基于IPTV點播業務的視頻分段式轉碼方案的研究與應用

一、分段式轉碼方案的原理

(一)分段式轉碼的原理

視頻轉碼技術，是在通過某種手段改變現有視頻數據的編碼方式。大體可以分為不同編碼格式之間的視頻數據轉碼不同編碼格式之間的數據轉碼和相同編碼格式之間的視頻數據轉碼相同編碼格式的數據轉碼兩種。分段式轉碼的特點是在轉碼前將待轉視頻文件拆分為多個小段，然后分別對這多個小段進行視頻轉碼得到多個小段目標視頻，再封包成一整段完整的目標視頻。

(二)分段式轉碼方案的優勢

1.在轉碼單個視頻時可以最大化利用轉碼機器的性能，可以根據單臺轉碼機器或多臺轉碼機器設置分段數量，從而縮短總的轉碼時間。

目前的轉碼方案都是可以多路任務并列轉碼的，當遇到單個視頻文件轉碼時，只能使用一路轉碼通道，閑置的剩余通道的轉碼能力，效率較低。而分段式轉碼可以將單個視頻分成多個小段，充分利用目前轉碼方案的轉碼能力。

2.在轉碼“4K”視頻時可以縮短轉碼時間，提高轉碼效率。目前視頻轉碼都是通過轉碼軟件，由CPU或GPU計算完成轉碼。軟件轉碼對機器的配置要求較高，轉碼效率低，單路轉碼只能用到1-2個CPU核心，并不能發揮現在CPU多核心的性能，而分段式轉碼可以通過多個轉碼進程同時分段轉碼來縮短總的轉碼時間，提高轉碼效率。

3.分段轉碼容錯率高。視頻轉碼實際上就是對視頻信號進行二次編碼處理的過程，二次編碼面臨的條件比一次編碼更為復雜，它的前端很可能不再是一個原始的未經處理的圖像信號，而是通過某種編碼方式處理后壓縮信號，在轉碼過程中難免會出現一些常見的轉碼錯誤，如音視頻不同步，視頻馬賽克，音頻失真等，這些錯誤往往只有幾幀或幾秒鐘。對于現有的轉碼方案，只能重新進行轉碼，來確保目標視頻的正確性。而分段式轉碼可以針對問題視頻段進行單獨重新轉碼，替換問題視頻段后再次封包視頻，從而縮短視頻糾錯時間，提高轉碼效率。

二、分段式轉碼方案的研究

(一)視頻分段方案

視頻分段即將視頻分割成多個片段。為降低視頻在轉碼過程中多次轉碼造成的損耗，視頻分割的過程應選用無損分割的方式。選擇分段工具——例如開源軟件BoilsoftVideoSplitterPortable，可將視頻無損等時拆封成多個小段，無需轉碼，拆分時間短，操作簡單。

(二)分段視頻的轉碼、編碼方案

一段完整的視頻往往由視頻、音頻兩部分組成，再由一個容器將音視頻封裝在一起。這樣，視頻轉碼的過程其實包含了視頻編碼、音頻編碼、音視頻封裝三個步驟。所謂視頻編碼方式就是指通過特定的壓縮技術，將某個視頻格式的文件轉換成另一種視頻格式文件的方式。視頻流傳輸中最為重要的編解碼標準有國際電聯的H.261、H.263、H.264以及最新的H.265，運動靜止圖像專家組的M-JPEG和國際標準化組織運動圖像專家組的MPEG系列標準，此外在互聯網上被廣泛應用的還有Real-Networks的RealVideo、微軟公司的WMV以及Apple公司的QuickTime等。

目前IPTV點播業務使用的視頻、音頻流編碼方案是h264+aac的組合。未來4K音視頻內容則是使用H.265編碼方案。拆分后的多段視頻使用現有的轉碼方案(計算機軟件轉碼和轉碼工作站離線轉碼)的同時，最大化利用現有轉碼方案的資源，提高轉碼效率的，得到符合IPTV點播標準的編碼視頻片段。

例如：計算機軟件轉碼方案

將需轉碼視頻文件拆分后的10小段視頻存儲在網絡共享盤，分別使用5臺計算機同時讀取轉碼，每臺計算機轉碼2段視頻，轉碼后的視頻都統一存放于網盤共享盤，當10段視頻轉碼完成，再進行合并，得到一個完整的轉碼后的視頻文件。

(三)視頻合成封包方案

視頻封裝格式(也叫容器)，就是將已經編碼壓縮好的視頻軌和音頻軌按照一定的格式放到一個文件中，常見的封裝格式與編碼方式有AVI、TS、RMVB、MKV、ASF、WMV、MP4、3GP、FLV等，我們以目前IPTV點播業務使用較多的封裝格式有TS和MP4為例。

1. TS封裝。 使用開源軟件tsMuxerGUI，按順序添加轉碼完成的10段目標視頻片段，將多段視頻整合成一段后綴名為.ts格式的視頻；

2. MP4封裝。使用開源軟件MP4Box，按順序添加轉碼完成的10段目標視頻片段，將多段視頻整合成一段后綴名為.mp4格式的視頻。

(四)分段式轉碼方案工作示意圖

(如圖1)

三、分段式轉碼方案的應用

(一)分段式轉碼在時間較長的視頻轉碼上的應用

圖1

時間較長的視頻是指節目時間較長的視頻，如各大衛視、央視的晚會類節目，專題類節目，以及綜藝類節目等，一般情況下節目時長會在 3-4 個小時。這類節目在平時制作時比較耗費時間，如果在轉碼過程中遇到問題就必須重新轉碼，而分段式轉碼方案的應用可以很好的解決這類視頻的轉碼問題。

分段式轉碼方案時間較長的視頻節目轉碼工作示意圖：(如圖2)

圖2

圖3

(二)分段式轉碼方案在“4K”視頻轉碼上的應用

“4K”視頻是指分辨率為4096×2160的視頻文件，故又被稱之為2160P，即橫向有4096個像素，縱向有2160個像素，其總像素超過了800萬，是目前常用高清標準1080P的4倍。清晰度的提升也就意味著數據量的增加，轉碼過程中對機器性能要求和轉碼需要的時間也必然增加。目前的轉碼方案可用計算機通過轉碼軟件Aiseesoft4KConverter來實現，但轉碼時耗長，并不能滿足日常工作的需要。而分段式轉碼方案的應用可以很好的解決這類視頻的轉碼問題。

分段式轉碼方案“4K”視頻節目轉碼工作示意圖：(如圖3)

四、總結

結合前面談到的兩種不同的轉碼需求中分段式轉碼方案的應用，不難看出分段式轉碼方案對于不同的應用環境都能選擇合適的轉碼方式以便達到最高效的轉碼效果。分段式轉碼方案整合了現有的轉碼資源，對其進行重新組合，最大限度發揮其性能，在單個視頻文件的快速的轉碼的工作需求中，提供了一個可靠、高效的轉碼方案。

參考文獻：

[1]張銳.數字電視轉碼技術的研究[J].計算機光盤軟件與應用，2012(9).

[2]龔玨，賀林龍.“4K”技術帶來的變化[J].藝海，2014(8).

[3]崔澎.未來的視頻依賴轉碼技術[J].電子產品世界，2008，7.