轉碼技術(shù)在視頻領(lǐng)域內的應用分析

4 轉碼系統在實(shí)際工程中的應用

　　在電視技術(shù)工程中，已經(jīng)有不少的應用轉碼系統的實(shí)際例子。我們下面就通過(guò)兩個(gè)工程實(shí)例來(lái)進(jìn)一步的分析基于計算機設備的轉碼系統的工作原理和應用前景。

　　一、轉碼系統在移動(dòng)非線(xiàn)性編輯系統遠程傳輸中的應用

　　隨著(zhù)筆記本電腦性能的日益增強，商家已經(jīng)敏銳的看到使用基于筆記本電腦的移動(dòng)非線(xiàn)性編輯系統在遠程編輯傳輸上的應用前景?；谲浖木庉嬍侄问咕庉嬒到y的價(jià)格大大的降低，設備的便攜性使現場(chǎng)編輯成為可能。但這些并不是移動(dòng)非編優(yōu)勢的全部，還有非常重要的一個(gè)吸引用戶(hù)的特點(diǎn)：使用移動(dòng)非線(xiàn)性編輯系統，配合相應的網(wǎng)絡(luò )接入設備，就可以利用現有的公用通訊網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行視頻數據的傳輸。使利用廉價(jià)的公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )、電信網(wǎng)絡(luò )或者移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )，替代專(zhuān)用昂貴的、點(diǎn)對點(diǎn)的通訊線(xiàn)路進(jìn)行視頻數據傳輸成為可能。

　　移動(dòng)編輯系統可以使用遍布城鎮的廉價(jià)的寬帶、 ADSL 線(xiàn)路、 GPRS 無(wú)線(xiàn)通訊所構成的公用互聯(lián)通訊網(wǎng)絡(luò )取代微波、光纖通道、衛星等專(zhuān)用昂貴的數據鏈接通路進(jìn)行視頻數據的傳輸。

　　但使用公用網(wǎng)絡(luò )傳輸視頻素材，不可避免的要遇到公共網(wǎng)絡(luò )帶寬的瓶頸問(wèn)題，比如給予以太局域網(wǎng)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )接入，其最高傳輸速率一般不會(huì )超過(guò) 4Mbps ，而根據路由的不同及干線(xiàn)帶寬的限制，實(shí)際傳輸的速率會(huì )更低。對于 50M 碼流的 MPEG2 全 I 幀編碼或 25M 碼流的 DV 編碼而言，公用網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸率是難以忍受的。我們以 DV 25M 碼流的編碼方式為例，在 Windows 操作系統下，一分鐘的 DV 文件約為 220MB 左右，在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )上以 200KBps 的速度傳輸，其需要 4100 秒左右，即 68 分鐘左右。即視頻數據時(shí)長(cháng)和傳輸所需時(shí)長(cháng)之比是 1 ： 68 。這種效率的傳輸方式雖然在理論上是可行的，但在實(shí)際應用中，由于不同網(wǎng)絡(luò )狀況，速度各有差別，而且在傳輸中任何的一次中斷都有可能使整個(gè)視頻文件的不可使用，從而導致必須從頭重新傳輸。所以這種工作方式在實(shí)際工作中是不具有可操作性的。

　　那么如何使用公用互聯(lián)通訊網(wǎng)絡(luò )，高效，便捷的將節目視頻數據傳回編輯地點(diǎn)或者直接用于播出呢？可以利用基于軟件轉碼的視頻數據傳輸系統解決這個(gè)問(wèn)題。

　　我們可以根據具體需要，將節目視頻數據通過(guò)軟件轉碼系統轉換為指定格式，指定碼流編碼方式，以文件分割的方式分成若干個(gè)大小合適的數據包，通過(guò)公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )以 FTP 的方式將這些數據包發(fā)送給異地的接收端，并提供數據校驗手段。接收端在收到各個(gè)數據包后，將這些數據包和并編碼為接收端指定的數據編碼方式，在這個(gè)過(guò)程中如遇到數據包丟失，則接收端要求傳輸方重新發(fā)送該數據包，而不需重新將視頻數據從頭傳輸。

　　如在實(shí)際工作中遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：工作任務(wù)要求將異地拍攝的突發(fā)新聞素材及時(shí)傳至遠方的電視臺。兩地之間無(wú)專(zhuān)用視頻信號傳輸線(xiàn)路或專(zhuān)用線(xiàn)路租金過(guò)于昂貴，公用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )接入卻很方便。拍攝的原素材為 DV 的壓縮編碼格式，電視臺的編輯和播出系統使用的是 MPEG-2 的壓縮編碼格式。為了達到快速、高效、廉價(jià)的將節目素材傳回電視臺，可以采用以下的工作方式。

　　首先使用移動(dòng)非線(xiàn)性編輯系統本機上的軟件轉碼系統將源視頻數據（ DV ）轉碼為用戶(hù)指定編碼方式和碼流的視頻數據文件。編碼方式和碼流的指定根據用戶(hù)的具體需要，如對注重內容性的突發(fā)新聞和一些不需要進(jìn)行再次復雜編輯的視頻數據，用戶(hù)可以選擇適當的犧牲視頻數據圖像質(zhì)量來(lái)?yè)Q取更高的壓縮比的文件用于在公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )上傳輸，比如將每分鐘 220MB 左右的 DV 文件轉碼為每分鐘 60MB 的高壓縮比的 MPEG-4 文件。在網(wǎng)絡(luò )狀況不變的情況下，其傳輸時(shí)間可以減少為直接傳輸 DV 文件所需花費時(shí)間的四分之一，代價(jià)是犧牲圖像質(zhì)量，但其圖像質(zhì)量的損失肉眼幾乎不能區別。隨后將 MPEG-4 文件拆分為若干個(gè)數據包。通過(guò) FTP 方式將這些數據包發(fā)送到遠端的電視臺接收端。接收端將這些文件合并后得到的 MPEG-4 文件，根據用戶(hù)指定的碼流和編碼方式，通過(guò)轉碼系統將該文件轉碼為指定封裝格式的 MPEG-2 文件，直接用于編輯或播出。

　　采用這種傳輸方式有以下特點(diǎn)：用戶(hù)可以控制所需傳輸文件的大小，根據自身需要及網(wǎng)絡(luò )狀況進(jìn)行靈活調整；用戶(hù)可以對視頻數據圖像質(zhì)量進(jìn)行控制，可以在傳輸數據的同時(shí)改變圖像的分辨率及編碼方式；將視頻數據文件拆分成若干的數據包進(jìn)行傳輸，可以充分的利用公用互聯(lián)通訊網(wǎng)絡(luò )的資源，同時(shí)具有斷點(diǎn)續傳的功能；用戶(hù)在拆分和合并數據包時(shí)可以加入自定義的加密解密方式，可以使數據在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸更加安全；拆分文件、編碼傳輸、合并文件等工作可以同時(shí)進(jìn)行，如在編碼的過(guò)程中可以將已經(jīng)編碼完成的部分拆分成數據包，直接發(fā)送到接收端，接收端可以邊接收邊合并，并將已經(jīng)合并的數據進(jìn)行編碼工作，可以大大的提高工作效率。

　　值得一提的是，圖像質(zhì)量損失的大小是在用戶(hù)指定傳輸的編碼方式和碼流的大小時(shí)確定的。在傳輸至目的地時(shí)將收到的視頻數據轉碼為高碼流的編碼方式時(shí)，只會(huì )在視頻數據中加入冗余信息，而不能改變圖像質(zhì)量。因此用戶(hù)可以根據自己的需求，通過(guò)調整傳輸碼流的大小控制圖像質(zhì)量和傳輸時(shí)間的平衡關(guān)系。

　　轉碼系統在這個(gè)工程中主要用于改變視頻數據的編碼方式及碼流大小，以適合使用低速網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，并且在傳輸過(guò)程中通過(guò)控制編碼方式和碼流的大小，對傳輸的圖像質(zhì)量進(jìn)行控制。在下面的一個(gè)工程例子中，我們通過(guò)對如何利用轉碼系統進(jìn)行高效的視頻素材數據的收錄工作的分析，從而探討轉碼系統應用的另外一種側重，即對視頻數據編碼的封裝方式和冗余信息的轉碼，而較少的觸及視頻數據內容本身的編碼方式和碼流大小，提高不同數字視頻設備產(chǎn)生的視頻數據的通用性，并且減少傳輸中的編解碼環(huán)節對視頻數據質(zhì)量的影響。

　　二、轉碼系統在集中收錄系統中的應用

　　我們在基于 Ma trox DigiSuite DTV 板卡的節目制作網(wǎng)絡(luò )中，設計一個(gè)集中上載系統，目的是改變傳統使用編輯板卡本身進(jìn)行上載工作的方式，利用視頻服務(wù)器的多通道，高穩定性和編碼的靈活性進(jìn)行視頻數據的集中上載。通過(guò)轉碼系統將服務(wù)器產(chǎn)生的視頻文件格式轉換為編輯系統可以使用的視頻數據格式，同時(shí)將衛星收錄、已經(jīng)存在的視音頻文件及其它途徑獲取的視頻源通過(guò)轉碼系統引入編輯網(wǎng)絡(luò )中。從而提高視頻數據上載的效率及靈活性，減少編輯站點(diǎn)有于上載工作所花費的非編輯占機時(shí)間，并且將不同壓縮編碼格式的視頻數據方便的引入編輯系統中來(lái)。

　　該方案的工作原理是利用帶存儲單元的多通道視頻服務(wù)器，作為集中上載的第一個(gè)環(huán)節，視頻輸入通道分別與錄像機、攝像機、切換臺等傳統前期節目相連。錄制控制工作站通過(guò) 422 控制矩陣控制視頻服務(wù)器的輸入通道進(jìn)行節目素材上載，以視頻服務(wù)器所提供的視頻文件格式存儲在服務(wù)器本機存儲單元內。視頻服務(wù)器利用千兆異步接口通過(guò)網(wǎng)關(guān)與千兆以太交換機連接，利用標準的 FTP 協(xié)議將服務(wù)器內的視頻文件，通過(guò)轉碼系統傳輸至節目制作網(wǎng)絡(luò )的硬盤(pán)存儲陣列中，提供給編輯環(huán)境進(jìn)行編輯制作工作。

　　這種工作方式建立后，具有極強的靈活性。傳統使用 SDI 、模擬復合分量接口的設備可以使用視頻服務(wù)器連接上載，而對提供千兆以太接口的設備，如硬盤(pán)錄像機、 SONY 的帶標準以太接口的錄像機設備及基于文件系統的藍光盤(pán)攝錄設備、 P2 卡設備等，都可以通過(guò)標準的千兆以太接口和集中上載系統中的千兆交換機連接，通過(guò) 422 控制或以太網(wǎng)絡(luò )和控制環(huán)節連接?？梢苑奖愕睦?FTP 方式進(jìn)行高速文件上載的工作，并且在加入這些設備時(shí)，對集中上載的系統配置和控制操作無(wú)需進(jìn)行大的調整或更改。轉碼系統在集中收錄系統中處于核心地位。

　　轉碼系統是由轉碼服務(wù)器、轉碼調度服務(wù)器、用戶(hù)控制界面和相應的以太網(wǎng)絡(luò )及 Fiber Channel 網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接交換設備組成。其中具體負責轉碼工作的轉碼服務(wù)器是一臺或幾臺帶有千兆以太及 FC 接口的高性能計算機設備。視頻數據通過(guò)千兆以太接口進(jìn)入轉碼服務(wù)器，經(jīng)過(guò)轉碼處理后通過(guò) FC 端口輸出至節目制作網(wǎng)絡(luò )的硬盤(pán)存儲陣列或者其它存儲機構。用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)控制界面對轉碼調度服務(wù)器進(jìn)行配置調整，指定轉碼的編碼方式及碼流。轉碼調度服務(wù)器通過(guò)以太連接控制轉碼服務(wù)器進(jìn)行轉碼工作。轉碼服務(wù)器可以在視頻數據從千兆以太接口輸入到從 Fiber Channel 接口輸出的數據遷移過(guò)程中，改變視頻數據的編碼方式或文件封裝的格式，將視頻數據文件由視頻服務(wù)器所支持的文件格式轉換為編輯環(huán)境所識別和可使用的視頻文件格式。同樣的，對于可以提供千兆異步接口的視頻設備均可通過(guò)網(wǎng)關(guān)和千兆以太網(wǎng)絡(luò )連接，在數據遷移中進(jìn)行視頻數據的轉碼工作

　　在這種工作方式下，轉碼系統可以盡可能的減少對視頻數據本身的編碼方式和碼流大小進(jìn)行改變。比如對服務(wù)器中的 MPEG-2 文件，可以改變其封裝方式和頭文件直接用于編輯工作站使用。同樣，所有編輯站點(diǎn)可以處理使用的編碼方式，如 DTV 板卡支持處理 MPEG-2 、 DV25 和 DV50 的編碼方式，基于這些編碼方式的視頻數據，均可以高效、方便的引入編輯系統中，而不需要對視頻數據的內容數據進(jìn)行重復的編解碼工作，從而避免了由于傳輸環(huán)節造成的圖像質(zhì)量損失。

　　由于純粹的轉碼運算工作在這項任務(wù)中已經(jīng)不是轉碼速度的瓶頸，轉碼時(shí)間的大小取決于數據接口的速度，如理論上可提供千兆左右傳輸速度的千兆以太和 FC 接口，在只改變文件包裝方式的情況下，實(shí)際上可以將 MPEG-2 全 I 幀 50M 碼流的文件以 1/5~1/10 于文件時(shí)長(cháng)的時(shí)間進(jìn)行收錄引入工作，從而大大減少了由于素材上載而帶來(lái)的時(shí)間消耗

總結

　　上面兩個(gè)工程實(shí)例代表了轉碼系統在兩個(gè)側重方向上的應用，轉碼系統在移動(dòng)非線(xiàn)性編輯傳輸視頻數據時(shí)，通過(guò)改變碼流減少了碼流的大小，從而提高了傳輸的速度，并通過(guò)文件拆分的方式，將大塊整體的數據轉變?yōu)樾K分散的數據，從而降低了由通道的不穩定帶來(lái)的傳輸風(fēng)險。而在集中收錄系統應用轉碼系統時(shí)，利用高速穩定的傳輸通道，使用改變文件或流封裝的方式來(lái)提高視頻數據的通用性。并且可以利用高速的 FTP 的傳輸方式以超實(shí)時(shí)的速度將視頻素材引入編輯環(huán)境中。

　　 通過(guò)對這兩個(gè)具體工程中的應用分析，可以看到轉碼系統在視頻領(lǐng)域內的應用前景是非常廣闊的。以前必須使用昂貴的專(zhuān)業(yè)硬件設備才能進(jìn)行的視頻數據編解碼、碼流轉換等工作，現在通過(guò)日益強大的計算機技術(shù)，可以利用轉碼軟件來(lái)完成。同時(shí)轉碼技術(shù)在視頻數據的傳輸、存儲和通用性增強方面也可以提供很好的解決方案。

　　專(zhuān)業(yè)視頻領(lǐng)域中的轉碼技術(shù)是從通用技術(shù)脫身發(fā)展而來(lái)，反過(guò)來(lái)可以大大的降級專(zhuān)業(yè)視頻設備投入的成本，增強其通用性和靈活性。這種借用它山之石，將通用產(chǎn)品技術(shù)專(zhuān)業(yè)化的成功范例在業(yè)內已經(jīng)有相當多的成功例子，如千兆以太接口和光盤(pán)技術(shù)在硬盤(pán)錄像機和藍光盤(pán)設備上的應用，如半導體存儲設備在 P2 卡上的應用等等。我們相信，這種基于軟件的轉碼系統的工作模式將會(huì )是專(zhuān)業(yè)視頻領(lǐng)域內的下一個(gè)成果范例，并會(huì )帶來(lái)視頻領(lǐng)域內的另一場(chǎng)變革。