淺談分布式拼接系統(tǒng)常見視頻編碼技術(shù)

    2014年AV行業(yè)最熱門名詞非“分布式”莫屬，隨著視頻及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，“分布式”概念正被越來越多的用戶所認(rèn)知。基于分布式技術(shù)構(gòu)建的視頻處理系統(tǒng)，以其“多地分散布置、集中管理、全網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、資源共享、無限擴(kuò)展”等優(yōu)勢(shì)受到廣大顯示系統(tǒng)用戶的青睞。分布式拼接已然成為拼接系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

    分布式拼接系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是突破了地域限制，實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的核心技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。而提起網(wǎng)絡(luò)，第一反應(yīng)就是帶寬限制。以目前最普及的千兆局域網(wǎng)為例，其可提供的理論物理帶寬也僅為1Gbps，扣除網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議所消耗的帶寬，實(shí)際利用千兆網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸數(shù)據(jù)能夠達(dá)到的最大數(shù)據(jù)帶寬僅在600Mbps左右。對(duì)于廣域網(wǎng)，雖然各大運(yùn)營(yíng)商加大了寬帶接入的建設(shè)力度，但目前可提供物理帶寬仍在100Mbps以下。面對(duì)日益提高的超高清圖像顯示需要，低帶寬無疑會(huì)對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)形成制約。

    在如今的大數(shù)據(jù)時(shí)代前景下，如何突破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、低帶寬、遠(yuǎn)距離傳輸，以滿足日益龐大、多地互通、資源共享的系統(tǒng)需要，是一個(gè)分布式系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。在無法改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的情況下，唯一的方法就是在視頻傳輸時(shí)如何降低帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

    目前市面上分布式系統(tǒng)在視頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主要采取三種視頻編碼的方式：無壓縮碼流、壓縮碼流及混合碼流。

    無壓縮碼流

    即將采集的視頻源圖像數(shù)據(jù)不經(jīng)視頻壓縮編碼，直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。其特點(diǎn)是無需復(fù)雜的圖像處理、最大程度保持源圖像品質(zhì)。但其帶寬占用最大，以每秒60幀的1080P視頻計(jì)算，所需帶寬為1920x1080x24bitx60≈3Gbps，因此必須需要多根千兆網(wǎng)絡(luò)并行傳輸才可滿足帶寬需要。

    壓縮碼流

    即對(duì)原始圖像采用視頻壓縮算法進(jìn)行壓縮編碼后再通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。又可細(xì)分為私有壓縮碼流與標(biāo)準(zhǔn)壓縮碼流兩類。

    私有壓縮碼流是一些廠商結(jié)合自身情況，采用自行定義的視頻算法對(duì)視頻壓縮。這些視頻算法多是根據(jù)人眼對(duì)圖像高頻信息（圖像細(xì)節(jié)）敏感度低的特性，采用離散余弦變換與量化，將圖像高頻分量進(jìn)行衰減甚至消除，再利用算術(shù)或統(tǒng)計(jì)編碼的方式，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮。但受限于處理性能等原因，自定義壓縮處理過程相對(duì)簡(jiǎn)單，且為減少畫質(zhì)損失，通常壓縮比較低，1路1080P60圖像經(jīng)此方式壓縮后通常需要帶寬在100Mbps~300Mbps左右。

    標(biāo)準(zhǔn)壓縮碼流則是采用國際標(biāo)準(zhǔn)的編碼算法（如H.264等）完成圖像的壓縮再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。國際標(biāo)準(zhǔn)壓縮算法的特點(diǎn)是算法定義完善，有針對(duì)低帶寬需要的高壓縮比算法，也有保持高畫質(zhì)的無損壓縮算法。壓縮算法考慮更全面因而相對(duì)復(fù)雜，對(duì)處理性能要求極高，但圖像在相同畫質(zhì)的情況下可以獲得更高的壓縮比。同樣以1080P60圖像為例，采用H.264壓縮后，帶寬僅需控制在8Mbps以上時(shí)，人眼已難以區(qū)分壓縮后圖像與未壓縮前的區(qū)別，在1Mbps時(shí)其圖像畫質(zhì)也可被接受。這也是包括藍(lán)光、網(wǎng)絡(luò)視頻在內(nèi)的大多數(shù)視頻載體或傳輸媒介都采用H.264等國際標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行圖像壓縮編碼的原因。

    混合碼流

    即在同一系統(tǒng)中同時(shí)存在兩種視頻碼流�？赡苁菬o壓縮碼流與壓縮碼流混合，也可能是私有壓縮碼流與標(biāo)準(zhǔn)壓縮碼流。這種系統(tǒng)中通常以無壓縮碼流或私有壓縮碼流為系統(tǒng)的主要碼流，而混入標(biāo)準(zhǔn)壓縮碼流以解決低帶寬傳輸需要，相當(dāng)于進(jìn)行視頻轉(zhuǎn)碼接入已有系統(tǒng)架構(gòu)中。

    無壓縮碼流不等于圖像品質(zhì)無損失

    專業(yè)AV行業(yè)里，對(duì)圖像畫質(zhì)有極高的要求。如前所述，無壓縮碼流在處理時(shí)可將采集到的圖像數(shù)據(jù)直接傳輸，中間不需要壓縮編碼，從而減少了畫質(zhì)降低的可能。

    但事實(shí)上，對(duì)畫質(zhì)影響的因素有很多，從采集到傳輸再到顯示，系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)都將可能造成極大的畫質(zhì)下降。

    以圖像數(shù)字采集為例，在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)，產(chǎn)品電氣規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)有偏差會(huì)造成圖像色彩上的偏差。又如多數(shù)視頻處理系統(tǒng)為降低帶寬且方便進(jìn)行處理，通常將圖像轉(zhuǎn)換為YUV422或YUV420格式，雖不進(jìn)行圖像壓縮，但在這一過程中就已經(jīng)造成了圖像色彩信息的損失。另外在拼接顯示系統(tǒng)中，視頻去隔行采用的算法，改變窗口尺寸時(shí)采用的縮放算法是否優(yōu)秀，這些都將直接影響到圖像畫質(zhì)。

    高帶寬是無壓縮碼流的致命傷

    事實(shí)上，“無壓縮”更像是將傳統(tǒng)拼接控制器中使用高速總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)直接應(yīng)用于基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的分布式系統(tǒng)中。這種“傳承”可使傳統(tǒng)廠商更快的進(jìn)入分布式拼接市場(chǎng)，但帶寬占用過高卻是其致命傷。網(wǎng)絡(luò)帶寬的客觀限制使得基于無壓縮碼流技術(shù)的分布式系統(tǒng)無法真正發(fā)揮出分布式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，這也是為何越來越多的廠商轉(zhuǎn)向基于壓縮碼流的分布式產(chǎn)品研發(fā)的原因。

    壓縮碼流一定會(huì)損失畫質(zhì)嗎？

    人們目前接觸壓縮碼流最多的方式可能是通過網(wǎng)絡(luò)。無論是在線視頻還是供下載的電影動(dòng)畫，其為降低帶寬占用或減小體積無不采用了壓縮編碼的方式。且為滿足廣域網(wǎng)傳播，必須使用較高的壓縮比，使得最終看到的圖像畫質(zhì)很差，可能出現(xiàn)很多馬賽克。長(zhǎng)此以往，使人們習(xí)慣性的認(rèn)為視頻圖像經(jīng)過壓縮后勢(shì)必會(huì)對(duì)畫質(zhì)造成嚴(yán)重?fù)p失，并將這種觀念不知不覺的作為對(duì)顯示系統(tǒng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。但事實(shí)真的如此嗎？如果壓縮會(huì)帶來嚴(yán)重圖像損失，那為何H.264,H.265,JPEG2000等壓縮標(biāo)準(zhǔn)又會(huì)成為超高清視頻、數(shù)字電影的壓縮標(biāo)準(zhǔn)呢？到底是哪一個(gè)環(huán)節(jié)使得壓縮后圖像畫質(zhì)損失呢？

    要想了解實(shí)情，我們需要先大致了解一下壓縮編解碼的完整過程。目前最常見的圖像壓縮算法均采用頻域壓縮的方法，利用人眼對(duì)圖像中高頻信息識(shí)別度低的特性實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。以此為例說明圖像頻域壓縮的一般編解碼過程，如下圖所示：

    以下對(duì)各過程用途及運(yùn)算方式進(jìn)行說明，并從中分析哪些環(huán)節(jié)會(huì)造成圖像畫質(zhì)損失：

    離散余弦變換（DCT）：對(duì)于視頻圖像，每一個(gè)像素都是按照時(shí)間順序進(jìn)行排列的。通過離散余弦變換公式，可將圖像由時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，最頻域壓縮的基礎(chǔ)。

    量化：將各頻率分量除以一個(gè)對(duì)應(yīng)的特定系數(shù)后保留結(jié)果的整數(shù)部分，從而對(duì)各頻率分量進(jìn)行衰減，使得圖像信息減少。通常對(duì)直流分量不進(jìn)行衰減，而對(duì)高頻分量進(jìn)行高度衰減。通過改變不同的量化系數(shù)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整壓縮比，實(shí)現(xiàn)畫質(zhì)與帶寬平衡。

    編碼：以變長(zhǎng)編碼為主，可簡(jiǎn)單理解為將一個(gè)固定位數(shù)的信息用更簡(jiǎn)短的信息表達(dá)方式替換。

    解碼：編碼的逆過程，使用與編碼完全相同的規(guī)則恢復(fù)數(shù)據(jù)�？�100%將數(shù)據(jù)恢復(fù)為編碼前狀態(tài)。

    反量化：將恢復(fù)出的各頻率分量乘以與量化時(shí)使用系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的反量化系數(shù)，從而恢復(fù)各頻率分量。但如在量化時(shí)丟棄了計(jì)算結(jié)果信息，無法100%恢復(fù)數(shù)據(jù)。

    反離散余弦變化（IDCT）：與DCT互為逆變換，利用固有公式將圖像重新從頻域轉(zhuǎn)換為時(shí)域，從而恢復(fù)出完整圖像。IDCT過程保持與DCT完全相同的計(jì)算精度，可將數(shù)據(jù)100%恢復(fù)。

    從上述過程可以看出，實(shí)際可能造成圖像畫質(zhì)損失的環(huán)節(jié)只有一個(gè)，就是“量化”。通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)量化參數(shù)，使得壓縮碼流在帶寬與畫質(zhì)間動(dòng)態(tài)平衡。而根據(jù)實(shí)測(cè)效果，當(dāng)H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)中定義的畫質(zhì)參數(shù)在80%以上時(shí)，人眼即已無法分辨編碼后圖像與原始圖像區(qū)別。而如果在處理過程中取消量化過程，則在整個(gè)壓縮編碼過程中沒有任何環(huán)節(jié)會(huì)造成圖像畫質(zhì)損失。

    標(biāo)準(zhǔn)化碼流是分布式系統(tǒng)的趨勢(shì)

    根據(jù)以上分析，合理的采用壓縮算法也可保證圖像畫質(zhì)的無損傳輸，還可大幅降低帶寬占用。越來越多的廠商也將分布式研發(fā)轉(zhuǎn)向壓縮碼流的方式，以期在保證高效處理的同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)利用率。不同廠商根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)，采用不同的編碼算法。有的采用國際通用標(biāo)準(zhǔn)，如H.264，有的則采用自己研發(fā)的私有算法。

    隨著科技的發(fā)展，越來越多的多媒體信息都已基于網(wǎng)絡(luò)傳輸。網(wǎng)絡(luò)攝像頭、在線視頻分享、移動(dòng)設(shè)備無線投射，這些多媒體音視頻信息目前多基于H.264/MPEG4等標(biāo)準(zhǔn)編碼算法，以最大程度減少帶寬占用。而在顯示信息系統(tǒng)中，用戶也越來越希望這些多媒體信息能夠真正為人所用，使這些信息能夠方便的接入到大屏上。對(duì)于這類應(yīng)用，無疑采用相同標(biāo)準(zhǔn)碼流的系統(tǒng)更以具優(yōu)勢(shì)。各類媒體信息無需轉(zhuǎn)碼直接接入系統(tǒng)，不僅應(yīng)用便捷，也可降低接入成本。而采用非標(biāo)準(zhǔn)算法，則必須經(jīng)過轉(zhuǎn)碼后才可將這類信息接入，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

    可以預(yù)計(jì)，隨著寬帶互聯(lián)的普及，基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的多媒體音視頻信息與設(shè)備將越來越多，接入大屏系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享的需求也將越來越強(qiáng)烈，因此采用標(biāo)準(zhǔn)化碼流將逐步成為分布式系統(tǒng)的趨勢(shì)。

    混合碼流是技術(shù)變革中的過渡產(chǎn)物

    為克服無壓縮碼流帶寬占用過大以心無壓縮碼流與私有碼流系統(tǒng)無法直接接入標(biāo)準(zhǔn)碼流設(shè)備的問題，一些廠商提出了混合碼流的概念。即通過額外的設(shè)備將原系統(tǒng)中私有碼流進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，變?yōu)镠.264等標(biāo)準(zhǔn)碼流以利用窄帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，或?qū)��?biāo)準(zhǔn)碼流轉(zhuǎn)換為私有碼流以便將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接入其系統(tǒng)。從前文分析可以看出，這一技術(shù)實(shí)屬為克服無壓縮或私有碼流分布式系統(tǒng)自身缺陷、提高自身兼容性，從而滿足客戶需要所使用的無奈之舉。混合碼流技術(shù)將是分布式系統(tǒng)技術(shù)變革中的過度產(chǎn)物。隨著編碼技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化碼流的普及，采用混合碼流技術(shù)的分布式系統(tǒng)可能將會(huì)逐步消失。

    總結(jié)

    要讓分布式系統(tǒng)最大程度發(fā)揮其基于網(wǎng)絡(luò)的靈活多變的優(yōu)勢(shì)，低帶寬占用與兼容性是最關(guān)鍵的兩個(gè)因素。同時(shí)解決這兩個(gè)問題才能真正釋放分布式系統(tǒng)的巨大潛力。合理的利用現(xiàn)代國際標(biāo)準(zhǔn)編解碼技術(shù)是目前對(duì)以上問題最完美的解決方案。因此隨著技術(shù)的發(fā)展，分布式系統(tǒng)將會(huì)越來越多的采用壓縮碼流技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展出更多應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)分布式技術(shù)的普及 。