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标题: 高清视频HDTV技术标准简介 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 08:56
标题: 高清视频HDTV技术标准简介
　　DVD技术转录设备没有很好地利用MPEG2编码的优势，以至于市面上流行的DVD影碟的清晰度与高品质的VCD相比并没有大幅度提升。在PC应用领域，由于刻录技术以及宽带传输技术的障碍，容量巨大的MPEG2视频也始终不是主流。不过，这一切的抱怨都不足以阻挡我们对更高画质的追求，因为HDTV时代已经来临。即便蓝光刻录和HDTV片源都还不普及，但是HDTV本身的高清画质依旧令人无限神往。

一、高清视频标准：何谓HDTV

　　 HDTV是DTV标准中最高的一种，即High Definision TV，缩写为HDTV，拥有最佳的视频、音频效果。DTV是一种数字电视技术，是目前传统模拟电视技术的接班人。所谓的数字电视，是指从演播室到发射、传输、接收过程中的所有环节都是使用数字电视信号，或对该系统所有的信号传播都是通过由二进制数字所构成的数字流来完成的。

此外DTV技术还可分为LDTV（Low Definition Tele Vision）低清晰度电视，其图像水平清晰度大于250线，分辨率为340×255，采用4：3的幅型比，主要是对应现有VCD的分辨率量级；标准清晰度电视（SDTV Standard Definition TeleVision）其图像水平清晰度为500--600线，最低为480线，分辨率为720×576，采用4：3的幅型比，主要是对应现有DVD的分辨率量级。目前应用于广播级的后期制作中的视频标准主要是SDTV及HDTV。和模拟电视相比，数字电视具有高清晰画面、高保真立体声伴音、电视信号可以存储、可与计算机完成多媒体系统、频率资源利用充分等多种优点。

HDTV规定了视频必须至少具备720线非交错式（720p，即常说的逐行）或1080线交错式隔行（1080i，即常说的隔行）扫描（DVD标准为 480线），屏幕纵横比为16:9。音频输出为5.1声道(杜比数字格式)，同时能兼容接收其它较低格式的信号并进行数字化处理重放。
HDTV有三种显示格式，分别是：720P（1280×720，非交错式，场频为24、30或60），1080 i（1920×1080，交错式，场频60），1080P（1920×1080，非交错式，场频为24或30），不过这从根本上说也只是继承模拟视频的算法，主要是为了与原有电视视频清晰度标准对应。对于真正的HDTV而言，决定清晰度的标准只有两个：分辨率与编码算法。其中网络上流传的以720P和1080 i最为常见，而在微软WMV-HD站点上1080P的样片相对较多。

美国的高清标准主要有两种格式，分别为1280×720p/60和1920×1080i/60；欧洲倾向于1920× 1080i/50；其中以 720p为最高格式，需要的行频支持为45kHz，而1080i/60Hz的行频支持只需33.75kHz，1080i/50Hz的行频要求就更低了，仅为28.125kHz。

在高清信号的三种格式中，1080i/50Hz及1080i/60Hz虽然在扫描线数上突破了1000线，但它们采用的都是隔行扫描模式，1080线是通过两次扫描来完成的，每场实际扫描线数只有一半即1080/2=540线。由于一幅完整的画面需要用两次扫描来显示，这种隔行扫描技术原理上的限制，在显示精细画面尤其是静止画面时仍然存在轻微的闪烁和爬行现象。但720p/60Hz不同，它采用的是逐行扫描模式，一幅完整画面一次显示完成，单次扫描线数可达720线，水平扫描达到1280点；同时由于场频为60Hz，画面既稳定清晰又不闪烁。

　　我们经常看到的HDTV分辨率是1280×720和1920×1080，这对于如今的显示器而言的确是不小的考验，如果分辨率进一步提高，那么将很难在现有的显示器上获得更加出色的画质，因为此时的瓶颈在于显示设备。另外也可以肯定的是，对于32英寸以下的屏幕而言，1920×1080分辨率基本已经达到人眼对动态视频清晰度的分辨极限，也就是说再高的分辨率也只有在大屏幕显示器上才能显现出优势。

　　除了分辨率是HDTV的关键，编码算法也是不可忽视的环节。HDTV基本可以分为MPEG2-TS、WMV-HD和H.264这三种算法，不同的编码技术自然在压缩比和画质方面有着区别。相对而言，MPEG2-TS的“压缩比”较差，而WMV-HD和H.264更加先进一些。而十分容易理解的是，“压缩比”较差的编码技术对于解码环境的要求也比较低，也就说在硬件设备方面的要求可以降低。

二、HDTV文件格式

MPEG 2
MPEG的全称是运动图像专家组(Moving Picture Experts Group)。MPEG压缩标准是针对运动图像而设计的、基本方法是——在单位时间内采集并保存第一帧信息，然后就只存储其余帧相对第一帧发生变化的部分，以达到压缩的目的。 MPEG压缩标准可实现帧之间的压缩，其平均压缩比可达50：1，压缩率比较高，且又有统一的格式，兼容性好。
MPEG-2标准是在，继MPEG-1以VCD和MP3为代表的MPEG-1产品成功受到到肯定后，于1994年所推出压缩标准，以实现视/音频服务与应用互操作的可能性。MPEG-2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从每秒3兆比特～100兆比特，标准的正式规范在ISO/IEC13818中。MPEG-2不是MPEG -1的简单升级，MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。DVD影碟就是采用MPEG-2压缩标准。
一般采用.mpg、.tp和.ts为后缀的HDTV文件就是采用的MPEG-2压缩的。

MPEG 4
近年来，MPEG-4悄悄地在市场上崭露头角，在最新出品的DV（数码摄像机）、PDA、手机，以至于视频点播、卡拉OK、监控系统等产品说明上，都陆续出现“MPEG-4”字眼，一场取代MPEG-2的市场大战似乎即将打响。
MPEG-4于2000年经国际标准组织ITU和ISO审核后，成为国际视频压缩标准之一。MPEG-4压缩采用了MPEG-4的视频压缩方式，配上 MPEG-1的音频压缩方式（MP3），生成了图像质量接近DVD，声音质量接近CD，却有着更高的压缩比。与以往的“老前辈”MPEG-2相比，MPEG- 4除了具有惊人的数据压缩比，经过MPEG-4的压缩的文件尺寸可以达到MPEG-2的1/3，而仍然保有极佳的音质和画质。可以用最少的数据获得最佳的图像质量，因此满足了低码率应用的需求。
但是由于MPEG-4标准派生出各种规格，例如DivXDivX、XviD等等，代表着不同规格利益的商业集团和一些支持免费共享资源的技术团体相互争斗的结果，导致各种MPEG-4规格的兼容性很差。在播放MPEG-4压缩的视频文件时，往往让人们不知道如何选择。
采用MPEG-4压缩的视频文件的视频文件一般后缀名为.avi，很容易与微软的AVI格式混淆，不容易直接从后缀名辨认，只能通过解码器来识别。

H.264
H.264是由国际电信联盟（ITU-T）所制定的新一代的视频压缩格式。H.264最具价值的部分无疑是更高的数据压缩比。在同等的图像质量条件下，H.264的数据压缩比能比当前DVD系统中使用的 MPEG-2高2-3倍，比MPEG-4高1.5-2倍。正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。在 MPEG-2需要6Mbps的传输速率匹配时，H.264只需要1Mbps-2Mbps的传输速率。
与MPEG-4一样，经过H.264压缩的视频文件一般也是采用.avi 作为其后缀名，同样不容易辨认，只能通过解码器来自己识别。

WMV-HD
WMV-HD是由软件业的巨头微软公司所创立的一种视频压缩格式。其压缩率甚至高于MPEG-2标准，同样是2小时的HDTV节目，如果使用MPEG-2最多只能压缩至30GB，而使用WMV-HD这样的高压缩率编码器，在画质丝毫不降的前提下都可压缩到15GB以下。
WMV-HD，基于WMV9标准，是微软开发的视频压缩技术系列中的最新版本，尽管WMV-HD是微软的独有标准，但因其在操作系统中大力支持WMV系列版本，从而在桌面系统得以迅速普及。在性能上，WMV-HD的数据压缩率与H.264一样，两者的应用领域也极其相似，因此在新一代主流视频编码标准霸主地位的争夺之中，双方展开了针锋相对的斗争，而斗争的焦点集中在下一代光盘规格“HD DVD”和数字微波广播电视等领域。
一般采用.wmv为后缀的HDTV文件就是采用的WMV-HD压缩的。
目前DVD论坛已经初步批准将微软的MPEG-2、H.264和WMA-HD作为下一代DVD即HD－DVD技术的强制执行标准。

三、HDTV解码补偿：WMV-HD催生新格局

　　视频解码以往一直是显卡的发展方向之一，当年VCD和DVD解压甚至都曾依赖专业解压卡来实现。不过随后编码技术发展的滞后让显卡迅速减负，显卡的这些相关技术特性也逐渐淡出视野。然而不得不指出的是，即便有了强大的CPU，MPEG2解码依然会占用大量系统资源，此时显卡进行解码加速将显得十分有必要。更为重要的是，应用MPEG2的不仅仅是现有的DVD-Video。以索尼的HDV标准以及部分HDTV为例，同样是MPEG2编码，由于分辨率大幅度提高，因此对于解码环境的要求也相应提升。此外，当3D游戏运用MPEG2编码视频的时候，这种硬件解码技术有助于通过减小CPU占用率而带来更好的性能，同时也非常适合那些需要多头显示并且一边看HDTV一边上网或是工作的用户。

　　如今主流显卡都实现了MPEG2解码补偿，即以GPU来实现部分解码过程。但是此时仅仅是数据流的渲染处理，并未在算法上取代CPU，因此更多的贡献在于提高画质而并非降低CPU占用率。为了改变这一现状，显示核心巨头nVIDIA和ATi分别在最新的显卡中采用补偿技术，做到了MPEG2硬件加速解码，此时CPU的负荷可以更大幅度地下降。而与MPEG2硬件加速解码相比，或许实现WMV9以及WMV-HD硬件解码补偿更为重要。WMV本身就是MPEG4的一种分支，微软甚至已经推出高分辨率版本的WMV-HD。如果大家体验过1600×1200分辨率的WMV-HD格式的话，肯定会为其惊人的效果所折服。但是WMV-HD对于硬件的要求实在很高，至少需要2GHz以上的Pentium4处理器配合64MB独立显存的显卡，而如果需要达到最佳效果的话，CPU频率和内存以及显卡都必须全面提高。不过在GPU的视频优化技术的帮助下，WMV-HD只需要P3与512MB内存环境即可做到流畅播放，同时也有效缓解了多任务处理用户的压力。

　　高分辨率硬件加速解码技术已经在nVIDIA PureVideo和S3 Chromotion中得到实现，而ATi最新的显卡也具备了AVIVO技术加以优化，可以降低解码时CPU的资源占用率。从这一层面来看，我们已经无需为显卡的解码能力而担忧，而且今后的CPU发展势头完全可以跟上得HDTV的普及速度。

　　不过，刚才我们已经提到，主流HDTV分为MPEG2-TS、WMV-HD和H.264这三种算法，而大多数显卡只能支持MPEG2-TS和WMV-HD解码技术，无法支持H.264。目前只有nVIDIA GeForce7系列以及ATi X1000系列能够支持H.264解码，这意味着目前H.264的解码资源还并不怎么丰富，一般在制片过程中并不会贸然采用这种方式。但是从今后的发展趋势来看，H.264将至少与WMV-HD平起平坐，甚至在技术上更有优势。

四、什么样的显卡适合HDTV应用

　　如今很多显卡都号称具备HDTV功能，那么究竟哪一种显卡的性能更加出色呢？在回答这个问题之前，我们很有必要先了解一下显卡的工作原理。GPU显示芯片处理完的资料会全部传送到显存，然后进入极为关键的RAMDAC单元（Digital Analog Converter）。RAMDAC单元所需要完成的任务便是数模转换，如果你是自动化专业的朋友那么对数模转换原理肯定会非常熟悉，因为显卡芯片处理的是数字信息，而CRT显示器和大多数经济型LCD接收的都是模拟信息，所以这一步是必不可少的。RAMDAC的转换速率以MHz表示，它还决定了刷新频率的高低，其工作速度越高，频带越宽，高分辨率时的画面质量越好。该数值决定了在足够的显存下，显卡最高支持的分辨率和刷新率。如果要在1024×768的分辨率下达到85Hz的分辨率，RAMDAC的速率至少是1024×768×85×1.344（折算系数）/106＝90MHz。虽说如今显卡的RAMDAC很容易就达到400MHz，但是这在几年前却是一个可望而不可即的数字。

　　事实上，显卡技术发展初期的焦点并非是显示芯片，也不是RAMDAC，而是像夹心饼干一样的显存。显示芯片与RAMDAC是两个非常忙碌的高速设备，而显存必须随时受它们两个差遣。每一次当显示屏画面改变，显示芯片就必须更改显存里面的资料，而且这一动作是连续进行的。同样的，RAMDAC 也必须不断地读取显存上的资料，以维持画面的刷新。分辨率越高，从芯片传到显存的资料也就越多，而RAMDAC从显存读取资料的速度就要更快才行，为此显存必须在容量以及速度方面达到一定的要求，对画质而言，其中前者更加重要。

　　对于3D游戏，我们几乎都知道显存的容量并非十分重要，对于显存带宽的需求更加迫切。而在HDTV应用时，由于画面的分辨率实在太高，因此显存容量变得十分有用。如今解码高分辨率的WMV-HD以及H.264时，128MB显存几乎是必须的，推荐使用256MB以获得更好效果。

　　那么显卡的GPU核心对于HDTV应用效果到底有没影响？以ATi的X1000系列为例，无论是X1300还是X1600或是X1800系列，都支持AVIVO技术，此时不同的显卡是不是解码效果不同？其实这个问题应该比较客观地看待，因为即便是该系列中最低端的X1300在配合高性能CPU时也能比较流畅地解码H.264。而如果是CPU和内存配置相对较弱，那么就需要档次更高的显卡。ATi本来的官方规格是，X1300系列只能对480p的H.264进行硬件加速，而X1600系列则可以对720p的H.264进行硬件加速，只有X1800/1900系列才可以对1080p的H.264进行硬件加速。但是实际上这仅仅是ATi的一种建议，在最新版本驱动的支持下，X1300系列也能很好地帮助CPU进行720p甚至1080p的H.264硬件解码。对于显卡的解码技术功能而言，并非是很多用户想象中的纯硬件模块，实际上也是利用软件解码，只不过由GPU主动担负这项工作，因此拥有像素填充率优势的显卡会有着更加出色的表现。

　　此外，如果大家希望将HDTV视频在PC上解码并输出到电视机，那么有必要特别关注一下视频输出部分。显卡在视频输出时画质信号损失必须降低到足够低的程度。毫无疑问，普通的AV接口甚至S-VideoS-Video已经无法胜任，此时VGAVGA或是DVIDVI接口才是首选，而这些已经成为新一代电视机的标准配置。在游戏领域表现不理想的在S3在视频上却有一定的成果，S3 Chromotion视频引擎中，Pure HDTV技术可以将从端口输来YUVYUV数据直接传送到TV/HDTV内部的DACDAC设备中去，此时高清晰度电视从GPU得到的数据没有受到任何处理或干扰，从而表现出更为完美的画质。

五、HDTV画质表现：视频优化技术介绍

　　很多用户都会有这样的体验：某某显卡的视频画面更加出色。而之所以有这样的说法，除了部分是心理因素，显卡本身的视频优化技术也十分重要。可以这样认为，显卡GPU的功能基本决定了HDTV解码的速度表现，而画质出色与否还需要一些视频优化技术进一步优化。如今nVIDIA、ATi和S3都具备相应的视频优化技术，诸如nVIDIA Pure Video、ATi AVIVO以及S3 Chromotion都很值得肯定。

　　2D平面处理用户都有过这样的体验，当我们在PhotoShop中把图像尺寸大幅度放大之后，边缘总是会出现锯齿。视频是由连续的图像构成，在拉伸分辨率或是大屏幕设备回放时，自然也有出现令人难以忍受的锯齿现象。既然3D游戏可以通过FSAA技术来消除锯齿，为何视频就不行呢？这简直是一个长久以来的发展与应用误区！

　　熟悉电视卡应用的读者应该都接触过Dscaler这款软件，它最大的优点便是支持“反交错”处理，不过此时完全依靠软件工作。而现在例如主流的nVIDIA显卡的PureVideo技术本身已经包含了“反交错”处理功能，并且使用硬件方式来实现，不仅效果更为出色而且不会占用大量系统资源。PureVideo的“反交错”处理方法分为BOB和WEAVE，可以针对不同类型的交错条纹，从而带来清晰稳定的模拟视频画面，是电视卡以及视频卡的绝配。

　　除了反交错技术以外，3：2折叠也是PureVideo技术中的一大特色。普通电视与电影的内容都遵从胶卷和视频的24 FPS标准，即便经过数字化编辑处理后也没有没有改变帧速率。然而，DVD视频也有自身的标准，一般总是转换到30 FPS以符合播放标准。可以看到，不同格式之间的帧速率差异引起了问题，因为在新格式中每秒钟的视频需要补偿6个帧。这些新的帧是通过合并可用帧的区段来创建的，因而通常可能造成图像模糊不清。nVIDIA的PureVideo技术尝试通过拆开3：2折叠的图案，并使用原始的和高品质的帧和区段来创造平滑的动画和更好的图像品质。PureVideo技术另外令人感到十分细致的地方便是对3：2折叠算法的修正。有时在采用3：2折叠来纠正视频问题时候也会引来新的矛盾，通过对电影和视频后期制作剪辑的时候，有可能会在视频中帧图案被破坏的地方发现斑点。好在PureVideo技术能够识别出正确的图案，快速进行图像纠正，从而基本避免了这一尴尬问题。

　　然而与PureVideo技术相比，S3的Chromotion视频引擎更胜一筹。Edge Enhancement技术可以更加广泛地适用于克服各种视频边缘锯齿，整体效果优于PureVideo 的“反交错”处理功能。

　　更为重要的是，S3 Chromotion视频引擎所实现的视频优化功能还不仅仅是抗锯齿，其自动调整功能延伸到视频降噪、YC分离优化、对比度调节、白平衡处理、锐化视频等。

　　对于用户而言，Chromotion视频引擎提供的这些视频优化功能都相当实用，好比在播放视频时实现了自动滤镜优化，能够明显改善视频效果，甚至让本身低画质的视频很好地兼容高清晰电视，也更加适合网络传输时代的视频应用。

　　当然，ATi的AVIVO技术也有十分出色的表现，甚至是三大品牌中最为凸出的。对于支持AVIVO的X1000系列年而言，数字图像在输出之前都经过一系列的处理，包含捕获，编码，解码，处理，最后才能显示。在捕获这一环节，又包括了自动增益控制、3D梳状滤波器、12bit模数转换、硬件降噪、具备多通道取消的多数字解调功；在编码环节，X1000系列除了提供硬件辅助编码之外，还能辅助性的将MPEG-2视频转为H.264视频，这是目前nVIDIA和S3所不能做到的，辅助性的功能使得CPU的占有率大大降低，系统运行速度更快。在最后的处理过程中，显卡必须对视频质量进行优化，在这个过程中，X1000系列全新的矢量自适应反交错算法改变了之前显卡采用的反交错算法在输出效果方面不如nVIDIA的劣势。而在输出的过程之中，X1000 GPU中都带有两个双连接的TMDS传送器，可支持两个高分辨率显示器的同步输出，这项能力在高端娱乐显卡中可谓首屈一指。另外， X1000又一项明显改进便是终于引入10bit显示管线，实现了10亿种色彩的输出显示能力，我们再也不用怀念当时的Matrox幻日了。

　　小结：在HDTV高清数字电视以及大屏幕宽屏LCD的普及趋势下，DVD Video已经成为了画质瓶颈。尽管当前以xVID与DivX为代表的MPEG4视频也能实现不错的画质，但是这两种编码方式无法实现解码加速，因此无法应用在高分辨率场合。为了改变这一现状，HDTV标准的出台自然显得很有必要。在这样一个过渡时期，我们只能依靠CPU与GPU的合力来体验高清视频的震撼。通过2GHz以上主频的CPU以及支持WMV和MPEG2解码补偿的GPU，此时已经能够获得不错的效果。而如果GPU还支持H.264解码补偿，那么整体效果将更加出色，因为H.264有着更好的画质与前景。展望未来，视频应用将向着更高画质的方向发展，而未来高性能CPU在解码HDTV时摆脱对GPU的依赖也只是时间问题，就好像当初不断发展的CPU最终实现完美的VCD与DVD软解压一样。

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