网友再次呕心沥血 HTPC知识普及第二讲

HTPC讲座第二课：闻其声看其人

    上回说了一些HTPC的概况，相信大家对HTPC有了些大致的概念。从这一讲开始我们开始深入细节，讲讲HTPC的一些具体的知识。今天就来说说视频音频相关的东西。

    好，开始上课！

    LESSON 2

    去年的奥运会大家还记得吧，大家一定对“奥运高清频道”记忆犹新吧。虽然它不是全国第一个高清频道，但是凭借奥运会的影响力，着实火了一把。人们也开始越来越关注“高清节目”了。“高清节目”给人们带来的体验是与普通模拟信号的节目是不一样的，就算是同样的一部影片，高清版的欣赏起来无论是画面质量，音效来说都与传统模拟信号的节目有着天壤之别。“曾经沧海难为水，除却巫山不是云”很有点这个味道。那么大家有没有想过为什么一定要装个“机顶盒”才能收看高清节目呢？

    其实这个“机顶盒”是个解密解码的硬件设备。当模拟信号输入机顶盒通过硬件解码转化为数字信号直接输入电视机或者其他显示设备，还有调节视频音频输出效果等功能。也可以把它理解才成一个视频的功放。

    我们现在所看到各地的一些高清节目（不管是否收费）均采用MEPG2编码方式，也就是经过压缩过的。为什么要那么做呢？下面笔者来解释下：我们看到的高清节目原始的输出文件非常之大，一般的节目是以“G”为容量计算单位，而通过专业高清摄像机输出的文件是以“T”为计算单位。比如SONY爱用的HDCAM-SR格式。HDCAM-SR格式有比常规的录像带格式大好几倍的录制能力，是专门为适合极高质量的数字现场拍摄而开发的。

    高清节目录制下来后的原始文件要经过某种算法的编辑，使其体积压缩掉至少75%（比较先进的算法压缩比可达到惊人的100:1甚至更高）。经过压缩后的文件体积大幅度减少，这样就可以传输了。模拟传统电视信号混杂高清电视信号经过有线电视网进入用户家中，直接接入不带机顶盒解码的电视机（东芝有一款内部集成高清机顶盒的平板电视），那么输出的节目就是传统的电视节目。如果经过高清机顶盒将高清信号分离，经机顶盒解码输出到平板电视，就是我们所看到的1080i的高清节目。

视频中的编码是指什么？

一，视频

1，编码
 
    下面笔者就来说说这神奇的视频压缩编码。主流编码方式有MPEG-2，H.264，VC-1三种，这也是现在高清影片主要采用的编码。

    MPEG-2：是一个比较古老的编码格式。由动态图像专业组织（Moving Pictures Experts Group）后简称“MPEG”于1994年推出的压缩标准。MPEG-2诞生后被广泛应用于DVD作为载体的影片中，因为压缩比高，所以当时的电脑硬件播放DVD都比较吃紧。随着ATI的3D RageII的发布宣告了硬件加速MPEG-2时代的开始。“硬件加速DVD”是一个当时很时髦的概念，就像现在的“硬解高清”一样。因为MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mb/s间，无法胜任现在HDTV的需要（现在一般的VC-1码率都要在30Mb/s以上，H.264因为本身编码复杂度要高于VC-1，码率更高），所以MPEG-2很少在如今的高清电影中出现。当初索尼宣布蓝光DVD支持仅MPEG-2的想法真是现在看来比较奇怪，不过当时没有比他更适合的格式了：压缩比高，体积在可接受范围。后来MPEG组织与时俱进创造了MPEG-4 AVC编码，也就是现在的H.264编码，MPEG-2编码逐渐在高清影片中淡出了。MPEG-2仅出现于早期的蓝光DVD和HD DVD电影中，成为了历史。

    VC-1：高清编码怎么能够少了微软这个重量级人物？！微软是一个不会错过任何一个机会称霸全球的公司，很多领域他都有涉足，视频编码也不例外。VC-1其实是Windows Media Video 9所衍伸出來的。从压缩比上来看，H.264的压缩比率更高一些，也就是同样的视频，通过H.264编码算法压出来的视频容量要比VC-1的更小，但是VC-1 格式的视频在解码计算方面则更小一些。微软原先计划是用WMV-HD作为编码推向高清市场的，可是因为WMV-HD不能实现多声道的数字输出，压缩比上面也逊色于H.264。所以微软马上推出改进版VC-1对抗H.264。

        H.264：又称为MPEG-4 AVC。为什么会有两个名字？H.264是ITU-T（国际电联）的命名，MPEG-4 AVC是 ISO/IEC（国际标准化组织）的命名。这两个组织共同组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）开发的标准。听起来比较麻烦，说简单点就是一对夫妻生的孩子在男方家里叫“小虎子”在女方家里叫“二狗”。我们现在觉得“二狗”这个名字叫起来上口，于是大家也那么叫了，在两家人眼里这两个名字其实指的都是同样一个孩子。 H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。这样带来的直接影响就是：对解码设备的要求比较高。不过正如第一讲说到的那样，如今的主流硬件无论是硬解还是软解都能胜任任何一种解码任务。

    H.264是需要付费的编码格式，于是X264就出现了。X264是针对业余市场推出的一个免费编码格式，能实现H.264的部分功能。这种编码功能上有诸多限制，比如封装只能mkv，720P等。因为它的出现，我们可以享受更多体积更小，画质差别在可接受范围，对硬件要求较低的高清影片。

    三种编码中，MPEG-2的权益金最少，对硬件的要求最低。H.264与VC-1的授权费用近似，但是因为H.264是两个组织共同开发的，所以价格比较稳定，就算要提价也要经过一段时间的商议。微软是最让人提心吊胆的公司，虽然他们现在的定价相对比较合理，但是谁知道以后会有什么情况发生呢？哪天微软一不开心，擅自提价，运营商根本无法保证自己的权益。微软这样的做法历史上也不是没有出现过... 综合看来目前以MPEG-2为编码的高清片源几乎绝迹，H.264与VC-1占了主导地位。

视频中的封装是指什么

2，封装

    所谓封装就是一个开放及自由把资料存放的格式。开发者承诺大家可以自由地使用这种格式和经这种格式所开发的软件；又不会在这种格式普遍的时候变成一个商业的科研项目。太复杂，看不懂？对啊，笔者也觉得拗口，给大家通俗地解释下吧：假如你要寄一个EMS。里面内容有两本书，一本书叫“视频”，一本书叫“音频”。我们现在用绳子将这两本书捆扎一下，然后放入EMS的壳子中。通过邮政渠道寄到了客户手中（传输到另一个用户）。客户打开壳子，看到两本捆起来的书，用剪刀把它剪开（播放器中的分离器开始工作）。拿起“视频”这本书，翻阅了下：居然是“火星文”的，看不懂，找来“金山词霸火星版”一个一个字查阅（视频解码），才读懂这本叫做“视频”的书。那本“音频”的书是木星文的，同样也要翻译。客户很高兴得读懂了两本书（看完了一个节目），精神世界得到了充实。
.vob,.evo,.ts,.mkv.avi结尾的视频文件都是常见的封装格式。而MPEG-2,Sorenson 3，DivX，XviD，H.263,H.264都是编码。请大家不要将编码和封装混为一谈。

    下图是高清播放常用的软件“终极解码”的一个设置面板，我们可以清楚地看到里面的一些选项，包括解码器，分离器，硬解开启，播放器选择等等等等。这个软件以后我们还会仔细得介绍。大家要注意的是这里的分离器和解码器并非只有一种，彼此的兼容性不一样，执行效率也不一样，所以需要人工设置效率最高的那种达到事半功倍的效果。

    我们平时也会听到有种“蓝光封装”的说法。这里的封装和我们上面所说的封装完全不是一个意思。蓝光封装指的是把经过压缩编码好的视频音频文件用物理的方法写入蓝光光盘。很多人都认为蓝光DVD和HD DVD就是“高清电影”。其实这种想法是错误的。蓝光DVD和HD DVD其实只是个“载体”，就像硬盘，软盘，优盘一样。如果优盘的传输速度和容量可以满足“高清电影”的播放要求，它也能作为载体。我们可以看到索尼和微软都推出了支持蓝光DVD和HD DVD的游戏机，说明了这两种载体还可以作为游戏工具使用。他们的真正目的只是为了存放大量的数据，视频文件的存放只是其中的应用之一。

数字音频的产生

二，音频

1，数字音频的产生

    要了解音频还要从数字音频是如何产生的说起。很多读者小时候都曾经买过磁带吧，就是那种放到录音机里面使用的卡带。还有录像带，小时候经常把喜欢看的节目复制到录像带上面，然后和同学们交流。

    录像带和录音磁带都是模拟信号的载体。录像带是具有音频和视频两种信息的载体，包含了音频。中国大陆常见的是VHS制式。不管是录音磁带还是录像带，他们的存储原理是利用了电流产生的磁场改变磁带上面磁粉（氧化铁）的排列状态来记录信息的。当我们要播放音乐/视频的时候，磁带经过磁头，读取出磁带上磁粉的排布来还原信息。最早的音频载体是唱片，是利用了声音的变化驱动刻纹刀在蜡盘或胶片上以尖刀刻纹的方法记录音频的。这就是我们俗称的“黑胶唱片”。

    由于唱片放音效果的失真度、频率特性、动态范围、信噪比等项指标都超过了磁带，所以在音频领域反而比磁带更具有生命力。但是无论是唱片，录像带还是录音磁带都有个致命的缺点：寿命短，多次翻录信息会失真，保存的时候对环境要求较高。模拟音频的播放器采用的都是机械结构，在使用到一定的时间机械传动的部件有可能会发生磨损，影响播放效果。在人类进入了“数字时代”以后，我们的音频也随之发生了变化。数字音频的优势很明显：资料复制与传输都不会失真，信息具有可编辑性。播放器都是采用集成电路设计，稳定性较好。

    那么如何将模拟音频转化为数字音频呢？这并非特指将模拟音频载体上的声音信号转化成数字音频，还指的是将模拟的音频源信号不经过模拟音频的载体直接转化为数字音频。比如说现在笔者要在家录制自己的“专辑”时，就牵扯到一个从笔者原始声音（模拟音频）转化成音频文件（数字音频）的过程。因为数字音频具有可编辑性，所以制作人（也是笔者自己）可以对声音的一些缺陷部分进行编辑—修改，降噪，提高音阶，混音等这些只能在专业音乐工作室才能实施的操作，从而制作出一张满意的专辑。早期的唱片是无法对输出的声音进行任何修饰操作的，所以听起来是原汁原味的。后来的录音磁带也只有在专业的工作室使用专业的设备才能进行编辑。如今数字音乐的诞生对于音乐文件的编辑可以在普通的电脑上面就可以进行。将模拟声音数字化最早采用PCM编码，即是脉冲代码调制编码。由于模拟音频信号非常复杂，PCM需要通过采样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。

音频编码讲解：PCM和杜比THD

二，音频编码

    说完视频改说说音频了。一部高清节目如果仅仅有画面而没有声音是欠缺的。而你如果对音频的理解还停留在DVD时代，认为音频做到那种效果已经是很完美了那真的太遗憾了，因为高清音频远远比视频更让人着迷，这种感觉只有真的受到过震撼的人才能体会。留着这份期待，下面我们先来学习下音频编码吧。

1，PCM

    PCM是模拟转化为数字音频的最原始编码，但是这种编码实在是太大，到底有多夸张呢？下面我们来看一下：

如果图上的内容看不清请点击放大。
我们可以清晰得看到：第一行是画质：1920*1080分辨率，采用AVC（H.264视频编码），2.35：1高宽比（宽屏电影）。第二行就是我们这次要说的重点了：英文语音输出是采用5.1声道未经压缩的PCM编码（48kHz/16bit）。这是个什么概念呢？

PCM码率计算公式是：码率=采样率* 采样精度*声道数目 
这里48kHz是采样率，16bit是采样精度，5.1是声道数。
PCM 5.1(48kHz, 16bit)=48000x16x5=3840000 (bits/s)=3.75M (bits/s)

这里为什么要乘以“5”而不是“5+1”的声道数呢？因为所谓的“0.1”重低音声道，不应该计算在内。笔者在之前的文章里面犯了这个原则性的错误，幸亏热心读者提醒，这次修正这一错误。

这部影片的片长为138分56秒等于8336秒，所以采用PCM编码的音频容量为8336*3.75M(bits/s)=31260Mbits，（bits和bytes的核算要除以8）约合3.9075G。这是个什么概念呢？如果采用DVD介质，单单是声音一个部分，就要占据大约一张盘的容量！何况这张影碟还有其他的音轨。也只有蓝光才能有这样的容量存储下体积如此庞大的音频文件。如果让光线/同轴作为音频输出带宽会不足，最多只能满足二声道的PCM。所以在DVD时代，PCM是非常奢侈的也是非常稀少的音频编码，更多采用AC-3或者DTS来完成音频部分的效果。如今配合高带宽的HDMI接口，7.1 PCM输出都是可以轻松达到的！

    如此庞大的体积我们需要对他进行压缩：以特定的算法进行压缩，期间的音质有可能下降，最终目的是为了能够减小体积，达到更加方便传输的目的。

2，Dolby TrueHD

    Dolby TrueHD是杜比实验室专门为了HDTV开发的新一代无损压缩音频编码。TrueHD可以支持HD DVD格式下多达八个全频带无损声道，其中包括环绕声，取样率高达192kHz。此外，该技术不仅能应用于5.1环绕声，还能支持的7.1环绕声，但其最多可支持达13.1个声道。PCM采用的是静态码率，而Dolby TrueHD则采用的是先进的动态码率：当需要表现大量声效时，码率变大，反之减小。Dolby TrueHD在蓝光DVD中最高码率为18Mbps，对于音频来说这已经是相当高的数据量了！

音频编码讲解：杜比DP与DTS-HD

3，Dolby Digital Plus（ DD+）

  Dolby Digital Plus技术是一种有损压缩技术，是专为所有的高清节目与媒体所设计的下一代音频技术。从参数和应用领域来看，都像是Dolby Digital的一个加强版，与之前所有家庭影院完全兼容。码率最高可达6Mbps，在蓝光DVD中码率最高为1.7 Mbps，相比较无损的Dolby TrueHD，差距就很明显了。

4，DTS-HD

    DTS公司是一家专注于发展高品质娱乐体验的数码高科技公司，DVD时代随处可见的它的标志被印刷在硬碟，功放，游戏封面上。当杜比实验室发布了Dolby Digital Plus后，DTS公司也宣布了其最新研发的DTS-HD。DTS-HD并不是一个音轨格式，它包含有损压缩DTS-HD High Resolution Audio和无损压缩DTS-HD Master Audio，两者都支持7.1音轨。前者在蓝光DVD中最高码率为6Mbps，后者则可以达到28Mbps。因为DTS-HD High Resolution Audio是有损压缩技术，为了空间牺牲了音质。DTS-HD Master Audio是无损压缩技术，与Dolby TrueHD一样，也是采用了动态码率技术。它具有更高的互换性和扩张性，除了兼顾更高音质、更多声道外，还能兼容网络下载内容的互动性。取样频率和声道选取也更加灵活。但依然保持了压缩比例比DD+小的特点，故声音信息损失少、细节更为丰富。
    DTS的良好向下兼容性能够让我们在不具有HDMI接口的传统功放上面也能欣赏DTS-HD的音效。不过仅仅能够满足基本功能，要听纯正的DTS-HD还是需要解码器和HDMI功放的。

    从市场定位上来看，Dolby Digital Plus对应DTS-HD High Resolution Audio，Dolby TrueHD对应DTS-HD Master Audio。两家公司都有满足不同需求的产品。  

    今天的课就上到这里，大家想必都听得迷迷糊糊了吧。老师刚开始接触的时候也不知所云。大家可以回去下载几部高清样片了解了解，多看看多听听自然就会了解。