視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)及轉(zhuǎn)碼實(shí)現(xiàn)詳解

　　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(jù)路由的不同及干線帶寬的限制，實(shí)際傳輸?shù)乃俾蕰?huì)更低。對(duì)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)和傳輸所需時(shí)長(zhǎng)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(yīng)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(dǎo)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(jié)目視頻數(shù)據(jù)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(zhuǎn)碼的視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)解決這個(gè)問(wèn)題。

　　我們可以根據(jù)具體需要，將節(jié)目視頻數(shù)據(jù)通過(guò)軟件轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)包，通過(guò)公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以 FTP 的方式將這些數(shù)據(jù)包發(fā)送給異地的接收端，并提供數(shù)據(jù)校驗(yàn)手段。接收端在收到各個(gè)數(shù)據(jù)包后，將這些數(shù)據(jù)包和并編碼為接收端指定的數(shù)據(jù)編碼方式，在這個(gè)過(guò)程中如遇到數(shù)據(jù)包丟失，則接收端要求傳輸方重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包，而不需重新將視頻數(shù)據(jù)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(yuǎn)方的電視臺(tái)。兩地之間無(wú)專(zhuān)用視頻信號(hào)傳輸線路或?qū)Ｓ镁€路租金過(guò)于昂貴，公用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入?yún)s很方便。拍攝的原素材為 DV 的壓縮編碼格式，電視臺(tái)的編輯和播出系統(tǒng)使用的是 MPEG-2 的壓縮編碼格式。為了達(dá)到快速、高效、廉價(jià)的將節(jié)目素材傳回電視臺(tái)，可以采用以下的工作方式。

　　首先使用移動(dòng)非線性編輯系統(tǒng)本機(jī)上的軟件轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)將源視頻數(shù)據(jù)( DV )轉(zhuǎn)碼為用戶(hù)指定編碼方式和碼流的視頻數(shù)據(jù)文件。編碼方式和碼流的指定根據(jù)用戶(hù)的具體需要，如對(duì)注重內(nèi)容性的突發(fā)新聞和一些不需要進(jìn)行再次復(fù)雜編輯的視頻數(shù)據(jù)，用戶(hù)可以選擇適當(dāng)?shù)臓奚曨l數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(fèi)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(qū)別。隨后將 MPEG-4 文件拆分為若干個(gè)數(shù)據(jù)包。通過(guò) FTP 方式將這些數(shù)據(jù)包發(fā)送到遠(yuǎn)端的電視臺(tái)接收端。接收端將這些文件合并后得到的 MPEG-4 文件，根據(jù)用戶(hù)指定的碼流和編碼方式，通過(guò)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)將該文件轉(zhuǎn)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(jù)自身需要及網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行靈活調(diào)整;用戶(hù)可以對(duì)視頻數(shù)據(jù)圖像質(zhì)量進(jìn)行控制，可以在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)改變圖像的分辨率及編碼方式;將視頻數(shù)據(jù)文件拆分成若干的數(shù)據(jù)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(xù)傳的功能;用戶(hù)在拆分和合并數(shù)據(jù)包時(shí)可以加入自定義的加密解密方式，可以使數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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?shù)木幋a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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼為高碼流的編碼方式時(shí)，只會(huì)在視頻數(shù)據(jù)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(jù)自己的需求，通過(guò)調(diào)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(zhuǎn)碼系統(tǒng)在這個(gè)工程中主要用于改變視頻數(shù)據(jù)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(duì)傳輸?shù)膱D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(duì)如何利用轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)進(jìn)行高效的視頻素材數(shù)據(jù)的收錄工作的分析，從而探討轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)應(yīng)用的另外一種側(cè)重，即對(duì)視頻數(shù)據(jù)編碼的封裝方式和冗余信息的轉(zhuǎn)碼，而較少的觸及視頻數(shù)據(jù)內(nèi)容本身的編碼方式和碼流大小，提高不同數(shù)字視頻設(shè)備產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)的通用性，并且減少傳輸中的編解碼環(huán)節(jié)對(duì)視頻數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

　　二、轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)在集中收錄系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　我們?cè)诨?Ma trox DigiSuite DTV 板卡的節(jié)目制作網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)一個(gè)集中上載系統(tǒng)，目的是改變傳統(tǒng)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(wěn)定性和編碼的靈活性進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的集中上載。通過(guò)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)將服務(wù)器產(chǎn)生的視頻文件格式轉(zhuǎn)換為編輯系統(tǒng)可以使用的視頻數(shù)據(jù)格式，同時(shí)將衛(wèi)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(zhuǎn)碼系統(tǒng)引入編輯網(wǎng)絡(luò)中。從而提高視頻數(shù)據(jù)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(fèi)的非編輯占機(jī)時(shí)間，并且將不同壓縮編碼格式的視頻數(shù)據(jù)方便的引入編輯系統(tǒng)中來(lái)。

　　該方案的工作原理是利用帶存儲(chǔ)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(jié)，視頻輸入通道分別與錄像機(jī)、攝像機(jī)、切換臺(tái)等傳統(tǒng)前期節(jié)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(jié)目素材上載，以視頻服務(wù)器所提供的視頻文件格式存儲(chǔ)在服務(wù)器本機(jī)存儲(chǔ)單元內(nèi)。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(jī)連接，利用標(biāo)準(zhǔn)的 FTP 協(xié)議將服務(wù)器內(nèi)的視頻文件，通過(guò)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)傳輸至節(jié)目制作網(wǎng)絡(luò)的硬盤(pán)存儲(chǔ)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(qiáng)的靈活性。傳統(tǒng)使用 SDI 、模擬復(fù)合分量接口的設(shè)備可以使用視頻服務(wù)器連接上載，而對(duì)提供千兆以太接口的設(shè)備，如硬盤(pán)錄像機(jī)、 SONY 的帶標(biāo)準(zhǔn)以太接口的錄像機(jī)設(shè)備及基于文件系統(tǒng)的藍(lán)光盤(pán)攝錄設(shè)備、 P2 卡設(shè)備等，都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太接口和集中上載系統(tǒng)中的千兆交換機(jī)連接，通過(guò) 422 控制或以太網(wǎng)絡(luò)和控制環(huán)節(jié)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(shè)備時(shí)，對(duì)集中上載的系統(tǒng)配置和控制操作無(wú)需進(jìn)行大的調(diào)整或更改。轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)在集中收錄系統(tǒng)中處于核心地位。

　　轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)碼服務(wù)器、轉(zhuǎn)碼調(diào)度服務(wù)器、用戶(hù)控制界面和相應(yīng)的以太網(wǎng)絡(luò)及 Fiber Channel 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接交換設(shè)備組成。其中具體負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)碼工作的轉(zhuǎn)碼服務(wù)器是一臺(tái)或幾臺(tái)帶有千兆以太及 FC 接口的高性能計(jì)算機(jī)設(shè)備。視頻數(shù)據(jù)通過(guò)千兆以太接口進(jìn)入轉(zhuǎn)碼服務(wù)器，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)碼處理后通過(guò) FC 端口輸出至節(jié)目制作網(wǎng)絡(luò)的硬盤(pán)存儲(chǔ)陣列或者其它存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)控制界面對(duì)轉(zhuǎn)碼調(diào)度服務(wù)器進(jìn)行配置調(diào)整，指定轉(zhuǎn)碼的編碼方式及碼流。轉(zhuǎn)碼調(diào)度服務(wù)器通過(guò)以太連接控制轉(zhuǎn)碼服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)碼工作。轉(zhuǎn)碼服務(wù)器可以在視頻數(shù)據(jù)從千兆以太接口輸入到從 Fiber Channel 接口輸出的數(shù)據(jù)遷移過(guò)程中，改變視頻數(shù)據(jù)的編碼方式或文件封裝的格式，將視頻數(shù)據(jù)文件由視頻服務(wù)器所支持的文件格式轉(zhuǎn)換為編輯環(huán)境所識(shí)別和可使用的視頻文件格式。同樣的，對(duì)于可以提供千兆異步接口的視頻設(shè)備均可通過(guò)網(wǎng)關(guān)和千兆以太網(wǎng)絡(luò)連接，在數(shù)據(jù)遷移中進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)碼工作

　　在這種工作方式下，轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)可以盡可能的減少對(duì)視頻數(shù)據(jù)本身的編碼方式和碼流大小進(jìn)行改變。比如對(duì)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(shù)據(jù)，均可以高效、方便的引入編輯系統(tǒng)中，而不需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)容數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)的編解碼工作，從而避免了由于傳輸環(huán)節(jié)造成的圖像質(zhì)量損失。

　　由于純粹的轉(zhuǎn)碼運(yùn)算工作在這項(xiàng)任務(wù)中已經(jīng)不是轉(zhuǎn)碼速度的瓶頸，轉(zhuǎn)碼時(shí)間的大小取決于數(shù)據(jù)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(zhǎng)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(jié)

　　上面兩個(gè)工程實(shí)例代表了轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)在兩個(gè)側(cè)重方向上的應(yīng)用，轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)在移動(dòng)非線性編輯傳輸視頻數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)改變碼流減少了碼流的大小，從而提高了傳輸?shù)乃俣?，并通過(guò)文件拆分的方式，將大塊整體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾K分散的數(shù)據(jù)，從而降低了由通道的不穩(wěn)定帶來(lái)的傳輸風(fēng)險(xiǎn)。而在集中收錄系統(tǒng)應(yīng)用轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)時(shí)，利用高速穩(wěn)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(shù)據(jù)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(duì)這兩個(gè)具體工程中的應(yīng)用分析，可以看到轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)在視頻領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)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(shè)備才能進(jìn)行的視頻數(shù)據(jù)編解碼、碼流轉(zhuǎn)換等工作，現(xiàn)在通過(guò)日益強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以利用轉(zhuǎn)碼軟件來(lái)完成。同時(shí)轉(zhuǎn)碼技術(shù)在視頻數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和通用性增強(qiáng)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(zhuǎn)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(jí)專(zhuān)業(yè)視頻設(shè)備投入的成本，增強(qiáng)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(nèi)已經(jīng)有相當(dāng)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(jī)和藍(lán)光盤(pán)設(shè)備上的應(yīng)用，如半導(dǎo)體存儲(chǔ)設(shè)備在 P2 卡上的應(yīng)用等等。我們相信，這種基于軟件的轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的工作模式將會(huì)是專(zhuān)業(yè)視頻領(lǐng)域內(nèi)的下一個(gè)成果范例，并會(huì)帶來(lái)視頻領(lǐng)域內(nèi)的另一場(chǎng)變革。