【原创】10bit视频编码——特性及全面播放方法介绍（2012.1.18更新）

mawen1250

测试用视频：
http://115.com/folder/fdon21ks

一、前言

      10bit视频的播放，想偷懒的人可以直接用最新版MPC-HC、Potplayer、mplayer、QQ影音等播放器，或者使用各种解码包的最新版（都是使用ffdshow/LAV实现解码的），其内部解码器都是基于ffmpeg(libav)的。这些播放器和解码器中用的色彩转换也基本都是libswscale，所以有部分会出现色彩空间转换上的错误以及dither方式的不恰当。并且由于10bit YUV到8bit YUV再到8bit RGB的坑爹转换过程使损失也大大增加（前一步对于10bit而言还有dither的过程，可以增加一定的精度，8bit视频播放就是做了后面的一步，所以即使这样10bit的效果也还是比8bit重编码的情况好不少）。
      于是对回放质量（8bit、10bit都能受益）有追求的可以参考下面介绍的基于MPC-HC使用madVR的播放教程，也可以看VX的播放攻略，其中也包括对于电脑性能不足的情况的解决方案：http://www.vempx.net/article/552.htm

      关于10bit视频播放对电脑性能的要求，主要是不支持硬解（包括DXVA、CUVID、QuickSync），所以要靠软解，而目前软解10bit视频效率最高的就是LAV Video Decoders，基本上短时码率不超过30Mbps的话现在的双核CPU都能应付。但为了最佳的回放要靠madVR渲染器，而madVR内部各种mad的处理过程靠的不是CPU，而是GPU的Shader，也就是说显卡不能太差，显卡要能支持DX 9.0c，显存最好在384MB以上，对显卡性能的要求我没有什么可以参考的依据，只知道我自己笔记本上的GT420M和HTPC上的HD5550都毫无压力。



二、10bit的优势

      有关10bit重编码的优势，实际上就是用更高位深来进行数据的有损编码的优势，而且bit越高效果越好。最简单的一句话就是，压缩率更高，以更低的码率提供更好的还原效果，这已经足够具有意义了。
      在二进制下对8bit的源数据进行有损编码，造成相同量化损失时，以8bit为100%的error（残差）时，9bit为50%的error，10bit为25%，12bit为6.25%……所以在HEVC（也就是H.265）里有个叫IBDI（Internal bit depth increase）的技术，就是用12bit的内部精度来进行8bit源数据的重编码。
      例如：
      8bit源数据：  10011010
      8bit量化后：  10011011
      10bit量化后：1001101001
      12bit量化后：100110100001

      当然相同量化时肯定是bit越高的数据占的容量多，但由于损失程度的降低，综合下来的结果是，相同码率下高位深编码的还原程度始终大于等于低位深。
      而其实在目前的大部分有损音频编码里，不管输入的是16bit整数还是24bit整数，其内部都是用32bit浮点数来进行编码的，能大大减小error。至于为什么不在视频里用浮点数编码，可能的原因之一是，目前最强的桌面级CPU也只能勉强解码一个浮点数编码的1080p 24fps视频。

      至于你想说：“我只有8bit的显示设备，10bit有什么用呢？” 这不是什么问题，因为最终是要靠dither（抖动）转换成8bit RGB的，事实上madVR内部是不管你8bit还是10bit输入，都先升到16bit进行处理，最后再dither成8bit RGB32进行输出，所以它才能实现最高精度的转换和最小的error。
      而且最近还有这么一篇文章，对不同位深的YUV空间的色彩数量进行分析，发现8bit YUV转换成RGB后远远到达不了8bit RGB的16777216色（目前大部分高清视频就是属于8bit-Rec709的情况），只有用10bit及以上精度YUV转换为8bit RGB才能达到16.7M色：http://goldenhige.cocolog-nifty. ... gb2416777216yu.html

      另外也可参考这里taro大所说的：http://tieba.baidu.com/p/1356709843?pn=2



三、对比测试

      我对10bit与8bit编码的客观测试结果，横轴为码率，竖轴为1/(1-SSIM)，SSIM（结构相似度）是一种衡量两画面间相似度的算法（在这里是编码后的视频和源视频的比较）。另外我这里出于个人需求顺便对mbtree的情况做了测试，对此不感兴趣的可以无视。

上图以Clannad AS EP01的3654-17653帧（正片的大约前一半，不含OP）为测试片段，代表典型动画的情况。
下图以The Dark Knight的1273-9327帧为测试片段，代表电影的情况，而且是全部IMAX的片段，噪点也比较少，可以看作高画质片源。




      上图中可以看到同样达到200的1/(1-SSIM)时，8bit需要4500kbps，而10bit只需要1200kbps，这样的优势我觉得不需要多说什么了。
      根据我的经验，10bit对于gradient（梯度变化）的画面（特别像是暗场之类的）优势特别明显，客观上SSIM值很高，主观上基本不会产生banding（色彩过渡区域的色带）。
      当然我也遇到了个别奇葩片源比如龙珠Z的BD-BOX，非常强的动态噪点，crf=20跑出来了25Mbps的码率，而且这时10bit和8bit重编码的差距基本可以忽略。



四、播放相关

我更新这篇文章时（2012.1.18）所使用的软件及版本：
Media Player Classic HomeCinema (x86), 1.5.3.3971, BE Mod
ffdshow tryouts project, svn 4257 (x86) - MSVC2010
LAV Filters 0.44
madVR 0.80
Haali Media Splitter v1.11.288.0
Reclock 1.8.7.7

下面我以基于MPC-HC的播放设置为例，其他播放器的做法也类似。


播放推荐使用的软件/滤镜：

1.（推荐）MPC-HC播放器下载地址：
http://www.xvidvideo.ru/media-player-classic-home-cinema-x86-x64/
或
http://xhmikosr.1f0.de/index.php?folder=bXBjLWhj
下载x86版本

2.（可选但推荐）LAV Filters——分离器/音视频解码器下载地址：
http://forum.doom9.org/showthread.php?t=156191
或
http://xhmikosr.1f0.de/index.php?folder=bGF2ZmlsdGVycw
下载“Installer (both x86/x64)”，也就是安装版，使用最方便
安装时注意勾选FLAC的分离、解码支持

3.（推荐）madVR渲染器下载地址：
http://forum.doom9.org/showthread.php?t=146228
下载以后解压出来的madVR文件夹放在纯英文目录中，然后双击里面的install.bat即可注册好，注意保留这个文件夹。

4.（可选）Haali分离器下载地址：
http://customers.corecodec.com/downloads.php
或
http://www.free-codecs.com/haali_matroska_splitter_download.htm
mkv还是更推荐使用Haali Media Splitter作为分离器，因为它能支持文件间的Link，比如一些把OP、ED切到外面去的压制，然后播放正片时会自动根据UID在指定的章节连接到那些文件。
如果不需要这个功能的话，LAV Splitter就够用了。
但是Haali有个霸道的设定，改变了H.264的MediaType，导致一些解码器无法正常调用（我这里用到的LAV和ffdshow没有问题），所以如果需要用到其他一些解码器的话在Haali的设置里将Output——Use custom media type for H.264设为No。

另外现在也有个AV Splitter，支持更多自定义的高级功能，喜欢折腾的可以尝试。

5.（可选）ffdshow tryout解码器组件下载地址：
http://www.xvidvideo.ru/ffdshow-tryouts-project-x86-x64/
或
http://xhmikosr.1f0.de/index.php?folder=ZmZkc2hvdw
下载x86版本，Intel的CPU可以选icl12编译版，MSVC2010编译版通用。

6.（可选）Reclock下载地址：
http://forum.slysoft.com/forumdisplay.php?f=85
我主要是用到了它的WASAPI独占输出，可以实现音频解码后的PCM信号bit exact输出至音频设备（不受操作系统的混音、重采样影响）。

7.（可选）xy-VSFilter下载地址
http://code.google.com/p/xy-vsfilter/downloads/list
一个国人基于VSFilter 2.39进行优化修改后的VSFilter，对于ASS字幕播放的效率大大提高，也能支持10bit/16bit的输入/输出，自动根据分辨率判断BT.601/BT.709进行RGB转换……

备注：
现在LAV Filters、madVR、xy-VSFilter间正在研究新的滤镜间的通信方式，比如最近LAV和madVR同时放出测试版，前者支持DXVA2硬解码（仅用于Win 7/Vista），并且想办法将硬解后的视频从显存中抓回来以NV12输出（以前硬解后的视频就直接交由显卡处理后输出至显示器，所以存在各种限制），然后可以输入ffdshow做后处理、VSFilter渲染字幕，并可以用madVR来渲染……
而xy-VSFilter和madVR也在研究新的字幕的传递、渲染方式。目前无论是VSFilter将字幕渲染在解码器输出的视频流后再给渲染器处理（Resize、RGB Conversion）的方式，还是MPC-HC内置字幕引擎将字幕渲染在渲染器层（已经过RGB转换、resize和加黑边）的方式，都存在其固有的弊端，今天ANE也有篇新文章讲到了这个问题：http://afternoonnapsempire.org/subtitle-renderer-matters/



五、播放设置图文教程

      要强调一点以避免人误会，以下的播放设置是全方面播放设置的教程，也是我自己使用的方案，但只有一部分是关于10bit的（实际上对8bit也一样，这样做是最有利于回放效果的）。
      所以如果只是为了完美回放8bit/10bit H.264视频，只要安装并在渲染器里选择madVR就可以了，可以参考VX的播放攻略：http://www.vempx.net/article/552.htm

1.字幕设置







2.滤镜调用设置







3.滤镜内的设置



















4.渲染器设置














另外补充一点，Reclock本身是开发出来用于音视频同步、PAL降速等工作的，所以其工作与频率密切相关，如果你的CPU超频或降频了很可能会出现播放速度上的问题，这时你只能不用Reclock或者恢复默认频率。

5.播放时的音视频流切换