视频转码技术浅析

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1、视频转码技术浅析 张琦钟代笛 北京r - 播学院电视工程系 摘要：随着各种视频压缩标准的制定及计算机技术和网络技术的发展，视频信息的应用呈现 出爆炸式的增长。为了适应用户终端的多样性及网络自身的传输特| 生，9 0 年代后期，视频 转码成为视频编码领域一个新的研究热点。本文回顾了近几年来在视频转码方面的发展概况 并简要介绍了视频转码技术的几项关键技术。 关! 踺词：数字视频，视频转码，视频编码，D C T 域转码，空域，日寸域转码， 比特率转码 一、技术背景 步入二十世纪九十年代以来，音视频编码技术呈现飞速发展势头。特别是 M P E G 一1 和M P E G 一2 标准于1 9 9 2 年

2、和1 9 9 4 年相继问世，其最具代表性的应用产品 V C D 和D V D 已经是家喻户晓，并造就了一大批新兴的电子产业。H D T V 和D V B 电子 产品的快速多样性发展更真切的让人感受到了一个好的音视频标准对整个世界 多媒体产业的促进作用。与此同时，互联网快速发展，网络化的世界已见规模。 网络特有的人与信息高效而又广泛的交互，吸引着人们将网络与多媒体紧密地结 合起来，以形成电话网，有线电视广播网，微波卫星，移动通信以及L A N 、W A N 为基础地综合多媒体通讯技术。 在这种背景下，各标准组织针对不同的多媒体应用建立了多种视音频编码标 准。例如：面向低比特率双向视频传输的H

3、2 6 3 ，面向广播和高质量视频应用的 M P E G - 2 ，以及面向流媒体和交互式多媒体应用的M P E G 一4 。由于数字视频的应用 越来越广泛，愈来愈多的视频内容被压缩为不同的编码格式，因此，有必要对各 种压缩格式进行相互之间动态的转换。而对视频转码技术的研究的意义正在于 此。 - - - - - - 4 0 2 - - - - - 二、视频转码技术 视频转码技术( T r a n s c o d i n g ) 就是两种不同的标准或者同种标准的不同分 辨率、码率之间的互相转化。目标是使处理耗费的时间尽可能的短，同时减少由 于额外的解码和编码所造成的视频质量的损伤。达到这个目标的

4、关键就是利用输 入的压缩码流中的统计信息为整个转码过程服务。 传统的T r a n s c o d i n g 技术可被分成以下三类：码率转换( b i t - r a t e c o n v e r s i o no rs c a l a b i l i t y ) 、分辨率转换( r e s o l u t i o nc o n v e r s i o n ) 和语法转 换( s y n t a xc o n v e r s i o n ) 。码率转换可弥补低带宽的不足，使码流能够顺利传输。 分辨率转换也有助于在低带宽下工作，但它主要用于解决用户设备，比如处理器 能力，显示器分辨率的限制或

5、内存容量等问题。语法转换能够让发送方和接受方 保持兼容性，确保混合网络的自适应性。这三种方法都有对应的应用。 同时，T r a n s c o d i n g 技术也可分为同类标准的码流的转化和异类标准码流的 转化。同类标准的T r a n s c o d i n g 技术，解码器和编码器可以组合在一起，进一步 简化T r a n s c o d e r 。例女f l M P E G 一2 至O M P E G2 码流转化，H 2 6 1 到H 2 6 1 码流转化和H 2 6 3 到H 2 6 3 码流转化等等。异类T r a n s c o d i n g 技术一般有两种方法，一种是码流的

6、直 接映射，女H M P E G 一4 和H 2 6 3 之间码流的转化，当然，这种方法要求两种标准的相 似性比较大，另一种是语法的转化，需要重新解码和编码。例如J P E G 和M P E G 码流 的相互转化等等。 视频转码器的基本结构如图1 输入的：输出的： 压缩码流 压缩码流2 分辨率。 j 王 分辨率： 比特率。比特率2 帧率-帧率z 压缩格式，压缩格式2 图1视频转码器基本框架 最简单的转码器就是将解码器和编码器直接级联，解码器将输入数据解码后 再送入编码器进行编码。然而这种方式的计算量太大，并不实用。因此，视频转 码的目标，总体来说，是在比特率、图像质量、转码速度三者之间取一个折

7、衷。 针对不同的应用，对这三者赋予不同的优先等级。 对于高质量的视频编辑，如使用编辑机等，通常有一定的硬件支持，对图像 质量要求较高，对转码速度的要求则是其次，所以一般不采用“码率控制”、“丢 弃B 帧”等降低码率的方法，而且这种时候通常也不用考虑分辨率下采样的情况。 在这种情况下的技术难点主要在于图像序列被任意截断之后，如何拼接的问题。 如果以B 、P 帧开头，则有必要将原序列的I 、P 帧也解码，然后将B 、P 帧转化 为I 帧，作为新序列的开头。 对于数字电视的应用，分辨率大多不用缩小，带宽限制也不是很大，主要就 是实时的问题，所以这种转码主要是考虑D C T 系数块和运动矢量的重用，对

8、图像 质量要求较高，而对比特率的控制等方面的要求则不高。 对于视频会议应用，分辨率不用缩小，图像幅度不大，比特率通常不高，图 像质量要求也不高。主要的问题在于通信的实时性和与网络设备的兼容性。 对于移动通信的应用，分辨率通常要缩小，比特率也要大幅度下降，图像质 量要求则不是很高。通常会采取诸如丢弃B 帧的方法来减小帧率，二次量化的参 数也要参考信道带宽情况来确定，这就要求信源的编码和转码过程需要与信道联 合起来进行。 三、比特率转码 目前转码领域研究得最多的就是“比特率转码”。所谓比特率转码就是在保 持原有的码率和空间分辨率的条件下，降低比特率。常见的转码器结构有3 种： 开环转码系统、级联的

9、象素域转码系统、D C T 域转码器。 开环转码器系统是通过“反量化一重量化”的过程来对数据进行有选择的传 输。重新量化的过程忽略了一些高频系数，并且降低了码率，以适应新的传输环 境。然而，由于重新量化造成了对预测误差值的改变，在运动补偿后，重构的数 据与原始数据之间会产生误差，这种误差就是“漂移”( d r i f t ) ，这种漂移误差 会产生累积，一直会持续到下一个I n t r a 帧的到来。视频质量会因此受到比较大 的影响。 级联的象素域转码系统( 图2 ) 通过自身内部的结构来避免了这种漂移问题。 它本质上是一个解码器与一个简单编码器的级联。这个简单的编码器重用了解码 器中的运动矢

10、量，以及一些相关信息，因此省略了运动估计的过程，整个编码耗 - - - - 4 0 4 - - - - 时减少了6 0 一7 0 。 I 抒D C T 、I D c T 和运动补偿的固有的线性特征，可以将解得的D C T 系数直接用 于新的码流中，而省略了D C T 和I D C T 变换的时间。这种方式就是D C T 域转码器( 图 3 ) 。 目前的主流压缩标准多是通过对数据分块，通过运动估计，并且采用D c T 变 换来减少数据冗余，再经过量化，最后用变长编码压缩后进行传输。因此，在这 些格式之间进行数据转换，一个关键的步骤就是重用原D c T 系数和运动矢量。 图2级联的象素域转码系统

11、 B ：缓冲器；E D ：熵解码：I Q ：反量化；I D C T ：反离散余弦变换；M C ：运动补偿； M V ：运动矢量；F ：帧存；D C T ：离散余弦变换；Q ：量化；E c ：熵编码：R c ：码率控制。 图3D C T 域转码系统 图4 是一个M P E G - - 2 到M P E G - - 4 的转码器的主要结构，它包含了三个转换过 - - - - - - - 4 0 5 - - - - 程：头信息的转换，D C T 系数的重用和M v 的重用。 转码器的结构从功能上可分为两部分：M P E G - 2 解码部分和M P E G 一4 编码部分。 在M P E G 一2

12、解码部分中，所有的头信息被解出后都直接送到M P E G 4 编码器中 去进行编码，其中少数头信息需要进行调整，以适应新的编码格式。而D C T 系数 和M V 信息则得到了重用，省去了运动估计和运动补偿，以及D C T 和I D C T 的时间， 使得实时应用成为可能。 同时，利用这些参数，M P E G 一2 解码器也可以得出运动矢量、D C T 系数以及 些量化信息。为下一步的“重用”做好准备。 M P E G 一4 做运动补偿的时候，就可以直接利用M P E G 一2 解码器解码得出运动矢 量的信息，M P E G 一4 每编一个宏块，就从M P E G 一2 解码过程中读出一个宏块的

13、运动 M P E G 一4 I ；编码器 图4D C T 和M V 的重用 矢量信息，因而不需要进行重新运动估计，节省了大量的时间。M P E G 一2 的运动 矢量都是基于1 6 1 6 的半象素精度进行预测而得到的，只要M P E G 一4 的编码部分 将搜索范围的参数调整到足够大，就完全可以重用这些运动矢量。 M P E G 一4 做D C T 变换的时候，可以利用M P E G 一2 已编完的D C T 系数，先经过反 量化，然后交由M P E G 一4 编码器直接进行V L C 编码，不需要再做D C T 变换。而这 一部分可以和码率控制结合起来进行。 - - - - 4 0 6 -

14、 - - 四、空域，时域转码 转码技术的另一个研究热点是空域时域的转码。视频传输网络的多样性以 及通信终端的不同需求导致了空域时域的转码技术的产生。这种转码不仅仅改 变比特率，还改变视频的大小和帧频。 其中的一个研究难点就是如何不通过复杂的计算来重用原有的运动矢量信 息以达到减少空域分辨率的目的。在2 ：l 的分辨率下变换中，一个目标宏块是由 四个源宏块变换而来。完成这种转换有多种方法，平均法和加权系数法都比较简 单，但质量一般，更好的办法是通过矩阵乘法来完成这个“四到一”的转换。 对于时域的转码，需要计算出一系列源码流并不包括的运动矢量，并且必须 考虑到丢掉的帧中的运动矢量。一个简单的方法就

15、是对丢掉的帧的前后帧进行问 插，以产生新的运动矢量。 图5 是一个级联的象素域的空域时域转码系统 广_ 1 11 穗 1 J S d p 。a 。! i a l 。 l ：c 。m p p o r a l 厂|畸 一 安 丑 一j l M o t l 0 | lV e c m fI 【 o m p o s i l i o r ： 五、结束语 图3D C T 域转码系统 自从2 0 世纪9 0 年代以来，随着多媒体技术的飞速发展，涌现出越来越多的 视频格式和数据压缩编码算法。为了适应互联网上广泛的信息交换和扩大多媒体 节目制作的信息源，如何对各种视频格式和编码算法进行快速、高质量的转换已 经成为

16、一个研究热点，并且已有相当数量产品得到应用。M P E G 一2 1 标准将在视频 转码方面做出统一的标准。本文从概念和系统上对视频转码技术做了一个基本的 介绍，希望能达到一个抛砖引玉的作用。 O v e r v i e wo fV i d e oT r a n s c o d i n g D A I D IZ H O N G , Q IZ H A N G ( T e l e v i s i o nE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ，B e t j i n gB r o a d c a s t i n gI n s t i t u t e B e i j i n g ，1 0 0 0 2 4 ) A b s t r a c t ：A I o n gw i t h t h ee s t a b I is h m e n t so fm a n yv i d e oc o d i n gs t a n d