1、基于H.264的群集轉碼系統的設計摘要本文在深化研究最新的H.264編碼技術的根底上設計并實現了一種面向插件式效勞架構的群集自動批量轉碼系統。主要介紹了H.264的編碼技術，提出了系統軟硬件的架構、核心功能模塊的設計思想并且簡單分析了在IPTV領域的應用前景。系統立足于消費理論，適應從大規模轉碼工廠作業到小規模轉碼工作的不同級別的應用，具有很高的消費實用價值。關鍵詞交互式網絡電視H.264群集轉碼幀內預測幀間預測離散余弦變換1概述隨著信息技術的開展，視頻編解碼技術的應用變得越來越普遍，在Vd視頻點播視頻監控可視 及網絡交互電視IPTV等領域都有了很廣泛的應用。H.264是繼PEG4以后推出的新

2、一代視頻壓縮標準，它較PEG4在同等圖像質量的根底上有更高的壓縮比，節約了網絡帶寬，而且提供了更好的網絡適應性，得到了數字電視、網絡交互電視等產業的廣泛關注。本文在深化研究H.264編碼技術的根底上，設計了群集轉碼系統。該系統集自動批量轉碼、自動監控可通過ebap多種方式提供、自動存儲、查詢等功能于一體，為IPTV、視頻點播等產業提供了高效的節目壓制系統。本系統解決了影片編碼格式轉換工作中消耗人力、硬件本錢高昂、轉換效率低下的實際問題，具有很強的理論應用性。本文主要包括以下三個局部：H.264核心技術介紹、系統架構設計及關鍵實現、系統的應用2.264核心技術簡介H.264是JVT組織JintV

3、ideTea制定出的一個新的視頻編碼標準，它具有高壓縮比、高圖像質量、良好的網絡適應性等優點。與其他編碼標準相比，它也是預測編碼和變換編碼結合的基于塊的混合編碼。其根本構造與其他標準很相似。然而它又在很多環節上采用了新技術，有了新的改良，主要核心技術有以下幾點：2.1幀內編碼在H.264中，充分利用圖像的空間冗余性，增加了幀內預測編碼，即使用當前幀內已編碼的宏塊或塊的亮度和色度值來預測當前編碼的宏塊，詳細來說就是當前編碼塊的左方和上方的塊或宏塊，然后將其預測誤差進展編碼，這樣就可以使用盡量少的比特數來表示目的宏塊。根據不同的塊大小，預測方法有所不同：4*4塊有九種預測方式：如下左圖a-p為當前

4、編碼宏塊；右圖為幾種不同方向的預測方式圖1其中形式2為D預測，使用(A+B+D+I+J+K+L)3來獲得。16*16和8*8那么都有四種預測形式，分別為垂直程度D預測和Plane預測，只是形式的順序略有不同。幀內預測編碼大大減少了空間的冗余，更適用于背景比擬單一的圖像。2.2多參考幀預測編碼H.264提供了可選的多參考幀預測技術，即在編碼器的緩存中存有多個剛剛編碼好的參考幀,編碼器選擇其中一個編碼效果好的作為當前幀的參考鄭H.264可支持5個預測參考幀編碼，提供了更高的容錯性能，同時也有效進步了圖像質量。2.31/4精度的運動估計之前的H.263采用了半像素精度的運動估計獲得了良好的效果，H.

5、264那么進一步采用了1/4像素精度的運動估計。H.264中的1/4像素精度是通過內插來獲得的。譬如說對于亮度分量，首先通過一個六插頭的濾波器，算出1/2像素的內插值，權值為1/32，-5/32，5/8，5/8，-5/32，1/32，然后再進展線性內插求出1/4像素值。理論上，運動估計的精度增加一倍例如從整像素精度進步到1/2像素精度，可有0.5bit/Saple的編碼增益，但實際驗證發現，在運動矢量精度超過1/8像素后，系統根本上就沒有明顯增益了，因此，在H.264中，只采用了1/4像素精度的運動矢量形式，而不是采用1/8像素的精度。2.44*4整數DT變換以往的DT變換會帶來一些負效應，如

6、浮點運算增加了編碼器的計算復雜度，同時帶來了由于浮點數精度問題帶來的編解碼不匹配。為理解決這些問題，H.264把原來的離散余弦變換DT改變為近似的整數變換，在量化過程中整合了變換系數，使原來必須用浮點運算進展的余弦函數運算，可用整數運算進展。同時還削減了系數的種類，使得變換過程中只用到加法和移位運算，使運算量減少。此外，在H.264中采用4*4大小的塊，減少了塊效應。采用整數DT變換進步了預測精度，降低了殘差信號空間相關性，只需較少的計算量和較小的處理碼長，且消除了編碼器和解碼器之間的失配，進步了圖像回放質量。2.5可變塊大小在H,264中，一個宏塊可以根據需要被分成不同大小的七種形式的塊如下

7、列圖所示：圖2這樣的劃分具有更強的靈敏性，合適不同的圖像特點，譬如說細節比擬豐富的圖像塊可以進一步劃分成4個4*4的塊，而比擬平坦的宏塊，那么可當作一個16*16的塊處理。這樣就能較好的保持圖像的細節。然而，對于不同劃分以及不同參考幀的不同預測形式應有一個統一的斷定標準，來確定最優的形式，目前比擬廣泛使用的形式斷定標準即為RD率先失真優化：Jde(s,|Q,de)=SSD(s,|Q)+deR(s,|Q)式中:為重建塊;R包括對宏塊編碼的所有比特;SSD(sufsquareerrr)為當前塊和重建塊的差值的平方和。得到重建塊需要對殘差進展變換和量化與反量化反變換,其過程較復雜。2.6基于內容的自

8、適應可變長編碼和自適應算術編碼H.264與PEG-2和PEG-4的不同還存在于糾錯編碼塊中，H.264的糾錯編碼為內容自適應可變長度碼AVL和內容自適應二進制算法編碼ABA，能進步糾錯才能。而PEG-2和PEG-4為霍夫曼編碼。2.7去塊效應濾波基于塊的編碼算法不可防止的會產生塊狀效應，H.264H.264/AV定義了一個自適應循環濾波器。濾波的根本思想是：假如塊邊沿的絕對差值相比照擬大，出現塊人工瑕疵的可能性就很大，因此需要進展相應處理。然而，假如差值幅度很大，編碼量化過程的誤差不能解釋，邊沿很可能反映了源圖像的實際樣值，不需處理。通過濾波，減少了塊效應，圖像的主觀質量得到大大改善。作為一種

9、新的編碼標準，H.264在編碼效率、圖像質量、網絡適應性和抗誤碼方面獲得了成功。所以在數字電視、網絡電視、DVD等領域中得到了廣泛的應用。3系統設計與實現群集轉碼系統是針對IPTV網絡交互電視主要業務應用VD視頻點播的節目的制作提出的。該系統旨在實現節目源高效批量的制作。系統軟件設計為插件式系統平臺+插件效勞+應用系統的構造，來保證系統的靈敏性、強健性和可擴展性。3.1系統架構原理系統架構如圖3所示：圖3如上圖中所示，系統效勞平臺包含編解碼器插件自動部署、轉碼調度、插件效勞發現及注冊、插件工廠和各功能模塊之間通信的通信協議以及群集轉碼控制及管理系統等幾大核心功能模塊。編解碼器管理器插件作為詳細

10、編解碼器實現與系統的中間層，負責各種編解碼器的管理功能并代理編解碼器完成轉碼工作。片源提供、影片存儲、影片預覽和詳細解碼器實現等插件之間通過插件效勞發現及注冊功能聯絡到系統中，利用本地或網絡通信協議在平臺的協調下工作。系統中的插件點不僅僅定義在核心平臺中，在插件中也定義不同的插入點，插入點表達了系統功能流程的關鍵點，系統與插件或插件與插件之間的依賴統一通過插件管理器管理。另，所有插件均須編譯為動態鏈接庫形式。在這樣的架構下，整個轉碼系統的功能被松散耦合地組織起來，是面向效勞架構的表達。用戶不僅可以簡單隨意地交換或增加不同的功能插件到系統中，更可以輕松地實現整個系統的集中或分布式部署。由此可見，

11、系統平臺為各個插件之間透明協同工作提供了的良好根底，解決了轉碼系統中各個功能模塊之間的嚴密耦合，是系統的根本核心架構。3.2插件效勞的發現、注冊和調用3.2.1插件效勞的發現和注冊各個插件效勞在主系統平臺中被注冊成為本地或遠程兩種類型。本地插件放置在特定途徑下，由系統平臺自動加載；遠程插件效勞通過特定網絡通信協議自動尋找，如Ativity圖4所示。圖4一般情況下，系統中執行轉碼工作的各個插件效勞于集中控制和調度模塊是分別部署在不同的效勞器和工作站中的，在主系統平臺控制調度或分系統平臺轉碼、片源等啟動時會自動執行插件效勞的注冊操作，系統會為已成功注冊的插件效勞分配不同的調用接口。3.2.2插件效

12、勞的調用插件模塊實現特定的插件接口，在需要使用插件效勞的功能時，使用抽象工廠形式統一由插件管理器提供調用接口。對于本地類型插件，使用動態共享庫加載函數dlpen()加載插件模塊后直接提供效勞；對于遠程插件效勞，效勞提供端動態加載插件后，啟動效勞懇求監聽模塊，在效勞調用端，插件管理器為調用提供相應插件效勞代理實現。例如遠程影片提取插件效勞的調用如下lass圖5所示。圖53.3影片轉碼調度模塊轉碼調度模塊是系統中的核心工作模塊，負責協調數據提娶Ender/Deder、存儲等工作。此模塊中定義的插入點有：影片數據提娶影片存儲、編碼轉換、工作方式決策、編碼進度控制等。其中“工作方式決策插入點的不同插件

13、實現決定了系統在執行DVD轉碼工作時選擇使用“分布式轉碼或“散集并行轉碼，如下所述。分布式轉碼控制：分布式轉碼是將多部影片轉碼任務分配給多臺轉碼工作站完成轉碼，適用于批量轉換的任務，影片轉換任務所需要的時間相對固定。散集并行轉碼控制：散集并行轉碼是將一部影片分割成假設干片段在多臺工作站中完成轉碼，特定是單部影片的轉換效率很高，適用于需要快速完的轉換任務。原理可簡述為：影片分割的片段數量與可調度的空閑工作站的臺數一樣；由于視頻幀與幀之間的連續性，任意分割會造成參考幀缺失無法解碼而產生錯誤，所以必須以幀為分割根據；因為每一個GP是一個完好的視頻序列，可以根據源文件GP的個數來進展分割；先統計GP的

14、個數，再根據需要將其分割為幾段視頻文件，調度在不同工作站中進展各自的轉碼任務，最后再將這些片段合并并存儲。4系統部署系統部署時，對于控制調度和編碼轉換兩局部的功能應該采用分立部署方式，即：控制調度作為效勞器，部署系統平臺、根底底層功能組建、調度控制等模塊/插件；編碼轉換作為工作站，部署系統平臺、根底底層功能組建、編解碼器等插件/模塊。假如將影片提供、存儲集中管理，還可以使用如圖6所示的工廠化部署形式：圖6在工廠化系統部署中，要求轉碼系統可以承受大負荷運轉和大容量數據存儲。此種部署形式下，每臺效勞器中僅部署系統平臺和相應插件效勞，各個效勞之間通過系統平臺協同工作，集中了抓取和存儲功能。工廠化部署

15、方式不僅降低了部署本錢也更易于大規模的轉碼管理。5系統的優點及應用前景該系統在設計和實現上充分考慮了系統的廉價性、易用性、可擴展性以及可移植性。底層使用根底應用平臺插件效勞的技術形式，合理地解決了系統各功能點的擴展問題以及自由組合部署的問題，是軟件插件架構和面向效勞架構的有效合理的結合。隨著IPTV市場的逐步擴大及技術的進一步進步，.264視頻編解碼技術以其性能優勢和技術優勢將被各廠商廣泛認可，是最有潛力的先進視頻de標準。而作為以H.264為目的格式的自動轉碼系統可以提供高質高效的節目制作，對于IPTV及其它應用所需要的成千上萬的節目制作量來說，它可以提供工廠級的制作規模，可以有效地應用到消

16、費理論中去。參考文獻1InfratinTehnlgydingfAudi-VisualbjetsPart10:AdvanedVideding,FinalDraftInternatinalStandard,IS/IEFDIS14496-10,De.2022.2Infratintehnlgy:generidingfvingpituresandassiatedaudiinfratin,IS/IE13818-1,1995(PEG2)3Thasiegand,GaryJ.Sullivan,vervieftheH.264/AVVidedingStandard,IEEETRANSATINSNIRUITSANDSYSTESFRVIDETEHNLGY,VL.13,N.7,JULY2022:560-5744FengPan,XiaLin,SusantRahardja,KengPangLi,Z.G.Li,Dajunu,andSiu,FastdeDeisinAlgrithfrIntrapreditininH.264/AVVideding.IEEETRANSATINSNIRUITSANDSYSTESFRVIDETEHNLGY,VL.15,N.7,JULY2022:813-8215ElipsePlatf