拥抱高清——PureVideo HD技术探秘
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伴随着Blu-ray Disc（蓝光光盘）和HD DVD高清影片的逐渐增多，新一代数字娱乐革命已经拉开了序幕。由于这些高清格式影片采用先进的视频编码技术，解码工作繁重，单靠CPU 无法将工作全部完成，而且解码后的影片必须通过支持HDCP数字加密协议的输出端子和显示器进行传输和播放，简单的视频加速方案已无法满足这些要求。为此，NVIDIA于2006年6月发布了PureVideo HD视频加速技术。
PureVideo为何要升级
近两年来，HDTV开始进入普通用户的视线，人们在家庭影院、电视节目与电视游戏等领域都需要更加清晰的画质。HDTV的出现的确给人视觉上更高的享受，但它也给显示设备提出了更高的要求。经常通过网络下载HDTV视频的用户会发现，如果遇到H.264编码（尤其是1080p格式）的视频节目，就算强劲的双核CPU也无能为力——CPU占用率高达100%、画面经常跳帧……这主要是由于HDTV数据流量较大，视频解码对播放设备提出了很高的要求。
既然强劲的双核CPU都无法满足HDTV播放的要求，只能考虑从其他地方解决问题。而各个图形芯片厂商所陆续开发的视频加速技术就是为解决此问题应运而生的产物，其中的典型代表又当数NVIDIA。从GeForce 6系列开始，NVIDIA便在GPU内加入了专门的可编程视频处理引擎，依靠GPU辅助CPU完成视频解码，并特地开发PureVideo视频加速技术与之配合！
在PureVideo技术的帮助下，GPU不但能够辅助CPU解码，使视频播放更加流畅、降低CPU占用率，还能使画质更加清晰。不过，随着蓝光、HD-DVD等高清影片的日渐增多， 不支持H.264硬件视频加速的PureVideo已显得有些落伍了！
我们知道，BD（蓝光）或HD DVD高清影片必须支持严格的数字内容版权保护规范，以防止“有心人”非法牟取暴利。具体来说，人们用PC回放高清视频节目的时候，首先会遇到HDCP（高带宽数字内容保护）传输协议的限制（HDCP实际上就是几大厂商联盟对于用户在PC上回放高清视频的版权保护措施）。所有支持HDCP的显卡和显示器都拥有独立的加密密匙，在回放高清视频的时候，只有密匙一致才能够确保高清节目的完全还原（显示），否则用户看到的只是漆黑一片的屏幕或者降低分辨率的画面（图1）。
其次，高清视频还需要经过ACSS（高级内容访问系统）版权保护机制的验证，并且提供足够强大的运算能力实时地进行各种画面降噪和反交错计算。在完成这些计算之后，显卡还将遇到输出问题，即用户如果要在平板电视上观看高清视频节目，显卡还必须具备HDMI接口。由此我们不难看出，对高清视频的加速处理仅仅是整个视频回放中的一道工序而已。
为了更好地迎接HDTV时代的到来，NVIDIA针对BD和HD DVD发布了PureVideo技术的升级版本——PureVideo HD。新技术究竟会给我们带来哪些新特性呢？
PureVideo HD的特性分析
从上可知，PureVideo HD将给我们提供一套完整的高清影片播放解决方案。换言之，它不但确保在较低的CPU占用率下，针对H.264、VC-1、MPEG-2等格式影片提供硬件加速功能，还全面支持HDCP规范，保证BD或HD DVD影片完整无损地回放出来。尤其值得一提的是，PureVideo HD可为已解码的高清视频内容提供后处理功能，如反交错、反向电视电影处理等，使影片播放时达到1080p的高清晰效果。下面我们就重点谈谈PureVideo HD的一些硬件加速的后处理功能。
1.反交错处理
目前欧美、日本和韩国等地的HDTV播放比较普遍，其中使用最广泛的规格是1080i（1920×1080，隔行扫描）。我们知道，电影胶片储存的是每秒24帧完整（逐行）画面，而NTSC制1080i规范信号传输的是每秒60场隔行画面（注：在隔行扫描方式下，只含奇数行或只含偶数行的画面被称作“一场”，即原本的一帧等于两场），因此二者需要一个转换的过程。
如图2所示，4个原始的电影画面（帧）被按照“3-2混和”的方式转换为10个隔行的场，也就符合NTSC制电视信号的要求了。这些场在电视机上播放是正常的，但当我们将信号录制下来之后在PC上播放，问题就出现了——由于播放器呈现的必须是逐行画面，而最简单的转换方法就是把相邻的两个隔行的场合并，这样一来就有可能导致把属于两帧的场合并到一起，从而出现“拉丝”现象。
解决“拉丝”现象有两种方法：一种是将拉丝画面进行再处理，尽量柔化那些锯齿（类似于3D运算中的“全屏抗锯齿”），这个过程就叫反交错（de-interlacing，由于要对画面的不同位置和不同场进行复杂的分析，因此也叫“空间-时间去交织”）。经过反交错处理之后，原本产生拉丝的画面变得柔和多了。
反交错的运算可以依靠播放软件来完成，但处理1080i这样高分辨率的画面会占用大量的CPU资源，于是NVIDIA通过PureVideo HD将这一任务交给显卡完成，这样一来不仅画质非常出色而且几乎不占用其他资源。
2.反向电视电影处理
刚才提到，采用反交错处理可以较好地解决“拉丝”现象，但这种方式还不够完美，为此，PureVideo HD提供了另一种方法：反向电视电影处理（IVTC，Inverse Telecine）。
从上面“3-2混和”的示意图中可以看出，同一帧转换来的三个场景中有两个是一模一样的，而由一帧转换来的两个场景也是一模一样的（图3），传输这样重复的数据无疑是浪费带宽，因此很多1080i的视频流都是将相同的场用“RFF（Repeat First Field，重复第一帧）”标志来代替。如果所有的1080i视频流都是这样，那么我们就可以非常简单地将所有的隔行画面合并为完美的原始电影画面。但事实并非如此，绝大多数网上传播的1080i视频都不完全是靠RFF来标记场之间的关系，有些甚至根本没有，这就造成无法通过RFF来还原原始电影画面。因此，我们只能通过复杂的算法去分析每一场画面，确定哪些是应该合并在一起的，这个过程叫“Film Detection”（帧侦测）。
此时，如果运用反向电视电影处理，则可以将视频流完美地还原成原始画面。为什么反向电视电影处理能实现这样的效果？因为在反向电视电影处理的Film Detection过程中，软件会不断侦测视频画面（几乎精确到像素的级别），并将正确的场合并。而这样高强度的计算工作则通过PureVideo HD交由显卡处理，大大减轻了CPU的负担。
3.降噪处理
视频降噪（Noise Reduction）技术可以在一定程度上消除信号源不佳造成的画面瑕疵。例如，图4左半部分画面是原始截图，其中含有很多烦人的噪点，而经过PureVideo HD的降噪处理之后，画面变得“干净”了许多（见图4右半部分画面）。
4.边缘锐化
清晰度是视频质量的一个重要指标，谁都不会喜欢看模模糊糊的画面。PureVideo HD中有一项非常实用的功能就是边缘锐化（Edge Enhancement），让清晰度不佳的视频画质提升一个档次。图5是未经边缘锐化的原始画面截图，经过PureVideo HD的边缘锐化处理后，近处的台阶和远处的大桥的细节都更加清晰了（图6）。
此外，PureVideo HD技术还具有“高画质缩放”功能，可将较低分辨率的影片放大至适合显示器大小的尺寸，同时也尽可能保留清晰明亮的画质，也可在保留图像细节的前提下，缩小高分辨率内容等影像；“影像色彩校正”功能可校正RGB屏幕与TV屏幕在色彩特性上的差异，确保在各种影像格式与显示器上不至于过暗、过亮或褪色；“LCD锐利化”功能则可借由增加色彩讯号对某些LCD面板较长的反应时间进行补偿，因此可自动消除残影现象。
写在最后
综上所述，PureVideo HD的确会给高清视频播放带来许多好处，那究竟应具备什么条件才能让PureVideo HD充分发挥作用呢？硬件方面，NVIDIA给出了使用PureVideo HD功能的PC系统官方建议：GeForce 7系列显卡（500MHz以上核心/显存频率、256MB/128bit显存、支持HDCP）、双核处理器、1GB系统内存、支持AACS的蓝光/HD DVD驱动器，以及支持HDCP的显示器。软件方面，支持PureVideo HD的ForceWare驱动和高清视频播放软件是必不可少的。据悉，NVIDIA已经与InterVideo、CyberLink、Nero等著名软件厂商展开了合作，在这些厂商发布的最新版本的视频播放软件（如WinDVD 7.5、PowerDVD with AVC Plug-in v2.0、Nero ShowTome2）中，都提供了对PureVideo HD的支持，而且由于这些播放软件本身已经内含H.264解码器，因此用户不必再额外付费去下载NVIDIA的解码器。
现在，市场上已发行的BD或HD DVD高清影片已有几十套，今年年底前将达到100多套。与此同时，各种品牌的蓝光和HD DVD光驱也正陆续上市，此外，在索尼、东芝和宏碁等系统制造商所推出的新型BD（或HD DVD）笔记本电脑中，都配备了支持PureVideo HD的NVIDIA显卡。可以预见，PC即将迎来多媒体娱乐新时代。因此，像PureVideo HD技术这种集成式解决方案将是新一代PC不可或缺的重要特性。有了该技术，用户就可以在PC上观看优秀画质的高清影片。