視頻轉碼研究綜述

摘 要:視頻轉碼使得不同視頻數據格式之間能夠互相兼容，在視頻應用中有很高的實用價值。主要綜述視頻轉碼原理、視頻轉碼體系結構、視頻轉碼技術、視頻轉碼算法等關鍵問題，在此基礎之上展望視頻轉碼技術的未來應用前景。

關鍵詞:轉碼原理;轉碼體系結構;轉碼技術;轉碼算法

中圖分類號:TP

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)08-0280-02

1 引言

在通用的多媒體訪問中，終端的數據處理能力和顯示能力不同，接入網的帶寬、誤碼率和丟包率等信道特性不同，用戶的感興趣內容不同，因此，傳輸的數據需要動態地適應用戶環境的變化。轉碼正是解決這一問題的重要技術之一。轉碼還可用于在壓縮視頻流中增加公司標識、水印以及抗誤碼特性，數字視頻快進、回放等模式的支持和視頻點播等方面。

2 視頻轉碼含義

從狹義上講，視頻轉碼是指將視頻數據從一種格式轉換為另一種格式，格式包括編碼標準、碼率、幀率和空間分辨率等。視頻轉碼既包括按相同的視頻編碼標準壓縮的碼流間轉換(以下簡稱“同構視頻轉碼”)，也包括按不同視頻編碼標準壓縮的碼流間相互轉換(以下簡稱“異構視頻轉碼”)。視頻轉換編碼，簡稱轉碼，是指視頻從一種格式到另一種格式的轉換，其中格式是由碼率、幀率、空間分辨率及編碼語法所表征。

從廣義上講，所有對視頻流的操作都可被視為視頻轉碼，例如在視頻流中嵌入圖標、水印信息以及加入差錯抑制特征的數據等。視頻轉碼近年得到了廣泛的重視，在IEEE等權威期刊和國際會議上已有較多的文獻。

視頻轉碼實現了編碼、存儲和傳輸、解碼的分離，使得壓縮后固定格式的多媒體數據能夠被靈活地傳輸和訪問，其主要目的就是使得異質網絡之間、不同的接入設備之間以及不同視頻數據格式之間能夠互相兼容。

3 視頻轉碼原理

最直接的視頻轉碼方案就是將一個視頻解碼器與一個視頻編碼器進行直接的級聯。視頻解碼器首先將輸入視頻流完全解碼至空域(像素域)，然后利用視頻編碼器將解碼后的圖像根據分辨率、碼率、編碼標準等要求進行重新編碼。直接級聯的轉碼具有非常高的計算復雜度，而且解碼與編碼的級聯通常會給圖像質量帶來額外的失真。因此，轉碼研究需要考慮包括計算復雜度、存儲復雜度、視頻質量和轉碼靈活性等多種因素影響下的最佳折中。與一般的視頻編碼不同的是，原始的視頻碼流中己包含了第一次編碼時的信息，這些信息往往反映了原始視頻序列的部分統計特性，如:紋理狀況、運動趨勢、場景變換等等。視頻轉碼在解碼的過程中可以得到這些信息，并可利用這些信息來加速和優化編碼過程。目前的視頻編碼框架均是通過對直接級聯轉碼結構上進行部分簡化和模塊合并建立起來的。

4 視頻轉碼的體系結構

4.1 空域轉碼

空域結構的轉碼器(sDTA)在編碼端和解碼端各有一個環路，使得兩者能獨立地、無漂移誤差地工作。它支持不同碼率、幀率、分辨率以及標準間的轉換。這種結構的轉碼器也存在缺點，就是運算復雜，不支持實時性業務。因此，在實際的應用中可根據實際需要去處某些模塊以達到提高運算效率的目的。

4.2 頻域轉碼

考慮到DCT/DICT是線性運算，因此空域轉碼模型可以等價地用一種結構更簡單的頻域轉碼模型來代替。與空域轉碼模型類似，當視頻序列的分辨率不需改變時，頻域轉碼模型也可作進一步的簡化。在頻域轉碼結構中，變換和反變換被省略。相應地，運動補償在頻域中進行，并只需要比空域更少的運算量。

頻域轉碼結構減少了運算復雜度，但仍然存在一些問題。盡管從理論上DCT/DCT是線性可逆的運算，但由于系數精度和截斷的影響，產生了非線性的因素，同樣，在亞像素運動補償插值中，也會出現非線性的操作。這使得頻域轉碼不可避免地會受到“漂移誤差”(drift eorr)的影響。

4.3 混合轉碼

空域轉碼結構具有較好的轉碼性能，并不受漂移的影響;頻域轉碼結構可以有效地減少運算量?；旌限D碼框架基于此，利用兩種結構的組合，可以有效地達到速度和質量的折中。

5 視頻轉碼技術

5.1 模式選擇

視頻轉碼中的宏塊模式選擇主要處理以下兩類問題:轉碼前視頻標準里定義的一些宏塊模式是轉碼后的標準里沒有定義的;在降低分辨率的轉碼中，使轉碼前的多個宏塊在轉碼后就成為了一個宏塊。

5.2 重量化

在視頻轉碼中，重量化通常在頻域轉碼結構中用于降低碼流比特率，進行比較粗糙的碼率改變。重量化是進行碼率控制的一種重要手段。

5.3 碼率控制

視頻編碼中碼率控制的關鍵問題在于如何在給定的應用環境限制(如信道帶寬、時延等)下，通過確定量化參數來達到最佳的圖像質量。和模式選擇、運動估計一樣，碼率控制的方案并不影響編碼器與解碼器之間的匹配。

6 視頻轉碼主要算法

6.1 同類視頻轉碼

同類視頻轉碼指把同一種編碼標準的視頻數據流從適合某一傳輸環境的壓縮形式轉換成適合于另一傳輸環境的壓縮形式。轉碼器中主要有四大模塊，即編碼模塊、解碼模塊、圖像尺寸變換模塊以及碼率控制模塊。主要有空間分辨率轉碼、碼率轉碼以及運動矢量重用等算法。

6.2 不同類視頻轉碼

為提供不同視頻壓縮編碼標準間的互操作性，需要將視頻壓縮碼流從某一種壓縮標準轉碼成為另一種視頻壓縮標準的碼流，稱為不同類視頻轉碼。這種轉碼可以為不同條件的網絡間提供透明的連接，一般用于具有相似壓縮算法的標準間的轉換。不同類視頻轉碼器的設計思想是在充分分析不同標準間異同的基礎上，采用類似于同類碼流間視頻轉碼的結構和算法來設計、研究視頻轉碼的基本結構。

7 視頻轉碼應用展望

視頻轉碼技術對壓縮的視頻碼流進行端到端的處理，使得轉碼后的壓縮碼流更能適應傳輸信道帶寬以及接收端的要求。視頻轉碼技術能夠靈活地支持多種媒體格式，并且具有較高運算能力、低成本和靈活等的特點，它已成為數字多媒體服務發展的一項重要技術。

視頻轉碼技術在未來幾年還將是數字媒體網絡網關的關鍵技術和應用熱點。首先，不同類型的轉碼都可能滿足特定的要求，動態地確定一個優化的轉碼策略是一個有待解決的優化問題。它需要根據視頻轉碼的特點和率失真理論聯合優化比特分配和緩沖區控制問題，以在轉碼質量、有效性、可靠性及安全性等方面取得最佳平衡。其次，視頻轉碼質量的客觀評價研究較少，特別是如何將人眼的主觀評價及不同的約束條件融入客觀評價過程值得研究。

隨著各種新的視頻編碼標準的制定、計算機軟硬件技術和網絡技術的發展，要有效地解決同一框架內部和不同框架之間的視頻轉碼問題，就需要從轉碼基礎理論出發，建立一種通用的視頻轉碼框架。在這一方面，視頻轉碼在理論研究和應用技術方面仍有許多工作要做。

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