高清數字電視轉碼傳輸應用

□馬 翔 鄭躍華

目前地面數字電視及衛星數字電視的影像數據均以MPEG-2 格式發送，以相同畫質為前提進行比較，MPEG-2的數據量比H.264 的數據量大，不利于高清視頻圖像的存儲及網絡傳輸，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動態圖像專家組(MPEG)聯合組成的聯合視頻組(JVT，Joint Video Team)提出的高度壓縮數字視頻編解碼器標準。它是MPEG-4 技術的一個子集。H.264 具有較強的抗誤碼特性，可適應丟包率高、干擾嚴重的無線信道中的視頻傳輸。H.264 支持不同網絡資源下的分級編碼傳輸，從而獲得平穩的圖像質量。因此，H.264 編碼方式正被越來越多的廠商、運營商選擇。

H.264 的相關工作組織最早把H.264 分為三個檔次：基本類、擴展類和主類，分別對應普通低延時視頻流領域、網絡移動領域和高清視頻領域。隨后，在這三個檔次基礎上逐漸擴展到了十多個分類(主要是功能上的分類)。現在，我們在常見的編碼軟件里能看到分類主要有四個：基本類(Baseline Profile)、擴展類(Extended profile)、主類(Main profile)和高級類(High profile)。其中高級類(High profile)已經應用于DVB、HD-DVD 等廣電和存儲領域。四個分類的區別有：基本類為基本畫質，支持I/P 幀，只支持無交錯(Progressive)和CAVLC。擴展類為進階畫質，支持I/P/B/SP/SI 幀，只支持無交錯(Progressive)和CAVLC。主類為主流畫質，提供I/P/B 幀，支持無交錯(Progressive)和交錯(Interlaced)，也支持CAVLC 和CABAC。高級類為高級畫質。在主類的基礎上增加了8×8 內部預測、自定義量化、無損視頻編碼和更多的YUV 格式。

高級類適用于數字電視傳輸的主要編碼參數設置為：

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。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頂盒上解碼播放，所以建議選擇4.1。

Mode（編碼模式）。設置編碼視頻時所采用的編碼方式可選項有固定比特率、動態比特率、二次編碼、三次編碼。目前，市場上絕大部分高清機頂盒僅支持固定比特率的視頻，因此，此項我們選擇固定比特率。而比特率具體數值依片源而定，一般數值越大，畫質越好。而過大的數值是沒有意義的，因為一方面H.264 的編碼效率很高，過大的數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字電視傳輸。

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

Motion estimation algorithm （動態預測算法）。可選項有：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 方式進行全面搜索）。編碼耗時依次增大，畫質同樣也越來越高。考慮到片源的時效性和編碼效率，這里建議選擇Hexagonal 或者Uneven Multi-Hexagon。其實在現有條件下，選擇Exhaustive或者更高的Hadamard Exhaustive 算法已經沒有太大意義，在50 寸顯示終端上憑借肉眼已經看不出二者的區別，除非定幀之后用專業器材對比。

Motion search radius（動態搜索半徑）。該項的取值范圍在1－64 之間。需要注意的是，此項只有在動態預測算法中選擇了Uneven Multi-Hexagon、Exhaustive 或Hadamard Exhaustive 才有效。因為Diamond 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，那么該項建議設置為16。

Encode interlaced（編碼交錯模式）。 該項主要針對隔行掃描設置，如果開啟該項，那么視頻源將會被編碼成隔行掃描的；反之如果關閉該項，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 獨有的高效率熵編碼方式，全稱叫內容自適應二進制算術編碼。它能夠帶來比常用的CAVLC 編碼更高的壓縮效率和畫面質量。在相同畫質的前提下，CABAC 可以節省20%左右的帶寬。但是，使用CABAC 編碼會增大編、解碼的計算量，因此，如果使用CABAC 編碼，會增加編碼時間；如果關閉該項，則自動使用CAVLC 編碼。該項建議開啟。

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

Deblocking filter（自適應環路去塊濾波器）。 H.264 采用一種自適應解塊濾波器，它會在預測回路內對水平和垂直區塊邊緣進行處理，用于消除塊預測誤差造成的失真。這種濾波是基于4×4 塊邊界為運算基礎，其中邊界各邊的3 個像素可通過4 級濾波器進行更新。開啟該項之后會有兩個參數需要設置：Alpha parameter 和Beta parameter，分別代表該項Alpha 和Beta 兩個參數，參數范圍均在-6—+6。Deblocking filter 能夠有效的解決低碼率編碼造成畫面過渡時出現的大面積色塊以及灰階不自然現象。如果不開啟，則要保證同樣的畫面質量，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行H.264 編碼過程中，對最終畫面畫質、編碼速度有影響的幾個代表參數的介紹。

數字電視信號在有線電視HFC 網內的傳輸，核心是信號對網絡的適配問題。模擬電視信號數字化、壓縮即信源編碼，解決了用數字比特代表連續的模擬信號和速率對網絡的適配。那么如何解決傳輸對網絡的適配，使用戶達到滿意的接收，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目進行數字化，壓縮編碼等過程，將MPEG-2傳輸流（MPEG-2 TS）格式轉換成H.264 格式后再進行傳輸。如原來CCTV-1 高清MPEG-2 傳輸流格式有16Mbps ，轉碼成H.264 格式后大概7 Mbps 進行傳輸。數字電視接收通道由調諧器接收數字電視信號，將數字中頻信號輸出到數字電視信號解調單元，解調出數字信號，經過誤碼修正(FEC)、解密(DES)、解復用(Demux)、MEPG-2 解碼。一路輸出解壓后的標準的數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字伴音信號(I2S)到音頻信號處理放大通道。數字電視接收通道決定了數字電視接收的主要性能指標，諸如接收靈敏度、對應載噪比的誤碼率(BER vs. C/N)、干擾抑制、回波抑制、I/Q 不平衡等。因為在視頻的編碼過程中，耗用時間、畫面質量、文件體積(碼率)是成正比關系的。而在數字電視傳輸過程中，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、聲音質量。所以，選擇一個合適的轉碼參數在有的限帶寬內，達到畫、音質和時間上的平衡是非常重要的。

由于有線網絡的頻率資源比較緊張，傳輸一套高清電視節目要占用4-5 套標清數字電視節目的帶寬。原來一個8 M 的模擬標準頻道以64QAM 方式，6.875 的符號率可以傳輸6-8 套標清數字電視節目，標清數字電視節目的碼流一般在5M 左右。而用于傳送高清電視節目時只能傳送一套高清電視節目，高清電視節目的碼流大小一般為20－27M，傳送2 套高清節目時碼率在40M 以上，超出了QAM 調制器在640AM 方式下38M 的正常工作范圍，因而無法在一個8M 的模擬標準頻道內傳輸兩套高清電視節目，但是如果經過轉碼后就可以實現。H.264 是現階段一種非常優秀，非常適合應用于廣電網絡高清數字電視傳輸的視頻編碼方案。