高清视频编解码技术难点在哪？这三大方法帮你攻克难关-电路图讲解-电子技术方案

众所周知，高清视频相对于rmvb、DVD等标清视频，播放起来对于电脑硬件要求的提升是无疑的。    

一、下面我们先来看看高清视频究竟从哪些方面提升了要求： (一)首先便是视频流量的加大。这是最为直观的一个提升元素，我们可以参照下面的表格，表格中只是简单的提出了“视频源”的流量对比，但其实高清视频的“不同格式”更决定了流量的不同。   可以看出，DVD视频的数据流量只有约9.5Mb/s，但是最高的蓝光可以达到40Mb/s以上，提升了4倍以上，无疑这是硬件配置提升的一个主要原因，因为需要处理的数据量增大了很多。     

 (二)其次便是编码格式的复杂度。我们知道每种编码格式都有其自身的算法，优秀的算法可以将视频压缩到更小的体积，但是还原这种算法却需要更强的计算能力。H.264高清编码格式就是典型的代表。也许有些读者会碰到一些高清视频，但是播放要求并不高，那可能它就是采用一些简单的算法，比如Mpeg2的高清编码格式，但是遇到类似H.264编码格式，就会出现无法流畅播放的情况。   现在看来，H.264因为优秀的算法取得了广泛的支持，它的算法虽然复杂，但是能获得最高的压缩同时视频细节损失很小，因此想要在未来流畅的播放高清视频，H.264编码视频是必须通过的一个考验。当然我们也不能忽视VC-1编码，它是微软力推的编码格式，也受到了广泛的支持，其要求虽然略低，但同样造成了目前很多主流电脑的“播放困难”。至于Mpeg2高清编码，其要求很低，未来发展的前景也不突出。   我们再来了解一下，这些编码在电脑上是如何被处理器的。视频编码的处理一般分为几个步骤，每个步骤会完成相应的任务，而解码的时候也会存在这些步骤，从而达成影片的顺利播放。那么谁来处理这些工作呢，早期在电脑上，解码播放的大部分步骤都是CPU来处理，也就是处理器软件解码(以下简称软解)播放，这也就是CPU占用率为什么会很高的原因。   简单的来说，目前任何一台主流电脑或者说哪怕几年前的电脑，使用处理器软解播放之前所有的标清视频都没有任何问题。而高清视频中，Mpeg2高清编码的视频要求最低，VC-1编码的视频其次，而要求最高的H.264高清视频可能会导致很多老式的电脑都无法流畅播放。   虽然现在硬件发展速度飞快，用户可以采用高档四核处理器把软解播放高清的CPU占用率控制在50%以下，但这类处理器的价格却很高，装机成本大幅增加。而双核处理器虽然便宜了不少，但软解播放的CPU占用率又可能会很高，甚至高到无法流畅播放的程度。   如果想要减轻CPU的负担，则必须有另一个配件来接手编码处理工作，显卡自然成为了最佳选择，也就是用显卡里的引擎替代CPU完成视频解码的处理任务，从而释放CPU的负载。CPU作为通用处理器，进行视频解码这类事效率有限，但是显卡却可以直接硬件集成视频解码引擎，从而达到极高的功效。  

二、高清视频的编码流程　　 那么究竟高清编码的步骤有哪些，哪些又是负载最高的部分呢?以H.264视频举例而言，分为四个主要部分(见下图)。图中的四个方块基本就是H.264解码的四个最主要步骤，也是资源消耗的主要四个部分，其中又以第一步的“CAVLC/CABAC解码”最为消耗运算资源，这方面远高于其他三步(简单的说，CAVLC/CABAC是H.264编码规范中两种不同的算法，际俏了提高压缩比，其中CABAC比CAVLC压缩率更高，但解码时自然也要求更高)。   　　   

三、高清视频的解码流程 我们下面来看看主流的3种编码格式，包括Mpeg2、VC-1、H.264的解码流程对比(见下图)。可以看出，几种编码格式还是有不少区别的，这也是造成几种编码格式要求不同的原因，H.264编码格式最为复杂，因此系统要求最高，VC-1略有降低，但是也比Mpeg2高得多。 

 其它编码格式与H.264类似。  

四、高清解码资源消耗分析 那么究竟哪个步骤最为消耗CPU占用率呢?下面的测试对比应该最能说明问题(见下图)。对比的视频包括Mpeg2和H.264(AVC)，其中上面我们讲到的四个步骤都有涉及。显而易见，“流处理”是所有编码格式中最为消耗处理器运算的部分，但是Mpeg2视频的这部分还并不会造成很大的困扰，因为CPU的占用率还不到2%。     

 但是对于H.264来说，问题就出现了，20Mb/s编码率的视频流处理过程就会达到不小的CPU占用率，40Mb/s的高编码率视频更为夸张，流处理的过程CPU占用率上升极快，加上别的处理，总CPU占用率很高毫不奇怪。   上文已经提到，这四个步骤的处理配件不同，主要是CPU和显卡。在之前，CPU因为处理了更多的步骤，所以占用率高居不下，因此如果显卡能承担越多的解码步骤，CPU就能释放更多的负载，以保证视频播放的流畅。   下图H.264的解码过程很好的说明了问题。如果显卡不承担任何步骤(图解第一行)，那么CPU占用率很高，甚至根本无法流畅播放;如果显卡能实现后两个步骤的解码处理(图解第二行)，CPU可以获得部分解放，但是对于比较关键的、负载最大的“流处理”，部分显卡还不能实现，所以CPU占用率有所下降，但是仍然偏高。 

 通过具有H.264硬件解码引擎的显卡，就可以完成H.264编码的全部4个处理步骤(图解第三行)，也就是实现全程解码，这就是它们能让H.264高清视频播放的CPU占用率大幅度下降的根本原因。既然显卡完成了所有的高清解码处理，那么CPU自然就空闲了。而我们所谓的部分解码，就是CPU仍然承担一定的处理任务，因此占用率仍然要高出不少。                                          

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据美国能源信息管理局统计，2014年美国能源的平均零售价格为10.44美分/千瓦时，预计输配电损耗为5%。这一损耗值似乎很低，但是这必须考虑到美国的总净发电功率是4.1万亿兆瓦时。在这种情况下，5%的损耗意味着超过2000亿千瓦时和210亿美元的损失，因此努力改善电力传输方式成为我们的优先事项。     高压直流(HVDC)输电是为减少输配电损耗而实施的解决方案之一。为什么HVDC比常规交流输电更高效呢？HVDC输电线路的损耗比相同电压的AC线路少30-50%。当电压和电流变得异相时，HVDC可以提高功率因数。因为DC没有与其相关的频率，因此它不受集肤效应的影响，可以降低通过线路传输的总功率。当电流密度集中在表面或“外肤位置”时，会发生集肤效应，并且当其朝导体中心移动时会渐渐稀疏。沿表面的电流密度越高，AC的有效电阻也就越高。HVDC还提高了网络的可靠性。某些类型的HVDC站可以帮助稳定异步网络。   那么这么大量的电力如何从全国范围内传输到你家呢？电力首先从源开始，被传输到换流站，在整流为DC电压前，AC在这里被升级至所需电压。然后，电力可以作为HVDC通过远距离转移到另一个换流站，在那里被重新转换为AC，某些类型的换流站具有控制有功和无功功率的增值效益。然后变压器将AC电力提高到所需的电压，以根据需要将电压传输和配送到家庭和/或工厂。图1展示了这一完整过程。     图1：传输过程（输电线路图片由美国杜克公司提供）   最常见的换流站类型是电网换相换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）。   电网换相换流器 目前运行的大多数HVDC系统采用LCC拓扑。LCC的效率稍高于VSC，能够传输更大数量的电力。其典型电压电平为450kV或500kV；然而，中国有几条800kV的线路。由于采用脉宽调制（PWM）技术，LCC不会像VSC那样出现开关损耗。LCC使用晶闸管作为开关装置。多个晶闸管串联成三相整流器的单支线路，即构成了所谓的“阀”。   由于晶闸管只能接通，不能断开，因此交流电压会使晶闸管发生反向偏置并停止传导。因此，LCC中的晶闸管的偏置取决于电网AC侧用于换流的功率。在晶闸管正向偏置后导通时的延时决定了相位角延迟（触发角）。晶闸管的相位角延迟实现了交流波的相位角控制。   LCC有两种典型的架构：6脉冲桥和12脉冲桥。图2所示为6脉冲桥，其使用六个晶闸管阀：每个相位使用两个阀来传导正负电压波形。LCC的谐波响应能力非常差。为了弥补这一点，通过将两个6脉冲桥串联形成12脉冲桥则可以改善谐波。   图2：LCC配置（图片由EE web提供）   通过分析信号，可以控制进出换流器的波形。适当地分析信号能够让系统知道电压和电流电平以及功率因数，并且有助于确定线路上是否存在任何故障。保护继电器或智能电子设备(IED)分析信号。请参见图3。   图3：信号解释   TI有几个介绍信号分析方法的设计指南。使用Delta-Sigma芯片诊断来测量保护继电器中AC电压和电流的参考设计讨论了如何通过使用电流互感器、分压器或罗戈夫斯基线圈来采集输出信号。然后，该信号由隔离和非隔离运算放大器进行调节，以增加振幅，抑制任何共模电压和噪声。随即由ADC分析经调节的信号。从ADC获得的数字化信息被传递到MCU进行解释。根据波形确定的信息反馈到换流器的控制装置，从而将对不断变化的相位和电压电平进行调整以保持稳定性。   本系列的第二部分将讨论VSC及其优点，并将其与LCC进行比较。   请继续关注本两部分博客系列的第二部分，其中将讨论电压源换流器（VSC）。       -电子元器件采购网（www、oneyac、com）是本土元器件目录分销商，采用“小批量、现货、样品”销售模式，致力于满足客户多型号、高质量、快速交付的采购需求。自建高效智能仓储，拥有自营库存超50,000种，提供一站式正品现货采购、个性化解决方案、选项替代等多元化服务。 （本文来源网络整理，目的是传播有用的信息和知识，如有侵权，可联系管理员删除）