)行傳輸。

　　無(wú)論設備 A 內部的采用何種壓縮編碼方式，在向設備 B 傳輸視頻數據時(shí)，首先通過(guò)其內置的數據解碼單元將視頻數據解碼送至 SDI 編碼器，封裝轉換成 SDI 數據流，再通過(guò) SDI 接口傳輸給設備 B 的 SDI 接口，設備 B 將其通過(guò) SDI 解碼器，送至其本身的數據編碼單元，對視頻數據重新編碼進(jìn)行處理或存儲。

　　這種數據交換的前提，是不同的設備存在遵從相同協(xié)議的接口，如 SDI 接口，并具備相應的編解碼硬件設備，使用一種可以共同識別的數據流作為中介進(jìn)行視音頻數據的交換。

　　我們換一個(gè)角度來(lái)看，這種方式本身可以看成是一個(gè)編碼方式轉換，即轉碼的過(guò)程。它將設備 A 中編碼處理的視頻數據解碼，通過(guò) SDI 編解碼器轉換成 SDI 流，傳輸給設備 B ，再將其傳換成為設備 B 所使用的數據編碼方式進(jìn)行處理和存儲。

　　在這種情況下，如果我們可以使用直接的轉碼手段，將基于設備 A 編碼方式的視頻數據轉換為設備 B 可以識別并使用的數據編碼格式，為設備 B 處理或存儲，可以減少重復編解碼所帶來(lái)的設備開(kāi)銷(xiāo)和信號質(zhì)量下降，并且可以利用多種的傳輸通道，而不局限于指定的接口通道，可以大大的提高工作效率。

　　這正是本文想要和大家探討的，如何靈活的利用轉碼方式，在基于不同編碼方式的設備間共享視頻數據，提高工作效率，同時(shí)討論在工程方面的可能會(huì )遇到的問(wèn)題及解決方案。

2 視頻轉碼技術(shù)

　　視頻轉碼技術(shù)，顧名思義就是在通過(guò)某種手段改變現有視頻數據的編碼方式。視頻轉碼技術(shù)使用的目的不同，其實(shí)現的手段也各不相同。大致上可以分為兩類(lèi)：

　　 一、不同編碼格式之間的視頻數據轉碼

　　不同編碼格式之間的數據轉碼，指通過(guò)轉碼方法改變視頻數據的編碼格式。通常這種數據轉碼會(huì )改變視頻數據的現有碼流和分辨率。

　　例如我們可以將基于 MPEG-2 格式的視頻數據轉換為 DV 、 MPEG-4 或其它編碼格式，同時(shí)根據其轉碼目的，指定轉碼產(chǎn)生視頻數據的碼流和分辨率。我們可以將 MPEG-2 全 I 幀 50Mbps 的視頻源數據轉換為 25Mbps 碼流的 DV 格式數據，用于筆記本移動(dòng)編輯系統，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè) 300*200 低分辨率的 MPEG-4 文件，使用 REAL 或者微軟的 WMV 格式進(jìn)行封裝，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )傳輸至主管領(lǐng)導處用于審看。

　　這種轉碼方式設計的算法較為復雜，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)重新編碼的過(guò)程，涉及的算法復雜度和系統開(kāi)銷(xiāo)，是由轉碼所需圖像質(zhì)量要求及轉碼前后兩種編碼方式的相關(guān)度所決定的。

　　二、相同編碼格式之間的視頻數據轉碼

　　相同編碼格式的數據轉碼，指不改變壓縮格式，只通過(guò)轉碼手段改變其碼流或頭文件信息。根據其使用目的，可分為改變碼流和不改變碼流兩種。

　　如我們可以將 MPEG-2 全 I 幀 50Mbps 碼流的視頻數據轉碼為 MPEG-2 IBBP 幀 8Mbps 碼流的視頻數據，直接用于播出服務(wù)器用于播出?；蛘呶覀儗⒒?SONY 視頻服務(wù)器頭文件封裝的 MPEG-2 全 I 幀 50Mbps 碼流的視頻文件，改變其頭文件和封裝形式，使之可以在給予 MATROX 板卡的編輯系統上直接編輯使用。

　　這種轉碼方式的復雜度要小于不同編碼格式轉碼的復雜度，而且對視頻工程上而言，更加具有可操作性。

3 視頻數據轉碼的實(shí)現

　　視頻數據不同編碼之間的相互轉化有很多算法可以實(shí)現，許多運動(dòng)圖像專(zhuān)家對此也作了深入的研究，針對不同的編碼方式提出了相當多可行的方案。這些方案共同的特點(diǎn)就是充分利用所需相互轉換編碼之間的共同特征，盡量減少編解碼所帶來(lái)的圖像質(zhì)量損失，同時(shí)達到時(shí)間和資源消耗的平衡。

　　如我們將一個(gè) MPEG-2 的視頻數據轉換成 MPEG-4 的視頻數據，當然可以采用的方法是先將 MPEG-2 的視頻解壓縮成單 幀的圖像序列，再將其重新壓縮編碼成為 MPEG-4 的視頻數據。但這種轉碼方式的運算復雜度的使用 SDI 數據流作為中介的運算復雜度并沒(méi)有什么區別。我們可以通過(guò)一些方法提高轉碼的效率，降低運算復雜度，比如 MPEG-2 和 MPEG-4 在其編碼算法上有很多相通的地方，在 DCT 變換， MC 運動(dòng)補償， MV 運動(dòng)補償等方面有許多可以公用的地方，我們并不需要將其完全解碼成獨立的圖像序列，可利用不同編碼方式間的相關(guān)性進(jìn)行轉碼工作

　　MPEG-2 視頻數據中所有的頭信息被解碼后都直接送到 MPEG -4 編碼器中進(jìn)行編碼，其中少數頭信息需要調整，以適應新的編碼格式。而 DCT 系數和 MV 信息被重用，省去了運動(dòng)估計和 DCT 的系統消耗。同時(shí) MPEG -4 做運動(dòng)補償的時(shí)候，也可以直接利用 MPEG -2 解碼器解碼得出的運動(dòng)矢量的信息。

　　我們可以看出，使用不同的轉碼算法在不同需求的編碼轉換時(shí)，可以得到不同的時(shí)間及系統消耗復雜度。這些不同復雜度算法的是否采用取決于用戶(hù)對工作任務(wù)的要求。比如工作任務(wù)需要實(shí)時(shí)獲得轉碼結果，要求高可靠性，并且對轉碼前后的數據的編碼方式及碼流指定不變。那么我們可以采用高效的轉碼算法，必要時(shí)犧牲一些圖像質(zhì)量，將算法固化在硬件芯片板卡上，從而滿(mǎn)足任務(wù)需求。如果工作任務(wù)對轉碼同步性要求并不高，不要求實(shí)時(shí)輸出，但對圖像質(zhì)量有很高的要求，我們可以采用一些效率較低，但圖像質(zhì)量損失較小的轉碼算法?？梢詫⑺惴ü潭ㄔ谟布酒?，也可以使用通用的計算機運算系統、存儲系統和數據交換系統，使用軟件算法進(jìn)行轉碼工作，這些方式的具體應用方式在本文的后半部分會(huì )詳細介紹。