显示卡影片播放硬件加速，作法原理完全解说

原文地址：http://www.5i01.cn/newsdetail.php?id=4481

作者：G.F.

我还记得我装第一台电脑时，为了看VCD的....好看影片（羞），还特别去买一张VCD加速卡来看一些夜市买来的片子，因为当时的烂电脑连放MPEG-1的影片都没力。玩电脑够久的人可能有买过这些VCD/DVD的影片加速卡，但显示卡往3D快速发展之后，这种专门看影片的附加卡就销声匿迹了，除了VCD和DVD，也没再看过HD高画质影片加速卡了，因为现在出去买一张显示卡，就有MPEG-1、MPEG-2（DVD）、WMV、VC-1、H.264加速，两大蓝光阵营Blu-Ray和HD DVD在还没有普及前，新的显示卡就已经100%支援了。

影片加速是近年显示卡最热门的附加功能，但为什么显示卡3D发展也顺便带动影片加速功能？一个3D一个2D感觉没啥关连，其实除了厂商想要增加显示卡的附加价值之外，显示卡的3D运算其实和影片加速脱离不了关系，虽然乍看之下根本连不起来。

本篇要讲的就是ATI和NVIDIA现在狂炒的AVIVO HD与PureVideo HD，他们到底是什么？而最常被问的就是“要才样启动显示卡的硬件加速？”，最大的混淆就是NVIDIA PureVideo技术与PureVideo Decoder的错误命名，以下我们将重头详细解说，让大家彻底了解！

NVIDIA PureVideo HD与ATI AVIVO HD是目前两大硬件加速技术。

影片压缩

首先，影片是什么？想都不用想，影片就是一连串的静态图片连续播放，一些影片格式会讲24p、30p、60i，指的就是每秒有24、30、60张图片。但影片至少都有好几秒，电影甚至是以小时来计算，大家做点算术就知道一小时的影片就要十万张的图片，那是非常大的资料，因此所有的影片格式都必须透过破坏性压缩，删掉部分图片的资讯让档案缩小，而影片播放就是一种“解压缩”的动作，把档案还原成一张一张的画面，硬件加速就是加快解压缩的动作，为了彻底了解，一定要来聊一下影片是如何压缩的。

[注：我这里就不提色彩空间转换的步骤，有兴趣的人自行查询“RGB转YUV”。]

1.动态补偿
大家都看过影片，让我点出一个你早已知道的事实：在一小段时间内，影片的画面大多是类似的。，比如上面两张火车的图片是从大约3秒钟的影片段落中随意截出来的，在这3秒内，摄影机就固定这个角度拍火车通过，而我们知道一般影片每秒都有24～60张，换句话说，这简单的火车段落可能高达有100张的图片，而每一张看起来都差不多。

当连续图片的内容都差不多时，要怎么压缩？很简单，就是取一张图片做标准，之后类似的图片就不存图片内容了，而只存“跟原来那张标准图片的差异点”。比如上面的火车图，第一张做为标准图，第二张就只存火车头的位置往左下角移动了XX像素，反正画面的其他部分几乎都一样。而这个参照的动作就叫“动态补偿”（Motion Compensation），在影片压缩的领域，它是把画面切成一块块小区域（16x16～4x4的像素），然后每个区域去比对前后张画面的相同位置，看有没有改变，有的话就只纪录画面的变化，这样连续的图片就只剩下几张标准画面和一堆参照的资讯而已，这是第一步压缩。

影片的连续画面会分成I、B、P三种，I画面就是原始参照画面，也就是画面出现大便....嗯，出现大变换、无法参照之前画面的时候，就会被列为I画面。P画面则是参照前一张I画面，纪录相异点，B画面则是双向参照I或P画面（最新的H.264是特例，它的B画面可以参照别的B画面）。所以P画面是出现小变换时用的，而B画面则是出现微小变换时用的。一般影片压缩后就是像图中这样IBBBPBBI，事实上真正有图片内容的只有I画面，其他都是参照纪录而已。

2.正余弦转换
正余弦转换（Discrete Cosine Transform，简称DCT），哇靠！听起来超专业，多念几次就觉得自己像数学家了。这里不讨论DCT的傅立叶转换公式，反正Google一下就有，就算写出来也没几个人看的懂，这篇是简单教学，而不是帮助入睡的。

DCT是把空间的资讯转换成频率。一张画面原本记录X、Y轴上某一点是什么颜色，XY轴就是一种空间资讯，对一张图片做DCT转换之后，会变成以频率来纪录。图片的“频率”是什么鬼？你一定会这样问，声音的高频是尖锐，图片的高频则是颜色快速转换的地方，低频就是...呃...颜色转换不快速的地方，也就是较为柔和的渐层。

上面的黑白图经过DCT转换后，就只剩下座标轴上一个短暂的突起。

比如上面这张黑白图，经过DCT转换之后就变成座标轴剩一个突起（黑白转换的交界），其余就是平缓的低频讯号（黑色和白色连续处），看到这里大家应该知道DCT的用意了，它就是把后面的低频去掉，只留下前面的高频，以图片的语言来说，就是让画面只留下重要的边缘，而细微的渐层拿掉，这牵涉到人脑的感知方式，人脑只要有一个大约的轮廓就能辨识，一张怀旧而模糊的照片仍然可以看出是谁，再糊的RVMB日剧（主角五官都快看不清楚了）大家都看的下去。所以影片压缩就照这个方式，把低频讯号删掉，保留大致的样子，做成第二步压缩。

3.Entropy Encoding
“熵”...哇塞！听起来超厉害，多念几次就觉得自己变物理学家了。物理上的Entropy跟电脑的Entropy有没有关系我不确定，所以我通常不会翻成中文，保留原来的Entropy Encoding比较好。

影片压缩到这一步已经不需要再删东西了，Entropy Encoding是一种无失真压缩的技术，资料可以完整的还原，这广泛用在档案压缩上（Zip、RAR...你举的出来的都有用到）。它是一种用机率来压缩的技巧，出现机率越高的字串资料，就用越短的代码来代取它。比如Mobile01里最常出现的词是“劝败”，那就把“劝败”用“0”来代替，这样一句话就可以写成“Nokia N95真赞，值得0”，是不是就缩短了？而当这个词出现机率超高时，就会看到资料变成一堆0，这时再把一堆0写成“几个0”的资讯（000000 = 6,0），压缩率就相当高了。

Entropy Encoding的算法很多，比如VLC、CABAL、CAVLC，愈新的影片格式（比如H.264），Entropying Encoding的算法就愈复杂，可以压的更小，当然也需要愈操的压缩/解压缩运算。

影片播放与加速

呼！终于讲完压缩的部分了，接下来是两万字的影片播放步骤解说，哈！吓大家的，其实影片播放就是上面三个步骤倒过来，先把Entropy Encoding的资料还原，再做iDCT（inverse DCT）把频率资讯变回空间资讯，最后用动态补偿加上参照的资讯，还原成每一张画面，就是大家看到的影片了。原本这些解码工作是CPU要做，硬件加速就是把这些工作转到显示卡上，降低CPU占用率，或是让更低阶的CPU可以播放。

显示卡最早加入硬件加速的步骤是“动态补偿”，因为这跟3D运算的方式很像，事实上，目前最新的影片硬件加速都还有部分用到3D运算核心。“动态补偿”是把画面切割成小区域做比对，还原时就是用影片档里那些参照纪录，对照标准画面来算出每一张画面，由于画面是切成一块块区域，每个区域都是独立的，正好可独立送到显示芯片里多个平行化单元（也就是Shader）一起做运算，但并非所有解码的步骤都能由Shader来处理，iDCT和Entropy Decoding就和显示芯片的运作方式相反（这两步无法平行化运算，用CPU比较快），GPU要支援这些，就得实实在在地内建一个解码单元，专做iDCT和Entropy Decoding。

硬件加速的几大步骤，两家都有自己惯用的宣传名词，图中Bitstream Processing就是Entropy Decoding，Inverse Transform就是iDCT，再来是动态补偿，最后一个Deblocking是“去区块”，因为动态补偿是以区块来还原画面，如果没有Deblocking的动作，整个影片画面就会裂成像棋盘状，这一步并不操，但是是必须的。

如何启动硬件加速？
而显示芯片是怎么做硬件加速的？或更直接一点：“如何启动硬件加速？”，其实对于显示卡来说，“硬件加速”一直都在启动状态，只是有没有去用而已。在3D游戏里，我们已经知道DirectX与OpenGL是游戏和显示卡之间沟通的语言，游戏用DirectX写，显示卡支援DirectX，显示卡就能运算游戏里的3D画面。完全同样的道理也能放在影片播放上，只是DirectX换成DXVA（DirectX Video Acceleration），而所谓的PureVideo和AVIVO，其实就是显示卡执行这些DXVA指令的技术

硬件加速的步骤，只要解码器读到正确的影片格式，解码器本身也支援DXVA的话，就会把解码的工作丢给显示卡，解码结束之后再把结果传给解码器，输出最后的画面。

前端的解码器最重要，支援硬件加速的解码器遇到特定影片格式时，就能把解码的动作改用DXVA的指令来写，送给显示卡去加速运算，再把运算结果回传变成画面。很多人以为要启动PureVideo就一定要装NVIDIA PureVideo Decoder，事实上这是名称上的误解，NVIDIA PureVideo Decoder只是支援PureVideo技术的解码器“之一”，许多著名的播放软件都已经支援PureVideo或AVIVO，像台湾之光PowerDVD、WinDVD、Nero ShowTime、Windows Media Player等等。

而且那个NVIDIA PureVideo Decoder只是DVD播放软件（MPEG-2解码器），它不能...也永远不可能播放其他新格式，比如H.264、WMV、VC-1等等，要硬件加速这些新格式，只有上述几个市售的播放软件有支援，装NVIDIA PureVideo Decoder是完全无用的。

另外，其实DXVA只是一个泛称，微软所订的DXVA 1.0只支援到MPEG-2，现在播放软件支援VC-1或H.264硬件加速都是显示芯片厂与播放软件厂合作，用DXVA的延伸指令所做，两家所用的专属指令并不一样。所以现在事情演变有点复杂，要真的确定有硬件加速，播放软件得明确地说有支援PureVideo HD和AVIVO HD才行，而且NVIDIA和ATI的硬件加速一直在改，驱动程式和播放软件也得一直升级才能支援最新的技术。

[注：新的DXVA 2.0支援所有新格式，但很不幸的，它跟DX10一样是Vista Only，所以厂商可能还是会继续用专属指令，让播放软件可以同时支援XP和Vista。]

播放软件通常只会简短的写“启用硬件加速（NVIDIA PureVideo）”，但PureVideo和AVIVO改来改去，搞一堆专属指令，为了避免麻烦，一律使用最新版的播放软件最没问题。

这是未开硬件加速前，播放“黄金罗盘”的1080p Quicktime预告片(H.264格式)，CPU是C2D E4300，占用率整个飙高。

开启GeForce 8600GT的硬件加速后，CPU占用瞬间掉到只剩不到10%。

总而言之，要使用这些显示卡的硬件加速，必须要有：1.支援硬件加速的显示卡、2.最新的驱动程式、3.特定的解码器（PowerDVD或WinDVD）并勾选硬件加速选项、4.软硬件都有支援加速的影片格式（如MPEG-2、WMV、VC-1、H.264），缺一不可。像XviD、DivX、RMVB这种非业界标准的格式是不太可能会有厂商支援的，因为他们首要着眼点是像DVD、Blu-Ray、HD-DVD这种光盘媒体所用的影片格式。

[注：有人会问硬件加速支不支援.avi影片档，这是另一个常见的误解，影片附档名跟压缩格式可以是完全无关的，所有的影片压缩格式都能变成.avi档，要真正看出它的压缩格式，可以抓GSpot来看。]

PureVideo HD与AVIVO HD
现在PureVideo HD与AVIVO HD的发展已经到100%硬件加速了，ATI在Radeon HD 2000之后，几乎全系列（除了2900XT）都可以对MPEG-2、VC-1、H.264、WMV做完整硬件加速，这包括动态补偿、iDCT和Entropy Decoding三大步骤；NVIDIA目前仍然缺少VC-1的Entropy Decoding，其他则跟ATI相同，不过在新版8400GS（D9M/G98）推出之后NVIDIA会追上ATI的水准。其实，现在两边的硬件加速技术都远超过一般人所需，因为大流量的H.264与VC-1影片并不常见，只有Blu-Ray和HD DVD会用到，不过总有一天这些新世代电影光盘一定会普及。

虽然NVIDIA一直号称PureVideo HD只少了一步，差不了多少，但少的Entropy Decoding事实上是三大步骤里最操的。

硬件加速除了减轻CPU的负担之外，也能让影片画质提高，最常见的就是“去交错”（De-interlace），由于种种我已经没力再写的历史包袱，很多影片的画面并非完整的，而是用一条条奇数或偶数扫瞄线交替组成，“去交错”就是把它们重新运算成完整画面。而这不只是前后两张黏在一起而已，事实上，去交错比单纯降低播放时的CPU占用率更复杂，因为去交错很多是By case，同一种算法不能套用在所有影片上，幸好交错影片只有在DVD时代比较常见，现在新的影片大多是完整画面了，谢天谢地！

硬件加速除了降低CPU使用率，也能提高影片画质，图中“Post-Processing”的部分都是加强画质用的。

去交错的效果，可以把影片中的边缘锯齿去除。

最终...还是要看片
网络影片播放＋硬件加速可以搞到很复杂，因为商用解码器通常只支援特定几种常见档案，有时候你明知道这档案的影片压缩格式是可以加速的，但却可能由于解码器的限制而无法启动。比如mkv就是网络上专用的档案包装格式，它可以包进H.264的影片，但支援H.264硬件加速的PowerDVD没办法拨mkv，所以才有把一堆解码器打包抽离，让它与其他splitter（分离影音档中的影片和音讯的软件）连结合作，支援更多影片的特殊玩法，比如对岸的“终极解码”，或是这篇

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