三屏合一轉碼系統中轉碼和集群系統技術分析

劉 彤

（北京數碼視訊科技股份有限公司，北京 100085）

當前，“一云多屏”已成為廣電行業乃至電信互聯網行業的潮流趨勢，其核心是用戶體驗，在不同終端形成無縫的視頻資訊傳輸、互動和定制的統一服務，豐富用戶在不同環境下的體驗。鑒于廣電網絡、電信網絡和互聯網的改善，手機、平板電腦和數字電視的快速發展，網絡和終端已經不再是用戶體驗視頻服務的障礙，但如何將好的節目轉換成為適合不同終端不同網絡的節目源已經成為多屏業務發展的主要問題[1-4]。本文重點討論如何提高轉碼系統的處理能力，以適應三屏合一這一市場需求。

1 多屏業務的市場需求和前景

多屏平臺可用于IPTV、網絡電視、手機電視和CMMB等，用戶通過計算機、平板電腦和智能手機收看直播電視、視頻點播以及時移電視等，良好的用戶體驗將吸引大量的客戶購買廣電的服務。隨著用戶數量的快速增長，預計在2012年，全球的三屏業務收入將達到186億美元，將成為運營商增加收入的重要途徑。隨著用戶數量的增加，三屏業務也必將為運營商帶來豐厚的利潤。現在，國內外多家運營商已經在這一領域開始發力，多業務、多終端的豐富運營模式成為未來發展的主流：在國外，AT&T已經開始運營三屏業務，向電視、電腦和手機用戶提供電視業務；在國內，包括CNTV、百事通和華數等多家網絡電視臺都建立了相應的多屏轉碼系統，搶占了國內三屏市場。

面對多屏市場的機遇，運營商卻面臨著節目源轉碼能力的限制。隨著新媒體內容的爆發性增長，受制于轉碼能力，用戶卻無法觀看到需要的節目。怎樣才能提高并且充分利用轉碼系統？答案是提高單臺設備的視頻轉碼能力，以及采用集群系統實現負載均衡。

2 視頻轉碼

從技術角度上講，提高單臺設備視頻轉碼能力包括選擇合適的碼率轉換方法、空間分辨率轉換算法優化、提高時間分辨率轉換和編碼格式轉換技術精確度。

2.1 碼率轉換

為了適應不同網絡的傳輸要求，轉碼設備需要通過一定的方法降低視頻的碼率，確保轉換后的視頻能夠在不同的終端上播出。視頻碼率轉換方法主要有4種，他們的難度依次遞增，同時轉碼效果也和運算量成正比。第1種方法是通過丟棄部分高頻DCT系數，截斷高頻部分DCT分量，雖然丟棄高頻系數會導致圖像部分細節的缺失，但在不影響觀看的前提下，保證了碼流輸出符合要求。第2種是對第1種方法的優化，根據分析選擇合適的量化步長，量化解碼后的頻域系數來降低輸出碼率。上述兩種采用的是開環系統，計算的復雜度降低很多，同時也犧牲了圖像質量。第3種方法是在不改變視頻的編碼模式和運動矢量的基礎上對圖像重新編碼，避免在編碼模式的重新選擇和運動估計占用資源。第4種方法是這4種方法中效果最好的，但同時也是運算量最大的。需要從視頻流中提取對應的編碼信息，通過運動矢量優化并做一次IDCT和DCT，這樣就提高了運動估計的精準性。后兩種方法采用閉環系統，對解碼圖像進行了重建，對各宏塊的殘差進行了重新估計，雖然計算復雜度較高，但在反饋了參考幀圖像基礎上獲得了較好的圖像質量。

2.2 空間分辨率轉換

為了能夠使高質量高分辨力的視頻在分辨力較低的終端上顯示，這就需要空間分辨力轉換。通過添加模塊，在“全解全編”架構中將視頻的分辨力進行由高到低的變換。分辨力轉換的算法有以下3種，分別是下采樣算法、運動矢量映射算法和伸縮算法。下采樣算法是通過改變原有的采樣方式，減小圖像的尺寸來降低分辨力，方法包括像素平均法，把原來2×2像素變為一個新的像素；濾波采用法，對通過濾波器濾波后的新像素進行抽樣。運動矢量的伸縮算法和映射算法，是指通過運動矢量的縮放效應,對視頻圖像壓縮，從而達到降低空間分辨力的效果，其低分辨力圖像的新宏塊與原來的多個宏塊對應，之后采用一定的映射算法計算出這些新宏塊的具體運動矢量，這些方法包括平均值法、中值法以及隨機選取其中一個矢量作為參考宏塊的當前運動矢量，最后將所得的該運動矢量與分辨力的壓縮比作除，從而在低分辨力圖像下獲得最終的運動矢量。

2.3 時間分辨力轉換

時間分辨力轉換是指把原來視頻序列的幀率以一定的方法進行由高向低的變換，這樣就會減少對解碼設備處理能力的依賴，保證在終端設備分辨力低、處理能力弱、帶寬小的情況下視頻的正常播放。時間分辨力轉換的方法主要有3種，分別是丟幀、幀類型轉換和運動矢量合成算法。降低幀率的方法不是簡單的丟棄幀，而是通過丟棄幀的運動信息合成新的運動矢量。由于丟棄B幀不會對I和P幀有任何影響，所以丟幀的策略是首先丟棄B幀。另外，跳幀策略是根據運動矢量的積累程度來選擇。幀類型轉換主要是指B幀到P幀的轉換，多向的運動矢量變換為前向運動矢量。運動矢量合成算法是采集棄幀中的相關運動信息，通過合適的運動矢量合成算法，合成新的運動矢量，這種方法利用了運動矢量的相互關聯關系。

2.4 編碼格式轉換

為了將原始視頻的編碼格式轉換成終端所需的解碼格式，通過先解再編對編碼格式進行轉換。現在主流的視頻編碼格式包括H.264，MPEG-4，MPEG-2和AVS等，由于H.264的技術較為先進，在不降低畫面效果質量的情況下大大降低了碼率，也就是具有較高的編碼效率，現在成為主流的高清乃至標清小屏幕設備主要視頻編碼格式。因此，在從其他編碼標準到H.264編碼轉換的過程中，利用陣內圖像預測、運動估計多模式選擇等方法，通過多參考幀、多編碼模式以及1/4像素運動估計等方法對視頻圖像進行優化，這樣在保證圖像質量的前提下降低了運算量。

基于以上的技術分析，在面對不同的轉碼需求時選擇合適的轉碼方法，運用先進的算法，這樣才能提高轉碼器的轉碼能力。

3 集群系統

轉碼工作不僅僅需要轉碼器具有強大的轉碼能力，還需要通過轉碼集群管理平臺管理轉碼器實現充分調度，使轉碼器的轉碼能力最大化。轉碼集群管理平臺可同時管理多個轉碼器，負責檢測系統中轉碼器的狀態，當轉碼器出現故障時，從備份轉碼器中選取冗余的轉碼器進行熱備。轉碼集群管理包括負載均衡、冗余備份、任務調度以及轉碼緩沖管理。

以一個來自CDN網絡的轉碼請求媒資轉碼為例，內容分發網絡向轉碼集群發送轉碼任務請求，轉碼集群服務器根據負載情況自動選擇一臺轉碼服務器，設置輸入和輸出目標，啟動轉碼。轉碼服務器可以在向內容分發網絡提供內容的同時向緩沖中寫入文件，轉碼集群負責維護轉碼輸出的文件Cache，下次當同一個轉碼任務發出時，如果轉碼結果存在于文件Cache中，轉碼集群管理服務器將不再啟動轉碼，直接返回該文件的訪問鏈接，通過這種方式，可大大降低轉碼集群的壓力，節省運營商的投入成本。

轉碼集群管理服務器對于轉碼集群的管理采用分組調度的方式，典型的一種是在邏輯上根據不同的應用對轉碼服務器分組，對于一個任務的冗余調度在其組內實現，當有設備出現故障時，可以從冗余組中選擇一臺服務器進行備份，對于不同的組，用戶可以選擇不同的負載均衡策略，固定提供最大資源利用、平均分配等策略可供用戶選擇，其示意圖如圖1所示。

轉碼集群管理服務器對轉碼緩沖管理采用先進先出和熱度調度兩種策略，先進先出即簡單的最先生成的文件當緩沖滿時最先清除，熱度調度策略類似于現在計算機內存管理策略，根據當前文件的熱度和生成時間作為緩沖清除判斷依據，兩種策略應用于不同的應用場景，前者適用于內容分發網絡屏蔽了用戶請求的環境，后者適用于內容分發網絡直接傳遞用戶請求的場景。可根據用戶的使用環境選擇，并且易于擴展。

相對于傳統的單機轉碼器，轉碼集群可以實現負載均衡、冗余備份、任務調度以及轉碼緩沖管理，可以將多臺轉碼器的轉碼能力充分利用，解決傳統多臺轉碼器同時工作時無法調度、負載不均等缺陷。因此，集群系統將取代傳統的多臺設備疊加，成為未來技術發展的主流。

4 小結

高性能的轉碼器和轉碼集群系統解決了運營商在推廣多屏業務的轉碼較難處理等問題。為此，數碼視訊推出了以xStream 2000為核心的多屏轉碼集群系統，提供高并發的任務響應，將各種輸入轉化為適合各種終端的視音頻格式。隨著國內三網融合步伐的邁動，各大運營商對三大網絡業務應用的融合已經拉開了帷幕，多屏編轉碼集群系統通過將媒資和實時節目轉化為適合各個網絡傳輸的媒體格式，使得各大運營商能以較小的投入輕松打開現有網絡壁壘，將為三網融合在業務層面的融合打下堅實的技術基礎，為廣大人民群眾提供更加便捷、豐富的文化消費，提供更好的互動體驗，從而滿足廣大人民群眾日益增長的精神文化需要。

：

[1]上海貝爾.上海貝爾“多屏”解決方案[EB/OL].[2011-03-03].http://www.ccidcom.com/html/anliku/yewuwanga/201003/27-101463.html

[2]韋樂平.三網融合的思考[J].電信科學，2010（3）：1-6.

[3]溫建偉，王厚芹.國際三網融合進程評價與啟示[J].電視技術，2010，34（6）：113-115.

[4]張黎晨.“三網融合”:中國廣播電視發展的新機遇[J].電視技術，2010，34（6）：116-117.