H.265標準下視頻軟解與硬解的對比

1.概念

從數字視頻誕生以來，硬解碼和軟解碼的說法一直伴隨著它的發展。數字視頻的軟解碼是指在通用CPU上通過專門的播放軟體解碼並播放視頻；而硬解碼則是指在專用的硬體解碼模塊解碼視頻，然後將解碼數據送至顯示屏播放。嚴格來說，並不存在純粹的硬解碼，因為即使有硬體協處理模塊存在，整個解碼過程也需要軟體來控制。所以本文所討論的是約定俗稱的軟解碼和硬解碼。

2.歷史

早在20世紀80年代，數字視頻商業化應用（Sony的D1格式，http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_video#History）已經出現。那時的數字視頻是未經壓縮地存儲在磁帶上，所佔空間非常大，其相關產品極其昂貴，普通消費者難以承擔，因此數字視頻的概念沒有普及。1992年數字視頻壓縮標準MPEG-1的發布，尤其後來的基於該標準的VCD標準發布以及相關產品的問世，極大地推動了數字視頻在消費領域的發展，同時也使數字視頻的概念在消費者中得到了普及。後來的MPEG-2和基於其上的DVD和數位電視的普及，讓消費者欣賞到更高品質的視頻節目。新世紀的H264標準和其它私有視頻標準如RM，WMV，VP8格式等，極大促進了網絡視頻的快速發展。去年新一代標準H.265的推出，標誌著數字視頻技術和產業達到了一個新的高度。

在數字壓縮標準（技術）不斷進步的同時，它的編解碼技術、手段也有不斷的創新。數字視頻壓縮標準剛剛誕生的上世紀90年代初，通用CPU計算能力遠遠無法滿足解碼需求，所以那時的解碼方式全部採用專門硬體解碼晶片來解碼，如VCD播放機、MPEG-1解壓卡（可以插到386或者486電腦上用來播放VCD電影）。到了2000年左右，計算機的性能已經可以播放DVD節目，這時湧現出不少優秀的DVD播放軟體，可以在個人計算機上流暢地軟解碼DVD數據。這一時期軟解碼和硬解碼都非常流行。此後隨著網絡的發展，網絡視頻發展迅猛。網絡視頻的壓縮格式多種多樣，如RM、VP8、MPEG4、H.264、WMV、MPEG2。由于格式的多樣，對於硬體實現來說，實現起來相對複雜，另外這一時期的網絡終端是個人電腦，其運算能力也足以解碼這些視頻內容，所以軟解碼的優勢比較明顯。當下，ARM架構的通用CPU在行動裝置領域取得了X86架構在個人電腦領域那樣的地位。ARM架構的CPU主頻也可以達到1.5GHZ以上，同時雙核，四核甚至八核的CPU也得到了廣泛的應用，其運算能力早已達到或者超過了以前的PC。視頻軟解方案也大量出現在行動裝置中。

3.解碼流程以及軟硬解碼的區別

數字視頻軟解碼，是指視頻流數據完全通過通用CPU來實現播放。其大致流程如下：首先視頻播放軟體把視頻流文件從存儲介質中讀取到內存中，然後通過一個封裝格式解析模塊，把文件中的視頻數據和音頻數據分開；接下來播放軟體負責把視頻數據傳送到視頻解碼模塊，音頻數據傳送到視頻解碼模塊；視頻解碼模塊也是一個運行在通用CPU上的純粹的軟體模塊，它利用複雜的算法，實現對視頻數據的解壓縮；解壓縮之後的數據被送到視頻顯示模塊，由顯示模塊驅動硬體來顯示視頻內容。音頻數據的處理方式類似。

數字視頻的硬解碼，則是在專用的解碼硬體模塊協助之下，CPU完成視頻流數據的播放。它的流程是：首先通用CPU負責把視頻流數據讀到內存中，有運行在通用CPU上的數據封裝格式解析模塊把數據中視頻和音頻分開，其中音頻數據被送到專用的硬體解碼模塊中去，由硬體解碼模塊負責把視頻數據解壓縮，把解壓縮出來的數據又送回通用CPU，由後者用解壓後的數據驅動硬體實現視頻的顯示。而音頻可能是由通用CPU軟解碼，也可能有專門的硬體模塊來進行音頻解碼。

從上述描述中可以看出，不管是硬體解碼或者軟體解碼，通用CPU的參與必不可少，通用CPU負責視頻流的播放流程。不同之處是極大運算量的解碼算法是在通過CPU中完成，還是在專用硬體解碼模塊中完成。

4.軟解碼和硬解碼的應用

目前壓縮視頻的軟解碼和硬解碼均廣泛存在，然而二者的應用領域和範圍有一定差別。

軟解碼主要在下列設備廣泛應用：

（1）個人計算機。目前個人計算機上的視頻全部是通過軟解碼的形式實現播放的，這個和個人應用以及網絡應用中，存在大量的壓縮格式有關，同時也和目前個人計算機超強的計算能力密不可分。

（2）智慧型手機。現在的智慧型手機晶片都具有很強的計算能力，同時也都有視頻硬體解碼模塊，但是硬體解碼模塊支持的視頻格式有限，同時受限於與之適配的專用播放軟體，所以智慧型手機在播放網絡視頻時，大部分採用是軟解碼方式。

（3）平板電腦。平板電腦普遍採用與智慧型手機同樣的晶片組，同時使用方式也與智慧型手機類似，所以在播放網絡視頻也主要採用軟解碼。

硬解碼主要應用於下列設備：

（1）智慧型手機和平板電腦，如前所述，這些設備存在視頻加速模塊，在播放本地高清文件時，採用硬解碼的情形還是比較多的。

（2）機頂盒。早期的機頂盒基本上是一個MIPS架構的CPU+硬體解碼模塊。所以在這種設備上只存在硬解碼一種情形。不過最近比較新的機頂盒採用與智慧型手機相同檔次的晶片，但是基於成本考慮，大部分機頂盒還是採用硬解碼方案。不過隨著晶片性能提升和價格的降低，機頂盒採用軟解碼的比例會慢慢提升。

（3）家用相機（攝像和回放功能）。具有攝像功能的相機，都具有回放功能，這些設備的視頻解碼都是應用硬解碼實現。

（4）視頻會議。視頻會議強調實時性，同時視頻編碼格式唯一，解碼一般是硬解碼

5.趨勢與展望

硬體解碼的存在是為了彌補通用CPU的運算能力的不足。隨著通用CPU的運算能力的提升，原來在通用CPU上無法完成的解碼任務，也逐漸可以完成，這時硬體解碼方案就顯得不太重要了。目前的智慧型手機晶片軟解碼MPEG-1，MPEG-2視頻數據非常流暢，部分手機軟解碼H.264視頻數據也很流暢，所以在智慧型手機領域用軟解碼方式也越來越普遍。但是這並不是說明硬解碼方式會慢慢淡出，因為人們的視頻壓縮比，視頻解析度的需求也在不斷提升，這就要求設備有更強大的計算能力，在通用CPU無法滿足的情況下，硬體解碼模塊也是必不可少的。

去年H.265標準的推出帶來了硬體解碼與軟體解碼之間的一些爭論，爭論的焦點是在智慧型手機上到底H.265硬體解碼會佔主流地位，還是軟體解碼佔主流地位。

硬體解碼支持者認為，智慧型手機晶片計算能力支持H.265高清播放還比較勉強，只有用硬體解碼才能實現流暢的播放，從成本考慮不必僅僅為了支持H.265而對主晶片要求更高的性能。軟解碼支持者則從標準成熟度以及通用CPU的性能發展考慮，認為H.265作為一個比較新的標準，會經過不斷的修訂，如果用硬體解碼方案，可能硬體無法隨著修訂案不斷地更改，導致硬體無法解碼有關視頻，另外通用CPU的性能提升大致符合摩爾定律，性能提升很快。原來認為在ARM架構下軟解碼H.265視頻是不太可能的事情，現在看來是可以實現的。用紅米手機（小米公司出品的一款低價的智慧型手機，採用MTK6589晶片，四核cotrtex-A71.5G）播放H.265壓縮格式的1080p的視頻，已經非常流暢（播放軟體採用的是北京瑞普圖視科技有限公司開發的H.265播放apk，視頻播放能到30fps以上）。目前高端手機普遍採用的是運算能力更強的高通驍龍800四核處理器，播放H.265視頻更是沒有問題。