高清时代 (1)

这是一个“高清”的时代。

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客观地说,电视已渗透到数亿个中国家庭,成为社会存在的基本内容之一。甚至和衣食住行一样,成为人们不可或缺的生活要素。 电视也是第一个涉及高清的范围,也是高清主要涉及的领域。

但高清的范围可远远不只是一个HDTV就能解释得清楚的,它分别包括了高清DV、高清电脑、高清投影机、高清视频、高清影碟(蓝光和HD-DVD)乃至PS3、Xbox 360等高清游戏机,或许今后我们会碰过更多关于高清的定义以及名词。

今年,是高清发展迅猛的一年,我们不仅看见高清在传统领域里取得一定的进展,甚至触角已经伸到了PC行业。正因为现在高清播放机由于下一代蓝光存储阵营并未统一而无法得到发展,市面上少有的几个高清播放机要么是就是因为价格太高,要么就是小厂作坊DIY的产品,再加上成片片源十分稀少,现在担任高清播放器的重任只能落入PC的身上。

PC由于有通用处理器CPU的原因,只要性能够强,有输入端(网络片源),有输出端(HDTV,大尺寸显示器),就可以实现一个兼职高清播放器的功能。

不过高清视频并不是一个好相与的角色,尤其是1080P以及现在动则20mbps码率的片源,使得现在哪怕是最牛B的Core 2 Duo都无法胜任。一直以来,mpeg的解码工作都是由显卡来完成,当高清来时,显卡厂商又看到无限的商机,分别在自己新一代的显卡里集成了视频解码器,大大分担了CPU的负担,使之在PC上可以完全胜任HDTV播放器的工作。

我们的介绍也是由此开始。请选择您所喜欢的章节,或者按照顺序一步步了解高清.

高清发展历史与现状

客观地说,电视已渗透到数亿个中国家庭,成为社会存在的基本内容之一。甚至和衣食住行一样,成为人们不可或缺的生活要素。

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记得前几年,到处在吵作关于数字/数码电视的概念,这是最早DTV的初型。采用digital(数码)作为传输/存储的格式,而放弃传统模拟的方式,是随着PC发展起来的新技术,已经影响到了传统家电的领域。

数字传输/存储的最大优势并非可以做得更清晰,存储内容更大,事实上传统模拟现有的高端技术仍然是现在数字无法超载的;而是在传输中,存储中可以做到无损--这一点可以从PC上的文件复制上看出,如果没有特殊情况,文件不论copy过多少次,都和最原始的文件是一模一样的。而模拟信号 ,哪怕再清晰,在采用失真小的翻录10次之后,结果也是惨不忍睹的。也就是数字信号的最大的优势,就是可以做到无失真。

正是因为有无失真的基础下出现,高清才得以诞生和延续-HDTV(High Definition Television)的定义是高清晰数字电视输出技术。

尽管高清是现在最IN的名词,可要追寻起来要到1970年。高清的发展历史也是一部“三国”史,经历了日本,欧洲以及美国的纷乱之争。

日本以及欧洲尽管高清的研究得最早,但是当时的计算机发展以及周边发展还处于起步阶段,所以只能使用模拟技术。这也是他们的高清技术的致命弱点。

这一状况直到美国意味到了高清技术在未来的长远战略价值,在1996年利用其自身的高科技技术和数字基础,美国FFC通过ATSC数字电视标准成为美国国家标准,1998年播出的第一个数字式HDTV节目,则代表HDTV的真正意义的诞生,也奠定美国的HDTV领头羊的地位。在美国确定了数字化的道路之后,对于日本的高清几乎是毁灭性的打击。不过所幸的是日本也意识了数字的优势,在于之后的研究方向也调转到了数字了,从此,高清标准在数字的基础下建立了。

而我国全面进行高清时代是在CCTV开设高清频道为代表。

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高清概念初级快速入门-名词解释

不过还有概念不少朋友对于高清的概念模糊不清,笔者在这里就简单介绍一下。

HDTV(High Definition Television)是高清晰数字电视输出技术,中文简称高清,可提供相对于传统模拟电视技术更高清晰度图象质量。HDTV的高清晰主要表现在它支持1280×720,1920×1080,分别有720p,1080I/1080P之分。

720/1080指的是分辨率1280×720与1920×1080,那I和P分别是什么意思呢?I代表interlace,隔行扫描;P是Progressive,逐行扫描。720P与1080I的带宽是一样的,在清晰度自然是1080I高一些,但在动态画面表现得更流畅的则是720P。而1080P则兼顾了清晰度以及动态表现的要求,也就是大家所说的FULL HD,但它也是对码率,存储空间要求最高的格式。

说到了数字,那么我们肯定得以容量来计算,每部片的时间长短不一,大小也一样,可是如果用总容量除以时间,就得出一个可比的变量-码率。码率以及时间决定了一部片的总容量,同时码率对编/解码处理器也会提相应的要求。一般来说,码率越高,画面就越清晰锐利,也越流畅,但是对存储容量以及编/解码的要求更加苛刻。

HDTV除了有码率上的不同之外,还有编码格式的不同,现在主流视频的主要有MPEG2,MPEG4,H.264(MPEG4 AVC),VC-1(AVC-1)/WMV9HD等。不同的格式的压缩比以及表现都有各有差别,我们下面会有专门的介绍,如今网上常见的就仅有三个,MPEG2,H.264,VC-1。音频编码格式主要是AC3、DTS和EAC3,最近AAC有异军突起的意思。

由于现在不少片源都是源自于网上下载,这些片源一般都是重新封装的过的,其目的是为了更好的存储以及传输,再加上许多厂商极立推广自己的封装格式,现在网上有非常多的封装格式,如AVI, TS,MKV,这些封装格式就是容器,而视频编码和音频编码就相当是于是菜和饭,如何装下这些饭菜,用的碗和锅也有一定要求。这在下面我们会有专门介绍。

说完了高清的软件/规格部分,我们来介绍一下硬件部分。

从DVD+/-W格式开始,两大阵营就打得不可开交,最后也没有谁能征服谁,于是战火就延续到了蓝光标准之争。

为何要叫蓝光,新一代光盘属于蓝光光盘的范畴,其核心技术,取代DVD红色激光存储技术的蓝色激光,从而实现更高的容量。

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Blu-Ray Disk是蓝光盘,是DVD的下一代的标准之一,主导者为索尼与东芝,以索尼、松下、飞利浦为核心,又得到先锋、日立、三星、LG等巨头的鼎力支持。存储原理为沟槽记录方式,采用传统的沟槽进行记录,然而通过更加先进的抖颤寻址实现了对更大容量的存储与数据管理,目前已经达到惊世骇俗的100GB。与传统的CD或是DVD存储形式相比,BD光盘显然带来更好的反射率与存储密度,这是其实现容量突破的关键。
与蓝光相对的是HD-DVD阵营,原本东芝已经加入蓝光阵营,然而利益的分配以及相关技术特性诱使东芝断然退出该组织,转而联合NEC开发Advanced Optical Disk,并且得到DVD-Forum的鼎力支持,改名为HD DVD。由于蓝光DVD和当前的DVD格式不兼容,直接加大了厂商过渡到蓝光DVD生产环境的成本投入,因此大大延迟了蓝光成为下一代DVD标准的进程。不过另外一位DVD论坛的主要成员东芝则带来了一款和蓝光完全不兼容的新技术AOD(Advanced Optical Disk)光盘。 由东芝和NEC联合推出的AOD技术相比于蓝色激光最大的优势就在于能够兼容当前的DVD,并且在生产难度方面也要比蓝光DVD的生产难度低得多。

HDMI:HDMI的英文全称是“High Definition Multimedia”,中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽,可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。HDMI在针脚上和DVI兼容,只是采用了不同的封装,但其结构仍然有许多不同之处

HDCP的全称是High-bandwidth Digital Content Protection,也就是“高带宽数字内容保护”。简单的说,HDCP就是要将通过DVI接口传递的数字信号进行加密,多媒体内容的发出端(电脑、DVD、机顶盒等)与接受端(显示器、电视机、投影机等)之间加上一道保护。这样一层保护主要并不是用来防止通过数字信号进行不合法的复制,而是将数字信号内容进行加密,使得不合法的复制无法无法得到准确的内容、满意的效果。

HDMI和DVI都可以拥有HDCP功能,当然这取决于发送端和接收端的设备。

永不妥协的两大蓝光阵营(上)

我们现在所使用的主流光存储DVD早在1996年就确立了标准。DVD-VIDEO的影片分辨率为720×480(NTSC制式)或720×576(PAL制式),属于标清视频(Standard-Definition,SD,标准清晰度)几年前看来或许画质很好,但时代已经变了,现在是高清晰视频(High-Definition,HD,标准清晰度)和大屏幕电视的时代,一旦领教过高清晰影视的效果,没有人会再对标清视频感到满意。

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现在DVD的尴尬处境几乎就像当年的CD,如图1所示,我们可以看出存储媒体的容量、视频流数据量和视频存储时间三者的关系。单面单层DVD的容量上限接近5GB,从VHS视频、低清晰度视频到标准清晰度视频,DVD碟片可以存储的视频时间从7小时,下降到2小时左右(一般DVD影片多在4Mbps-6Mbps),再下降到了1小时(标准清晰度视频的最高规格),而如果用来存储20Mbps-30Mbps的高清晰视频,DVD碟片只能存下约20-30分钟,加上DVD过慢的传输速度,如此一来,DVD已经显现出落伍的态势了。

而新一代光磁存储体的需求日益增加,电影行业 首当其冲,电影行业对下一代光磁存储体提出了以下要求。

1、民用规格和个人电脑规格必须统一,2、必须具备完善的著作权保护技术,3、必须拥有足够的容量,制造成本必须控制在与现有DVD相同的水平。不得使用专用盘盒。 4、能实现高画质,分辨率应达到1920×1080,具备多种长宽比等功能。 5、可实现多声道音频等功能。 6、可播放DVD影碟及以前的标准音频格式。 7、具有与互联网的协作功能。可实现对话型操作。 8、可与现行DVD共用创作工具。 9、确保可靠性,如确保同一规格光盘的播放兼容性。

新一代光磁存储体产生了两位候选人,也就是HD-DVD和BLU-RAY DISC。HD-DVD阵营以东芝为首,包括微软、NEC、三洋、英特尔等厂商和环球影业等电影公司,BLU-RAY DISC阵营以索尼和松下为首,包括先锋、飞利浦、苹果、三菱、三星、夏普、先锋、LG等厂商和福克斯、沃尔特迪斯尼等电影公司。

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BLU-RAY DISC使用了波长更短的蓝色激光(Blue laser,或Blue Ray),这也是其名称“蓝光”的由来,BLU-RAY使用的蓝色激光波长为405nm,大大减少了凹槽长度和道间距,从而能够记录下比DVD更多出数倍的数据。

HD-DVD同样使用了波长为405nm的蓝色激光,但是,HD-DVD的道间距为0.40μm,大于BLU-RAY DISC的0.32μm,因此同样情况下HD-DVD记录的数据容量便不及BLU-RAY DISC多,同为单面单层盘片的情况下,一张蓝光光盘容量为25GB,而一张HD-DVD光盘容量为15GB。

永不妥协的两大蓝光阵营(下)

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蓝光光盘的物理规格和CD/DVD光盘几乎完全相同,直径仍然和CD、DVD同样为120mm,厚度也同样是1.2mm,中央圆孔等其它数据也完全相同。目前已公布单面单层、单面双层两种规格。单面单层蓝光光盘的容量为25GB(实际上是有23.3GB、25GB、27GB三种),单面双层蓝光光盘的容量为50GB。速度方面,BLU-RAY DISC的1倍速读取和写入速度均定义为36MB/s,目前已经有4倍速的可写入式蓝光驱动器,说其读取和写入速度高达144 MB/s,如此高的速度,才能满足即时播放高清晰视频和玩高清晰游戏的要求,相比之下,CD-ROM的1倍速为150KB/s,52X CD-ROM速度仅为7.62MB/s,DVD-ROM的1倍速为1.32MB/s,16X DVD-ROM速度仅为21.12MB/s,面对高清晰视频可以说是先天不足。

BLU-RAY DISC有着雄心勃勃的计划,单面4层和单面8层的蓝光光盘及相应的驱动器已在开发之中,单面4层的蓝光光盘容量将达到100GB,而单面8层的蓝光光盘容量更是可以达到200GB。BLU-RAY DISC的速度未来也会提升到6X,以及更高。

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目前HD-DVD光盘可以分为三大类,一类是HD-DVD规格,包括:单面单层和单面双层的3X DVD-ROM,这种实际上是改良的DVD光盘,顾名思义,它是DVD的“三倍增强版”,其容量和DVD-ROM同样,有一种单面单层的容量是4.7GB,另有一种单面双层的容量是8.5GB,其它三种可以看作是全新的HD-DVD,包括单面单层的HD15,容量为15GB,单面双层的HD30,容量为30GB,单面三层的HD45,容量为45GB,这些HD-DVD的命名规则也和DVD如出一辙。另一类是HD-DVD和SD-DVD混合规格,一种是单层HD-DVD+单层SD-DVD,光盘为双面,容量为15GB+4.7GB=19.7GB,一种是单层HD-DVD+双层SD-DVD,光盘为双面,容量为15GB+8.5GB=23.5GB,一种是双层HD-DVD+单层SD-DVD,光盘为双面,容量为30GB+4.7GB=34.7GB,一种是双层HD-DVD+双层SD-DVD,光盘为双面,容量为30GB+8.5GB=38.5GB。最后一类是HD-DVD和SD-DVD双规格,目前只有一种单面单层的,是在单面单层盘片上一层是HD-DVD,一层是SD-DVD,容量是15GB+4.7GB=19.7GB。更高容量、更多层数的HD-DVD目前也在开发中,预计单层容量也可以达到20GB或更高

目前看来,BD占有影业支持、影片发行量等方面的优势,以及PS3带来的软件发行优势,技术和技术储备上较之hddvd也更加先进。
HDDVD则占有生产线配置、硬件设备成本、复制成本、软硬件综合成本等方面的优势。
所以现在看来BD占上风,但BD和HDDVD尚未进入大量普及阶段,目前二者的软硬件销量可以说都是非常低,要成为主流还需要比较长的时间,因此现在短期内还不能确定其成败。谁能首先把播放器价格下降到突破消费者心理线,以及争取到更多内容提供商的支持,将是最重要胜负的关键。

这两大标准谁优谁劣很难用两三句说清,尽管有两个竞争的阵营带来技术的更新以及价格降低,但是对于最终用户而言,繁杂的标准使得兼容更难以实现,以现在的形势来看,有可能最终用户会可能根据自己的需求为不同的阵营买一到两份单。

压缩是关键-HDTV编码发展历程

既然已经从DVD进展到HDDVD/BD,我们看到不仅仅是存储介质容量的增大,同时视频压缩技术在这几年也得到了飞速的增长。我们可以这样计算一下,存储容量增加了5~10倍,而视频压缩技术如果也能提升2~3倍,那么我们在清晰度上将会得到10~30倍的飞跃!

而视频压缩技术的进步,则要得益于DVD、HDTV、卫星电视、高清 (HD) 机顶盒、因特网视频流、数码相机与 HD 摄像机、视频光盘库 (video jukebox)、高端显示器(LCD、等离子显示器、DLP)以及个人摄像机等娱乐应用

视频压缩是所有令人振奋的、新型视频产品的重要动力。压缩-解压(编解码)算法可以实现数字视频的存储与传输。

我们来看原始视频的要求,标准清晰度的 NTSC 视频的数字化一般是每秒 30 帧速率,采用 4:2:2 YcrCb 及 720,其要求超过 165Mbps 的数据速率。保存 90 分钟的视频需要 110GB 空间,或者说超过标准 DVD-R 存储容量的 25 倍。这样的要求显然既然是现在庞大的硬盘容量都无法满足,何况更多瓶颈是来自于网络下载那可怜的速度。

所以视频压缩是普及视频的必然趋势,不过视频压缩技术的种类也是非常多。如何选择视频压缩技术,成为内容提供商以及终端用户的最大难题。因为这里面涉及的问题比较多,不管是内容提供商还是终端用户,都会关心其画面质量/码率的压缩比。而在内容提供商方面,还得关心专利权益金的费用,这一点虽然和我们用户没有支持关心,但这往往是决定我们最终用户所能使用到视频压缩技术的最重要的一点。另外,最终用户关心的是编/解码器的成本,这包括了占用系统内存, CPU占用率,系统功耗等,毕竟在编/解码时所耗费的成本都得由最终用户直接买单。

在视频编解码技术定义方面有两大标准机构。国际电信联盟 (ITU) 致力于电信应用,已经开发了用于低比特率视频电话的 H.26x 标准,其中包括 H.261、H.262、H.263 与 H.264;国际标准化组织 (ISO) 主要针对消费类应用,已经针对运动图像压缩定义了 MPEG 标准。MPEG 标准包括 MPEG1、MPEG2 与 MPEG4。

ITU 与 MPEG 标准的发展历程

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除了 ITU 与 ISO 开发的行业标准以外,还出现了几种专用于因特网流媒体应用、广受欢迎的专有解决方案,其中包括 Real Networks Real Video (RV10)、Microsoft Windows Media Video 9 (WMV9) 系列、ON2 VP6 以及 Nancy。由于这些格式在内容中得到了广泛应用,因此专有编解码技术可以成为业界标准。2003 年 9 月,微软公司向电影与电视工程师学会 (SMPTE) 提议在该机构的支持下实现 WMV9 位流与语法的标准化。该提议得到了采纳,现在 WMV9 已经被 SMPTE 作为 VC-1 实现标准化。

H.264也是MPEG4?它们之间的差别?

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在这里说一下为何H.264又被人称为MPEG4-AVC,MPEG系列的标准归属于ISO/IEC,但另一方面以制订国际通讯标准为主的机构:ITU-T,在完成H.263(针对视频会议之用的串流视频标准)后展开了更先进的H.264制订,且新制订是与ISO/IEC机构连手合作,由两机构共同成立一个名为JVT(Joint Video Team)的联合工作小组,以MPEG-4技术为基础进行更适于视频会议(Video Conference)运用的衍生发展,也因为是联合制订,因此在ITU-T方面称为H.264,在ISO/IEC的MPEG方面就称为MPEG-4 Part 10(第10部分,也叫ISO/IEC 14496-10),MPEG-4 Part 10的另一个代称是MPEG-4 AVC(Advanced Video Coding,先进视频编码),多个名称其实是一个意思,即H.264=MPEG-4 Part 10=ISO/IEC 14496-10=MPEG-4 AVC。

那么,H.264到底与MPEG-4有何差别呢?更准确地说MPEG-4 Part 10与MPEG-4 Part 2有何差别?为何需要再订制出MPEG-4 Part 10呢?直接沿用MPEG-4 Part 2难道不行?

虽然MPEG-4已针对Internet传送而设计,提供比MPEG-2更高的视频压缩效率,更灵活与弹性变化的播放取样率,但就视频会议而言总希望有更进一步的压缩,所以才需要出现了H.264。

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到底H.264好在哪?先让我们将MPEG-2、MPEG-4(MPEG-4 Part 2)、H.264(MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part 10)三者进行分辨率表现与所用带宽的比较,无论MPEG-2、MPEG-4、H.264,三者都能达1920×1080i(非交错)的高清晰度(High Definition,HD)、24fps(每秒更新24张画面)的影像画质,但传输带宽上MPEG-2需要12~20Mbps,相对的H.264只要7~8Mbps,而MPEG-4则介于两者间,更直接地说,若把MPEG-2的带宽用作基准的100%,MPEG-4要达相同效果只需要60%带宽,H.264更是低至40%,约为原MPEG-2的1/2~1/3。

值得一提的是H.264标准采用的熵解码有两种:一种是基于内容的自适应变长编码(CAVLC)与统一的变长编码 (CAVLC)结合;另一种是基于内容的自适应二进制算术编码(CABAC)。CAVLC与CABAC根据相临块的情况进行当前块的编码,以达到更好的编码效率。CABAC比CAVLC压缩效率高,在相当画质的情况下可以节省 20%左右的带宽,但要复杂一些。

VC-1-微软的霸权主义

为何MPEG-4的不能提供如此高的压缩比呢?这一方面是近几年压缩技术提升的结果,更为重要的,其实是最近几年视频/系统处理器得到了高速发展,其处理能力也得到很大提升,这样可以使用更高的压缩比而无需担心系统负荷过重。

而VC-1(VC指Video Codec)的诞生则源于Windows Media,它是提供网上音乐与视频预订服务与视频流的主要格式。

微软公司于 2002 年推出了 Windows Media Video 9 系列编解码器,实现了视频压缩效率的显著提高。WMV9 另外还作为 VC-1 在 SMPTE 中实现了标准化。当然了,VC-1纯粹是一种视频压缩算法,并没有WMV中数字版权管理、元数据、播放列表和用户接口这些元素。

与 H.264 类似,它包含许多高级编码工具,不过种类有所不同。除了支持半象素双线性插值之外,WMV9 的 ME 还允许 1/4 象素双立方插值(采用 4 抽头近似双立方滤波器)。另外它还包含与 H.264 类似的环内 解块滤波器,不过滤波器和决策细节不同

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环内解块滤波器(deblockking fliter)开与否展示,上图为关,下图为开。可明显看出上图色块非常严重,而下图则过渡得十分平滑。经过滤波处理,减少了块效应,而图像的质量基本不受影响,因此主观质量大大改善。如果不滤波,同样的主观质量,需要多出5%~10%的码率。上下图说明了块滤波器的效果,由此可见H.264/VC-1在视频压缩方面有独到的技术(MPEG4 PART2采用后期 解块滤波器)

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各编码详细规格对比

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在权益金方面,MPEG2由于非常成熟,所以费用收得也是最少的,趋向于无成本。这也是至今为何不少BD/HDDVD仍然采用古老的MPEG2,当然了,这和MPEG2对系统硬件要求较低也有一定关系。

而MPEG4最初的授权预案中,如果电视内容的营运商要以MPEG-4格式来播放节目,则每分钟要支付0.000333美元,或者是以每年每个收视用户收取0.25美元,这无疑对MPEG4的推广造成了很大的阻力。此方案一出,Apple、On2等业内厂商立即提出异议,甚至Apple原订在QuickTime中内建MPEG-4的支持性,也因为授权异议而延缓发布日期。

H.264的授权费用相对比较合理,因为H.264晚于MPEG-4问世,且两者定位接近,既然如此,H.264只好在授权费上降低定位,期盼以较宽厚的授权方式争取被采用,而这正是对了运营商的胃口,当初许多运营商对MPEG-4的授权深表反感,之后也都热烈拥护H.264。

而VC-1的授权费用初使来看,和H.264不相上下。但是碍于Microsoft一贯的推行策略,VC-1的授权来源仅只一家,授权价格与方式调整,以及后续版本的改进方向,都由微软一手掌握,无人能左右,尽管现在价格比较宽松,但天知道微软哪时一个不乐意调高了价格,这也是众多运营商所最为担心的一件事。

最终用户爱好哪种编码?

接下来就是我们最终用户最为关心编/解码所耗费的系统负担了,当然这在我们之后会有更为详细的测试。

MPEG2自然是要求最为宽松的视频编码,不仅如此,拜DVD成熟多年之赐,早先以及现有的主流硬件都能多多少少提供MPEG2硬件加速的能力。MPEG4虽然到至今没有比较针对的视频加速硬件诞生,但自身比较低的硬件损耗才是原因之一。

而H.264主要档次是要求最为苛刻的视频技术,再加上最近越来越高的码率与1080P的结合,其对硬件的损耗已经达到了新的颠峰。而基本档次则提供了一个相对折中的方法,对硬件损耗次之。

VC-1还是得益于Microsoft多年来层积的功力,在略强于H.264 CALVC基本档次的画质上,而对硬件资源要求却还能再降低一些。综合来看,VC-1是最有益于最终用户的编码,它在拥有非常好的画质的同时,对硬件要求相对而言比较低。

笔者去网上论坛瞎逛时,看到这样的一个投票,有关于是否有必要将H.264/VC-1重新编码为MPEG2的帖子,结果超过半数的人是支持态度。论画质以及压缩比,MPEG2固然不及VC1/H.264,但是其对硬件要求比较低,已经使得大多数用户放弃画质/压缩比,选择MPEG2。当然了,这仅仅是一个年初2月时的投票,现在由于新一代显卡都具备 了视频加速功能,这一情况已经得到了有效的缓解,相信在不久的将来,没有人再为解码HDTV而发愁了。

下面是各视频压缩技术对独立编/解码器的频率要求,此表格很好的量化表示了各视频压缩技术的硬件要求。

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在视频专用加速解码器方面,PC上最近的显卡,PUREVIDEO HD以及AVIVO HD都能支持H.264的完全解码,而VC-1方面,PUREVIDEO HD只能支持动态补偿以及DEBLOCK的解码,对于VLC流处理以及逆变换还是只能交给CPU去作。

另外,在网上的片源,一些HDRIP(HDTV重新编码封装)的片源多数采用X264,X264是基于H.264的开源编码解码器,在具有H.264的高压缩比的同时也对硬件提出了更高的要求,不过由于其码率一般比较低,所以对系统的负担很难得以直接体现。另外有一小部分是采用MPEG4-XVID来压缩,不过XVID很难做到在保证画质,FPS以及分辨率的情况下把容量控制在1张D5的容量(4.3G)。

 

  MPEG2 MPEG4 H.264 VC-1
画面质量 一般 较好 最好 最好
压缩比(以MPEG2为1) 100% 50~60% 25~40% 30~40%
对硬件要求 最低 较低

CABAC最高

CALVC较高

较高
授权成本 最低 较高 较低 较低(以后有涨价的可能性)
运营商支持力度 较高 中等
PC硬件加速 全有 少数 多数 中等
网络片源 极少数 多数 X264为多数/H.264为中等 多数

最后,让我们来权衡全部因素,看一下所有HDTV主流视频加速技术的概念分析,毫无疑问,H.264以及VC-1很有可能成为以后的主流,当然了,我国自主研发的AVS也会将和H.264,VC-1同台竞技,到时候鹿死谁手,还真不好说。

下面哪个是您所支持的编码格式:

1.MPEG2

2.MPEG4

3:H.264/MPEG4-AVC

4.VC-1/WMV HD

碗好还是锅大?封装格式详解-AVI

所谓封装格式就是将已经编码压缩好的视频轨和音频轨按照一定的格式放到一个文件中,也就是说仅仅是一个外壳,或者大家把它当成一个放视频轨和音频轨的文件夹也可以。

说得通俗点,视频轨相当于饭,而音频轨相当于菜,封装格式就是一个碗,或者一个锅,用来盛放饭菜的容器。

有的人可能觉得奇怪,容器,不就能盛放饭菜就行了么,用一个碗就可以了,何必制定出这么多的格式以及规范呢?

其实不然,试想一下,有的菜,例如排骨,比较大,碗放不下,得换锅。有的饭比较烫,也不能放在塑料的容器里,当然个人喜好也有一定关系。

所以容器的选择,基本在于,其对视频/音频兼容性,以及适合范围。

这下大家应该明白了,很多人一直把封装格式当成前面介绍的视频编码,而这两者之间没有必然的直接联系。

.AVI容器-成熟的老技术

AVI是微软1992年推出用于对抗苹果Quicktime的技术,尽管国际学术界公认AVI已经属于被淘汰的技术,但是由于windows的通用性,和简单易懂的开发API,还在被广泛使用。
AVI的文件结构、分为头部, 主体和索引三部分. 主体中图像数据和声音数据是交互存放的。从尾部的索引可以索引跳到自己想放的位置。
AVI本身只是提供了这么一个框架,内部的图像数据和声音顺据格式可以是任意的编码形式。因为索引放在了文件尾部,所以在播internet流媒体时已属力不从心。很简单的例子,从网络上下载的片子,如果没有下载完成,是很难正常播放出来。

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另外一个问题是AVI对高码率VBR音频文件支持不好。VBR全称是Variable BitRate,就是动态比特率,可以根据当前的需要定义不同的比特率,避免了浪费,并且提高了利用率。随之问题也就来了,因为容器里的图像和声音是分开的,所以播放时需要一个图像和声音的同步过程,如果CBR音轨的话因为码率是定值,同步不成为问题,可是VBR音轨是不断的在变换,而AVI没有时间戳去让VBR音轨和图像同步,这样就会产生图像声音不同步的问题。

后来VirtualDub提出了一种新的方法扩充了AVI对VBR音频的兼容,但是在高码率时会产生丢失数据的问题,从而导致有损音效,这一点问题到现在都没有比较完美的解决方法。并且更加令人遗憾的是,对TrueHD, DTS-HD等音效更是完全不能支持。

碗好还是锅大?封装格式详解-TS

前面介绍过HDDVD以及BD之争,尽管两家在编码上都统一采用MPEG2/VC-1/H.264,可在封装格式上又有所分岐。DVD论坛官方所认可的HDDVD使用的是PS封装,即Program Stream(程序流),这和之前DVD所采用的MPEG2 Program Stream封装是一样的,PS流的后缀名是VOB以及EVO等。而BD在没有DVD论坛官方认证的情况下,自然 PS封装,而是使用了MPEG2的另一封装TS封装,即Transport Stream(传输流),TS流的后缀名为TS。它们都是MPEG2系统部分的两个不同的语法结构,而在现在仅仅在作为封装使用。TS流对于PS流来说更易传输,不过由于其性质,也更易出错,所以在以前一般存储方面都是使用PS流,当然现在随着容错/纠错技术的提高,TS的适用范围越来越广。

现在网上大多流传以TS封装的HDTV remux版,PS封装只能在HDDVD原版才看到,所以我们来着重分析一下TS封装格式。

电视节目是你任何时候打开电视机都能解码(收看)的,所以,MPEG2-TS格式的特点
就是要求从视频流的任一片段开始都是可以独立解码的。
从结构上来说,TS是由头文件和主体所组成的,扩充过的TS流还包括时间戳。这样不管
是什么格式的VBR音轨,都很容易通过时间戳来同步图像。
当然,对新的声音格式来说,需要新的分离器,解码器来实现解码。
目前在不断改进开发中。
TS不像AVI,从诞生那天起,就考虑到了网络播放,所以很快成为了世界标准并广泛应用
于电视台数字播放,手机等各个领域

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  TS封装 AVI封装
兼容的视频编码 MPEG-2
MPEG-4 H.264
VC-1

MPEG-4

VC-1(支持不太好)

兼容的音频编码 Linear PCM
Dolby Digital
Dolby Digital Plus
Dolby TrueHD
DTS Digital Surround
DTS-HD
DTS
AC3

分离器 DirectX 8.0以下自带分离器 微软系统自带分离器
分离所占系统资源 较低 较高
扩充性
Internat适应性

 

碗好还是锅大?封装格式详解-MKV

除了REMUX版本之外(Remux的意思是无损的提取出HD-DVD 和 BluRay-DVD里面的视频数据和音频数据,封装到我们熟悉的TS或者AVI文件中),有不少HDRIP(重新编码,即有损压缩过之后的片)使用的封装格式一般是AVI,MKV和MOV。AVI封装自然不需要介绍了,MOV是Quicktime封装,这一封装和AVI几乎是同一时代的,缺陷也不少,现在很少有人使用。

而使用MKV是Matroska的简称,它是一种新的多媒体封装格式,比较常见的搭配是X264+MKV。

MKV封装十分新颖,而且也非常开放,它对比AVI的优势体现在以下几点:

1:可变帧率:这需要编码的配合,试想一下在回放变化比较慢(比如说静物)时以比较低的FPS来代替,可以节省不少资源。

2:错误检测以及修复:这无疑提供了纠错和容错性,在网络传输的今天尤为需要。

3:软字幕:经常看DVDrip以及HDrip的朋友了解到,字幕一般都是以其它文件形式存在,在MKV里它可以内嵌在封装里,但不会和视频混淆,也可以多字幕随意选择。这样在传输保存时比较方便。

4:流式传输:这和TS流的原因基本一致,通过时间戳来管理视频以及音频的同步问题,做到即下即看。

5:菜单:交互式的操作使得MKV更加人性化。

6:强大的兼容性:MKV最大的特点就是能容纳多种不同类型编码的视频、音频及字幕流,即使是非常封闭的RealMedia及QuickTime也被它包括进去了,堪称万能的媒体容器。

7:开放性和跨平台性:Matroska使用的是一种开放的架构,拥有众多的先进特性,并且能跨平台使用。

不过Matroska相对于以上我们介绍的缺点也是显而易见的,它没有深厚的背景可以依托,这决定了它不可能在商业领域里有所作为。不过从DVDrip里我们看到并非标准才是唯一,真正先进的技术在标准化商业化的道路上碰到很多非技术壁垒,而在网上而言,根本不存在这样那样的顾虑,所以MKV可以网上快速流行起来。

不过MKV的缺点也是显而易见的,分离器方面比较好的仅有HAALI分离器,再加上民间标准的缘故,我们很难在PC以外的地方能见到它的存在。

什么是HTPC

什么是HTPC

HTPC是Home Theater Personal Computer的英文缩写,就是“家庭影院个人电脑”的意思。简单地说,它就是一部特别注重多媒体功能的个人电脑。

HTPC与普通PC的主要区别就在于,它并不是以追求高性能为惟一目标,它应该是外观,性能、噪音,功耗4者平衡的产物。

HTPC应该是摆在客厅上,作为家庭数码影音的中心。放在客厅上的东西,如同电视,DVD机,音响,功放一样,它必须有可人的外观,谁也不愿意在典雅的客厅上看到一个丑陋的机箱。它不能太大,不论是美感上,还是从节省空间上来看,这都非常重要,一个如铁牛一般的机箱是很刹风景的。

在性能上我们并没有多大要求,但尽量使用双核CPU,或者是带硬件加速的显卡,这样既然是面对高码率的H.264时一样从容不迫,并且在编码时(录制电视节目)双核也能发挥其效用。硬盘是一个非常关键的因素,个人认为320G为起始点,越大越好。

功能方面,板卡选择上尽量多带些接口,1394和SPDIF IN/OUT都需要,显卡方面要有DVI/HDMI,S-VIDEO/色差。光存储方面以DVD刻录机为佳。

噪音是一个非常重要的因素,毕竟谁都不愿意在欣赏影音的同时还享用噪声,所以选用一些低噪音的板卡,以及低噪音的硬盘和光驱尤为重要。板卡比较理想的是被动散热 ,而有风扇哪怕是低转速,在长时间运行之后同样会发出一些冒名的噪音,如果不及时清理或者更换问题根本得不到解决,而被动散热则完全没有此类问题。

功耗也是HTPC非常在乎的一个因素,首先从节能上考虑,家庭影院的应用就可能会长时间的开机,功耗小则代表节约电费。而HTPC有机箱大小也有限制,尤其是一些准系统在使用Micro ATX的还只能使用半高显卡,这样体积可想而知,散热成了很大的问题,如果大功耗的配件有可能无法散热,所以尽量以低功耗为主。

HDMI重要性一:DVI根本无法替代

首先应该大多数人都知道DVI与HDMI最大的特征都是数字的,正因为如此,有不少人单纯的认为,HDMI只是带了音频功能的DVI,两者在视频上是一模一样。

其实这完全是错的。如果仅仅是这样的话,咱们自己就可以把音频线以及DVI数据线绑在一起,而不用这么多厂家耗费了这么大力气,消耗这么多时间去制定这个标准了:)

HDMI

 

DVI

 

 

从上面我们可以看出,HDMI以及DVI都是采用的数字T.M.D.S信号联接。都采用了数字信号的好处就是在转换无损并且比较方便,但并不代表兼容,就像RAR和ZIP这两种压缩格式互相转换很容易,并且无损,但是它们之间采用的格式,数据存储方式完全不同,很简单的例子就是只针对ZIP设计的软件就没有办法读取RAR包,例如WINZIP。

HDMI在CEA EDID数据传输时,会包含一个VSDB 信号,而此数据块里面包含着验证,测定接收端是否也是HDMI设备的数据值。当验证对方也是HDMI端时,将会以HDMI标准格式来发送信号;而验证对方为DVI设备时,会用DVI规范的数值形式去发送视频数据,而无音频数据 。

从这一点上来说,HDMI是完全向下兼容DVI,也就是发送端为HDMI接口时,和发送端为DVI接口在接收端都是DVI接口的情况下,两者都采用的是DVI数据传输协议,在这一点上是一模一样的。

HDMI Vendor Specific Data Block 验证示意

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而DVI能否转换HDMI呢?事实上市面上早已出现了不少DVI和HDMI互转的转接头和转接线。

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由于我们之前提过,HDMI在传输的开头会有一个验证过程用以分辨是否是HDMI设备才确定信号采用何种规范,而DVI根本是没有这一步骤的,所以DVI不论接驳什么接口什么线,传输的仍然是DVI规范的信号。那这些转接头是如何运作的呢?

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HDMI转DVI自然不用说了,HDMI可以完全向下兼容DVI。而DVI转HDMI呢。实际上由于都是通过T.M.D.S数字信号传输,所以遵循相同的电气规格,基本上转接头/转接线只是把物理信号引角转换一下,传输的依然是DVI的信号。这样子的话,对于电脑显示器或者部分平板数字电视来说也无所谓,因为这些设备是可以直接接入DVI信号,而如果碰到一些早期的HDMI接口的电视以及录放设备,会产生一些兼容性问题,比如说无法正确显示其内容-黑屏等等。

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现在大部分电视在接入DVI信号时仍会存在大大小小一些问题,比如说边角不对应,画面无法最大化,画面闪烁,不能实现点对点,无法识别信号等兼容性问题,这一点小熊评测室在评测最近一些哪怕是FULL HD的平板电视都碰过这样那样的问题,只不过有一些问题可以通过在PC端的细微调整就可以解决,而另一些则没有办法解决。而在换成了HDMI的显卡之后,只要符合了HDMI 1.2标准的电视都可以正确的和电脑连接。

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总结我们以上所述,在信号传输格式上,HDMI可以完好兼容DVI,而DVI接口转换HDMI需要接入设备对DVI传输信号的支持,从这一点上来说,HDMI才是完美的接口。

HDMI重要性二:防止灰阶信号丢失

我们上篇讲的仅仅只是电气信号规格,而这里我们要谈到的传输的具体内容-灰阶信号。

哪怕平台电视可以接入DVI信号并且识别,但只要它没有针对PC的灰阶信号进行转换,那么既然画面一切正常显示,但是我们看到的画面的亮度和暗部细节仍然 会严重失真 。

这是怎么回事? HDMI与DVI虽然遵循相同的电气规格,采用T.M.D.S的数字信号传输,但最大的不同之处就是,DVI是PC上的规范,而HDMI的用途大多在家电领域。

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应用领域的有所不同也会导致规范有所不同,PC一般采用了Full Range的RGB灰阶,灰阶数值范围是0至255;而对于家电这些消费类电子采用的RGB灰阶都是Limited Range,数值范围是16至235,16-235其实是对模拟电视格式的延续。

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DVI转HDMI在没有灰阶处理的平板电视上会直接导致13%的灰阶信号丢失。而HDMI处理的即可为色差讯号的Limited Range也可以是RPG的Full Range,一般发送端都会自适应。

下图是实拍平板电视效果展示

13%的灰阶信号丢失

正常情况,暗部高光细节清晰可见

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此节感谢Emufan提供的资料以及图片

HDMI重要性三:相对于DVI的改进和升级

为何笔者要把相对DVI的改进和升级放在最后面来说呢?因为这些升级的特性,在现阶段并非是必要的,换句话说,缺了也没有多大事,至少不会像前面两节里的直接影响正常使用。

话题转正,继续谈HDMI的改进之处 。

1:HDMI可以同时传输数字式无损的音频和视频,而DVI只支持视频输出。

PC上实现HDMI同时输出音频视频,通过两种方式

一:内部连接,显示芯片与音频芯片同在一片PCB上,声卡直接通过PCB上的走线将信号传输给显卡,再整合成HDMI信号输出。这样的例子包括了集成显卡,如MCP68,还有一些显卡集成了音频处理芯片,如R600。

二:外部连接。显示芯片和声卡芯片不在同一片PCB上,通过外部连线连接。一般来说是声卡直接采用SPIDF OUT来连接显卡,但也有专用的HDMI音频连接线,现在越来越多的主板以及声卡在采用(如下图)。

HDMI能在传输1080P视频信号的同时,还能以192kHz的采样频率传送8声道的音频信号,而这一切只在一条连线中即可完成!据统计,一条HDMI连线可以取代10~20条模拟传输线,大大简化线材部局。

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2:HDMI可以使用3条TMDS通道来传输视频和音频,而DVI只有两条。正常情况下,一条TMDS通道可以达到165MHz的工作频率和10-bit接口,也就是可以提供1.65Gbps的带宽,这样来算DVI有3.3Gbps的带宽,而HDMI近5Gbps的带宽。在HDMI 1.3被制定出来之后TMDS的165MH频率提升至340MHz,提升幅度约为 2 倍,这样HDMI可以提供10Gbps的恐怖带宽,并且也可采用双连接规格,以更进一步加大带宽、达到680MHz。这对于未来而言是十分有发展潜力的。

3:现有的HDMI 1.1及1.2版和DVI仅能支持到24bit色深,1.3版HDMI接口则是大幅扩充至30-bit、36-bit以及48-bit(RGB或YCbCr),具有输出一亿色以上的能力,并大幅增加对比的阶层。同时HDMI 1.3标准可以支持新一代的〝xvYCC〞color space,号称具有目前color space规格的1.8倍颜色讯号输出能力。HDMI LLC董事长Leslie Chard表示,ATi和nVIDIA可以轻松地在GPU当中集成新的规范,索尼PS3已经支持“Deep Color"。事实上,蓝光和HD-DVD规范都支持“Deep Color",但是双方都还没有宣布支持HDMI 1.3

4:传输距离 :在不影响画质的情况下,HDMI的传输距离可达到15米,而DVI小于8米。这对于PC而言用处不大,但对于家电而言,放宽了线的限制将大大减轻布线难度。

用光纤传输,在线材两端加入了光信号转换器的HDMI信号线可达100米。

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