淺析三大主流高清視頻編解碼技術(shù)

眾所周知，高清視頻相對于rmvb、DVD等標清視頻，播放起來對于電腦硬件要求的提升是無疑的。

一、下面我們先來看看高清視頻究竟從哪些方面提升了要求：

(一)首先便是視頻流量的加大。這是最為直觀的一個提升元素，我們可以參照下面的表格，表格中只是簡單的提出了“視頻源”的流量對比，但其實高清視頻的“不同格式”更決定了流量的不同。

可以看出，DVD視頻的數(shù)據(jù)流量只有約9.5Mb/s，但是最高的藍光可以達到40Mb/s以上，提升了4倍以上，無疑這是硬件配置提升的一個主要原因，因為需要處理的數(shù)據(jù)量增大了很多。

(二)其次便是編碼格式的復雜度。我們知道每種編碼格式都有其自身的算法，優(yōu)秀的算法可以將視頻壓縮到更小的體積，但是還原這種算法卻需要更強的計算能力。H.264高清編碼格式就是典型的代表。也許有些讀者會碰到一些高清視頻，但是播放要求并不高，那可能它就是采用一些簡單的算法，比如Mpeg2的高清編碼格式，但是遇到類似H.264編碼格式，就會出現(xiàn)無法流暢播放的情況。

現(xiàn)在看來，H.264因為優(yōu)秀的算法取得了廣泛的支持，它的算法雖然復雜，但是能獲得最高的壓縮同時視頻細節(jié)損失很小，因此想要在未來流暢的播放高清視頻，H.264編碼視頻是必須通過的一個考驗。當然我們也不能忽視VC-1編碼，它是微軟力推的編碼格式，也受到了廣泛的支持，其要求雖然略低，但同樣造成了目前很多主流電腦的“播放困難”。至于Mpeg2高清編碼，其要求很低，未來發(fā)展的前景也不突出。

我們再來了解一下，這些編碼在電腦上是如何被處理器的。視頻編碼的處理一般分為幾個步驟，每個步驟會完成相應的任務，而解碼的時候也會存在這些步驟，從而達成影片的順利播放。那么誰來處理這些工作呢，早期在電腦上，解碼播放的大部分步驟都是CPU來處理，也就是處理器軟件解碼(以下簡稱軟解)播放，這也就是CPU占用率為什么會很高的原因。

簡單的來說，目前任何一臺主流電腦或者說哪怕幾年前的電腦，使用處理器軟解播放之前所有的標清視頻都沒有任何問題。而高清視頻中，Mpeg2高清編碼的視頻要求最低，VC-1編碼的視頻其次，而要求最高的H.264高清視頻可能會導致很多老式的電腦都無法流暢播放。

雖然現(xiàn)在硬件發(fā)展速度飛快，用戶可以采用高檔四核處理器把軟解播放高清的CPU占用率控制在50%以下，但這類處理器的價格卻很高，裝機成本大幅增加。而雙核處理器雖然便宜了不少，但軟解播放的CPU占用率又可能會很高，甚至高到無法流暢播放的程度。

如果想要減輕CPU的負擔，則必須有另一個配件來接手編碼處理工作，顯卡自然成為了最佳選擇，也就是用顯卡里的引擎替代CPU完成視頻解碼的處理任務，從而釋放CPU的負載。CPU作為通用處理器，進行視頻解碼這類事效率有限，但是顯卡卻可以直接硬件集成視頻解碼引擎，從而達到極高的功效。

二、高清視頻的編碼流程

那么究竟高清編碼的步驟有哪些，哪些又是負載最高的部分呢?以H.264視頻舉例而言，分為四個主要部分(見下圖)。圖中的四個方塊基本就是H.264解碼的四個最主要步驟，也是資源消耗的主要四個部分，其中又以第一步的“CAVLC/CABAC解碼”最為消耗運算資源，這方面遠高于其他三步(簡單的說，CAVLC/CABAC是H.264編碼規(guī)范中兩種不同的算法，際俏了提高壓縮比，其中CABAC比CAVLC壓縮率更高，但解碼時自然也要求更高)。

三、高清視頻的解碼流程

我們下面來看看主流的3種編碼格式，包括Mpeg2、VC-1、H.264的解碼流程對比(見下圖)?？梢钥闯?，幾種編碼格式還是有不少區(qū)別的，這也是造成幾種編碼格式要求不同的原因，H.264編碼格式最為復雜，因此系統(tǒng)要求最高，VC-1略有降低，但是也比Mpeg2高得多。

其它編碼格式與H.264類似。

四、高清解碼資源消耗分析

那么究竟哪個步驟最為消耗CPU占用率呢?下面的測試對比應該最能說明問題(見下圖)。對比的視頻包括Mpeg2和H.264(AVC)，其中上面我們講到的四個步驟都有涉及。顯而易見，“流處理”是所有編碼格式中最為消耗處理器運算的部分，但是Mpeg2視頻的這部分還并不會造成很大的困擾，因為CPU的占用率還不到2%。

但是對于H.264來說，問題就出現(xiàn)了，20Mb/s編碼率的視頻流處理過程就會達到不小的CPU占用率，40Mb/s的高編碼率視頻更為夸張，流處理的過程CPU占用率上升極快，加上別的處理，總CPU占用率很高毫不奇怪。

上文已經(jīng)提到，這四個步驟的處理配件不同，主要是CPU和顯卡。在之前，CPU因為處理了更多的步驟，所以占用率高居不下，因此如果顯卡能承擔越多的解碼步驟，CPU就能釋放更多的負載，以保證視頻播放的流暢。

下圖H.264的解碼過程很好的說明了問題。如果顯卡不承擔任何步驟(圖解第一行)，那么CPU占用率很高，甚至根本無法流暢播放;如果顯卡能實現(xiàn)后兩個步驟的解碼處理(圖解第二行)，CPU可以獲得部分解放，但是對于比較關鍵的、負載最大的“流處理”，部分顯卡還不能實現(xiàn)，所以CPU占用率有所下降，但是仍然偏高。

通過具有H.264硬件解碼引擎的顯卡，就可以完成H.264編碼的全部4個處理步驟(圖解第三行)，也就是實現(xiàn)全程解碼，這就是它們能讓H.264高清視頻播放的CPU占用率大幅度下降的根本原因。既然顯卡完成了所有的高清解碼處理，那么CPU自然就空閑了。而我們所謂的部分解碼，就是CPU仍然承擔一定的處理任務，因此占用率仍然要高出不少。