高清數(shù)字電視轉(zhuǎn)碼傳輸應(yīng)用

□馬 翔 鄭躍華

目前地面數(shù)字電視及衛(wèi)星數(shù)字電視的影像數(shù)據(jù)均以MPEG-2 格式發(fā)送，以相同畫質(zhì)為前提進(jìn)行比較，MPEG-2的數(shù)據(jù)量比H.264 的數(shù)據(jù)量大，不利于高清視頻圖像的存儲及網(wǎng)絡(luò)傳輸，而H.264 因壓縮比高、占用帶寬小，逐步成為高清視頻的主流格式。

H.264 是由ITU-T 視頻編碼專家組(VCEG)和ISO／IEC動態(tài)圖像專家組(MPEG)聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組(JVT，Joint Video Team)提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)。它是MPEG-4 技術(shù)的一個(gè)子集。H.264 具有較強(qiáng)的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的無線信道中的視頻傳輸。H.264 支持不同網(wǎng)絡(luò)資源下的分級編碼傳輸，從而獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。因此，H.264 編碼方式正被越來越多的廠商、運(yùn)營商選擇。

H.264 的相關(guān)工作組織最早把H.264 分為三個(gè)檔次：基本類、擴(kuò)展類和主類，分別對應(yīng)普通低延時(shí)視頻流領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)移動領(lǐng)域和高清視頻領(lǐng)域。隨后，在這三個(gè)檔次基礎(chǔ)上逐漸擴(kuò)展到了十多個(gè)分類(主要是功能上的分類)。現(xiàn)在，我們在常見的編碼軟件里能看到分類主要有四個(gè)：基本類(Baseline Profile)、擴(kuò)展類(Extended profile)、主類(Main profile)和高級類(High profile)。其中高級類(High profile)已經(jīng)應(yīng)用于DVB、HD-DVD 等廣電和存儲領(lǐng)域。四個(gè)分類的區(qū)別有：基本類為基本畫質(zhì)，支持I/P 幀，只支持無交錯(cuò)(Progressive)和CAVLC。擴(kuò)展類為進(jìn)階畫質(zhì)，支持I/P/B/SP/SI 幀，只支持無交錯(cuò)(Progressive)和CAVLC。主類為主流畫質(zhì)，提供I/P/B 幀，支持無交錯(cuò)(Progressive)和交錯(cuò)(Interlaced)，也支持CAVLC 和CABAC。高級類為高級畫質(zhì)。在主類的基礎(chǔ)上增加了8×8 內(nèi)部預(yù)測、自定義量化、無損視頻編碼和更多的YUV 格式。

高級類適用于數(shù)字電視傳輸?shù)闹饕幋a參數(shù)設(shè)置為：

Level（編碼級別）。H.264 的每一級分類都能夠選擇若干級別，不同的級別代表編、解碼時(shí)所需要的不同硬件資源，例如高級類級別下Level5.1 就比Level4.1 需要用到更多的解碼緩沖區(qū)。老的硬件和部分版本較早的軟件可能不支持對5.1 級別的片源進(jìn)行解碼，為了能夠滿足絕大部分觀眾的收視條件，保證編碼后的視頻能夠在大部分機(jī)頂盒上解碼播放，所以建議選擇4.1。

Mode（編碼模式）。設(shè)置編碼視頻時(shí)所采用的編碼方式可選項(xiàng)有固定比特率、動態(tài)比特率、二次編碼、三次編碼。目前，市場上絕大部分高清機(jī)頂盒僅支持固定比特率的視頻，因此，此項(xiàng)我們選擇固定比特率。而比特率具體數(shù)值依片源而定，一般數(shù)值越大，畫質(zhì)越好。而過大的數(shù)值是沒有意義的，因?yàn)橐环矫鍴.264 的編碼效率很高，過大的數(shù)值只會讓其在編碼過程中增加更多的空包；另一方面，碼率過大也不利于數(shù)字電視傳輸。

ReFrames（最大參考幀數(shù)）。該項(xiàng)的設(shè)置范圍為0—16，數(shù)值越大，編碼所耗時(shí)間越長，畫質(zhì)越好。需要注意的是，對于高清視頻，本身需要處理的數(shù)據(jù)量就很大，如果一味地增大ReFrames 值，會導(dǎo)致硬件解碼單元無法處理。而ReFrames 的值本身也與DPB 有關(guān)。對此，為了獲取最大的硬件兼容性，推薦把此值設(shè)置在2—3。

Motion estimation algorithm （動態(tài)預(yù)測算法）?？蛇x項(xiàng)有：Diamond（菱形搜索)、Hexagonal（正六邊形搜索）、Uneven Multi-Hexagon（可變半徑六邊形搜索）、Exhaustive（全面搜索）、Hadamard Exhaustive （用Hadamard 方式進(jìn)行全面搜索）。編碼耗時(shí)依次增大，畫質(zhì)同樣也越來越高?？紤]到片源的時(shí)效性和編碼效率，這里建議選擇Hexagonal 或者Uneven Multi-Hexagon。其實(shí)在現(xiàn)有條件下，選擇Exhaustive或者更高的Hadamard Exhaustive 算法已經(jīng)沒有太大意義，在50 寸顯示終端上憑借肉眼已經(jīng)看不出二者的區(qū)別，除非定幀之后用專業(yè)器材對比。

Motion search radius（動態(tài)搜索半徑）。該項(xiàng)的取值范圍在1－64 之間。需要注意的是，此項(xiàng)只有在動態(tài)預(yù)測算法中選擇了Uneven Multi-Hexagon、Exhaustive 或Hadamard Exhaustive 才有效。因?yàn)镈iamond 和Hexagonal 是固定搜索半徑的算法，搜索半徑分別為1 和2。如果Motion estimation algorithm 選擇了Uneven Multi-Hexagon，那么該項(xiàng)建議設(shè)置為16。

Encode interlaced（編碼交錯(cuò)模式）。 該項(xiàng)主要針對隔行掃描設(shè)置，如果開啟該項(xiàng)，那么視頻源將會被編碼成隔行掃描的；反之如果關(guān)閉該項(xiàng)，那么視頻源將會被編碼成逐行掃描的。

Use CABAC（使用CABAC 編碼）。CABAC 是H.264 獨(dú)有的高效率熵編碼方式，全稱叫內(nèi)容自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼。它能夠帶來比常用的CAVLC 編碼更高的壓縮效率和畫面質(zhì)量。在相同畫質(zhì)的前提下，CABAC 可以節(jié)省20%左右的帶寬。但是，使用CABAC 編碼會增大編、解碼的計(jì)算量，因此，如果使用CABAC 編碼，會增加編碼時(shí)間；如果關(guān)閉該項(xiàng)，則自動使用CAVLC 編碼。該項(xiàng)建議開啟。

Rate-distortion optimal quantization （Trellis 量化優(yōu)化模式）。 該模式必須開啟CABAC 才能使用，其作用為對每個(gè)8×8 的塊尋找合適的量化值。該項(xiàng)通常有三個(gè)選項(xiàng)，分別為：Disabled（關(guān)閉）、Enabled only for the final encode（只在最后編碼時(shí)使用）和Enabled during all mode decision（一直使用）。畫質(zhì)遞增，編碼速度遞減。建議選擇Enabled only for the final encode。

Deblocking filter（自適應(yīng)環(huán)路去塊濾波器）。 H.264 采用一種自適應(yīng)解塊濾波器，它會在預(yù)測回路內(nèi)對水平和垂直區(qū)塊邊緣進(jìn)行處理，用于消除塊預(yù)測誤差造成的失真。這種濾波是基于4×4 塊邊界為運(yùn)算基礎(chǔ)，其中邊界各邊的3 個(gè)像素可通過4 級濾波器進(jìn)行更新。開啟該項(xiàng)之后會有兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置：Alpha parameter 和Beta parameter，分別代表該項(xiàng)Alpha 和Beta 兩個(gè)參數(shù)，參數(shù)范圍均在-6—+6。Deblocking filter 能夠有效的解決低碼率編碼造成畫面過渡時(shí)出現(xiàn)的大面積色塊以及灰階不自然現(xiàn)象。如果不開啟，則要保證同樣的畫面質(zhì)量，需要增加大約5%～10%的視頻碼率。因此，建議開啟。

以上就是在對高清視頻進(jìn)行H.264 編碼過程中，對最終畫面畫質(zhì)、編碼速度有影響的幾個(gè)代表參數(shù)的介紹。

數(shù)字電視信號在有線電視HFC 網(wǎng)內(nèi)的傳輸，核心是信號對網(wǎng)絡(luò)的適配問題。模擬電視信號數(shù)字化、壓縮即信源編碼，解決了用數(shù)字比特代表連續(xù)的模擬信號和速率對網(wǎng)絡(luò)的適配。那么如何解決傳輸對網(wǎng)絡(luò)的適配，使用戶達(dá)到滿意的接收，這是前端要解決的問題。前端的組織作用，是要把這些不同的高清節(jié)目進(jìn)行數(shù)字化，壓縮編碼等過程，將MPEG-2傳輸流（MPEG-2 TS）格式轉(zhuǎn)換成H.264 格式后再進(jìn)行傳輸。如原來CCTV-1 高清MPEG-2 傳輸流格式有16Mbps ，轉(zhuǎn)碼成H.264 格式后大概7 Mbps 進(jìn)行傳輸。數(shù)字電視接收通道由調(diào)諧器接收數(shù)字電視信號，將數(shù)字中頻信號輸出到數(shù)字電視信號解調(diào)單元，解調(diào)出數(shù)字信號，經(jīng)過誤碼修正(FEC)、解密(DES)、解復(fù)用(Demux)、MEPG-2 解碼。一路輸出解壓后的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻分量信號到視頻信號處理及顯示輸出通道，另一路輸出解壓后的數(shù)字伴音信號(I2S)到音頻信號處理放大通道。數(shù)字電視接收通道決定了數(shù)字電視接收的主要性能指標(biāo)，諸如接收靈敏度、對應(yīng)載噪比的誤碼率(BER vs. C/N)、干擾抑制、回波抑制、I/Q 不平衡等。因?yàn)樵谝曨l的編碼過程中，耗用時(shí)間、畫面質(zhì)量、文件體積(碼率)是成正比關(guān)系的。而在數(shù)字電視傳輸過程中，受到制片效率、傳輸帶寬、用戶收視終端等種種客觀因素制約，不可能一味追求畫面、聲音質(zhì)量。所以，選擇一個(gè)合適的轉(zhuǎn)碼參數(shù)在有的限帶寬內(nèi)，達(dá)到畫、音質(zhì)和時(shí)間上的平衡是非常重要的。

由于有線網(wǎng)絡(luò)的頻率資源比較緊張，傳輸一套高清電視節(jié)目要占用4-5 套標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目的帶寬。原來一個(gè)8 M 的模擬標(biāo)準(zhǔn)頻道以64QAM 方式，6.875 的符號率可以傳輸6-8 套標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目，標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目的碼流一般在5M 左右。而用于傳送高清電視節(jié)目時(shí)只能傳送一套高清電視節(jié)目，高清電視節(jié)目的碼流大小一般為20－27M，傳送2 套高清節(jié)目時(shí)碼率在40M 以上，超出了QAM 調(diào)制器在640AM 方式下38M 的正常工作范圍，因而無法在一個(gè)8M 的模擬標(biāo)準(zhǔn)頻道內(nèi)傳輸兩套高清電視節(jié)目，但是如果經(jīng)過轉(zhuǎn)碼后就可以實(shí)現(xiàn)。H.264 是現(xiàn)階段一種非常優(yōu)秀，非常適合應(yīng)用于廣電網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字電視傳輸?shù)囊曨l編碼方案。