于援東

（蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

1 引言

目前，高、標清電視與網(wǎng)絡(luò)電視和移動視頻節(jié)目共存，數(shù)字視頻制作面對的是一個多入口（使用多種標準拍攝素材，可對不同視頻格式進行混合編輯）和多出口（能以多分辨力、多格式、多碼率發(fā)布節(jié)目）的環(huán)境。在此背景下，數(shù)字視頻的應(yīng)用形式與制作方式都發(fā)生了巨大的變化，其原因來自數(shù)字環(huán)境下視頻應(yīng)用多樣化帶來的復(fù)雜性。如傳統(tǒng)的電視廣播應(yīng)用（高清，標清），網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用（寬帶，窄帶），多分辨力節(jié)目分配應(yīng)用（大屏幕，小屏幕），數(shù)字視頻光盤應(yīng)用（DVD，藍光DVD，多媒體）。

面對如此多元化的應(yīng)用，在多格式混編環(huán)境下數(shù)字視頻制作應(yīng)該如何把控制作質(zhì)量（從素材質(zhì)量到節(jié)目質(zhì)量）、如何優(yōu)化工作流程、提高資源效率已成為視頻制作關(guān)注的熱點。筆者就優(yōu)化視頻制作流程和系統(tǒng)架構(gòu)的基本問題進行了討論。

2 應(yīng)用域標準與素材質(zhì)量要求

根據(jù)對圖像分辨力要求的差異，數(shù)字視頻被劃分為數(shù)字電影、數(shù)字電視和多媒體視頻等不同的應(yīng)用領(lǐng)域。每個應(yīng)用領(lǐng)域都制定了相應(yīng)的標準，用以規(guī)范圖像質(zhì)量和節(jié)目的交換，如中國的標清電視 （SDTV）和高清電視（HDTV）標準。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，在每個標準下又派生出多種視頻格式。視頻格式的主要內(nèi)容包括通用圖像格式（Common Image Format，CIF）、圖像寬高比、掃描方式、基帶信號碼率，通用視頻格式和傳輸標準等詳見表1。

表1 數(shù)字視頻應(yīng)用域標準與通用格式

大屏幕顯示要求的圖像分辨力與移動視頻小屏幕顯示要求的圖像分辨力、高清電視與網(wǎng)絡(luò)播客要求的視頻標準是截然不同的。因此，數(shù)字視頻制作首先要根據(jù)應(yīng)用目標的定位和應(yīng)用領(lǐng)域標準選擇符合標準分辨力的視頻素材和制作平臺，這些是確保節(jié)目發(fā)布質(zhì)量的依據(jù)。由于表1中位于上面的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用標準高于下面的標準，在制作中可以向下遷移應(yīng)用，既滿足上面標準的素材也能夠滿足下面的需求。而低于應(yīng)用領(lǐng)域標準分辨力的素材，無論怎樣上變換都不會改變最初素材的原有質(zhì)量。

3 混編制作工作流程的優(yōu)化

3.1 視頻格式選擇與編碼效率的優(yōu)化

在數(shù)字視頻應(yīng)用中，視頻壓縮是圖像質(zhì)量記錄和分配的核心。要選擇壓縮效率高、通用性好的視頻格式，前者可實現(xiàn)圖像質(zhì)量與資源效率的雙優(yōu)化，后者則可獲得更多的靈活性和可延伸性，正所謂“壓縮為先，環(huán)境為王”。

3.1.1 視頻格式的選擇

通用的視頻格式及其應(yīng)用分布見圖1。DV和MPEG－2是標清電視中廣泛使用的格式，而新一代的MPEG－4 AVC/H.264編碼能夠提供2倍于MPEG－2和早期MPEG－4格式的壓縮效率，即在相同圖像質(zhì)量時比MPEG－2可節(jié)省50%的碼流[1]，自然成為高清電視制作中的理想選擇。

3.1.2 編碼參數(shù)選擇與壓縮質(zhì)量優(yōu)化

在同一種視頻格式中，壓縮碼率對圖像質(zhì)量的影響取決于圖像分辨力、色信號取樣方式以及畫面組（Group of Pictures，GoP）結(jié)構(gòu)等多種因素的組合，通過合理地選擇編碼參數(shù)，可以提高編碼效率，優(yōu)化圖像的壓縮質(zhì)量。因此，需要對編碼參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置。

1）色信號取樣方式的優(yōu)化

在分辨力相同的情況下，4∶2∶2取樣所需的比特數(shù)比4∶2∶0取樣要多約30%，即分辨力同為720×576時，以4∶2∶0 方式、10 Mbit/s的速率編碼一段內(nèi)容與以 4∶2∶2方式、13 Mbit/s的速率編碼得到的圖像質(zhì)量相當(dāng)[2]。選擇的原則是：對于位于制作鏈前端的視頻素材存檔要求留有較大的質(zhì)量冗余，應(yīng)選擇4∶2∶2方式取樣，如標清的4∶2∶2P@ML 和高清的 4∶2∶2P@HL； 而作為視頻節(jié)目存檔則應(yīng)選擇4∶2∶0方式取樣以提高壓縮效率，如標清中的MP@ML和高清中的MP@HL。

2）GoP結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

對同一種壓縮編碼，隨著GoP結(jié)構(gòu)的加長，視頻壓縮的效率增高而其可編輯性能降低 （受幀間相關(guān)性的影響），因此用于素材階段的視頻壓縮宜選擇短GoP壓縮，如MPEG－2 I幀和MPEG－4 AVC/H.264 I幀；而對節(jié)目存檔階段的視頻壓縮則相反，應(yīng)選擇長GoP壓縮以節(jié)省占用的資源，如MPEG－2 IBP和AVC/H.264 IBP。視頻壓縮編碼的算法、結(jié)構(gòu)與碼率之間的關(guān)系見圖2。

3.2 制作階段存檔的優(yōu)化

3.2.1 視頻壓縮中對最低透明碼率要求

視頻壓縮屬于有損壓縮，但只要將壓縮視頻的碼率保持在“透明質(zhì)量”要求的最低碼率之上，就能獲得近似“透明”的轉(zhuǎn)碼效果。對于標清MPEG－2視頻來說，采用全I幀結(jié)構(gòu)4∶2∶2@ML取樣時的透明碼率應(yīng)為40～50 Mbit/s；采用 IBIBIB 結(jié)構(gòu)時，碼率則為 25～30 Mbit/s；而長 GoP IBP（15 幀）結(jié)構(gòu)時，碼率為 12～18 Mbit/s[3]。 選擇其上限值能夠經(jīng)受5～8次編碼轉(zhuǎn)換，如只要求3次左右編碼轉(zhuǎn)換則可以放寬到碼率值的下限。對于高清和多媒體視頻，可參照相同編碼方式的標清碼率值，再按像素總量的比例關(guān)系予以增減即可。數(shù)字視頻透明碼率的參考值見表2。

3.2.2 制作階段的差異與存檔優(yōu)化

數(shù)字視頻制作流程通常包括素材采集、后期制作、節(jié)目（母版）存檔、播出分配等幾個階段。不同應(yīng)用階段對圖像質(zhì)量冗余的要求所不同，從素材存檔到節(jié)目發(fā)布存檔，隨著對質(zhì)量冗余要求的依次降低視頻存儲碼率可以相應(yīng)減少。因此需要合理選擇不同制作階段的質(zhì)量冗余和存檔視頻碼率。

1）視頻素材階段存檔

素材質(zhì)量對最終節(jié)目質(zhì)量的影響極大，視頻制作要求視頻素材具有幀精度的編輯能力和經(jīng)受多次編解碼處理的質(zhì)量冗余，因此素材存檔應(yīng)注意：（1）分辨力、掃描和取樣方式符合應(yīng)用域的標準，4∶2∶2 方式要優(yōu)于 4∶2∶0 或4∶1∶1 方式；（2）GoP 結(jié)構(gòu)選擇宜短不宜長，全 I幀方式要優(yōu)于IBP方式；（3）視頻碼率不低于3或5代轉(zhuǎn)碼要求的透明底線碼率；（4）以源碼格式直接存檔，以減少編解碼次數(shù)，可避免不必要的圖像質(zhì)量劣化；（5）使用數(shù)字攝像機拍攝視頻素材應(yīng)首選應(yīng)用領(lǐng)域中的主流記錄格式，如標清的 DVC Pro 50，XDCAM；高清的 D5，AVC Intra和HDCAM，XDCAM HD以及數(shù)字電影的HDCAM SP等。

表2 數(shù)字視頻透明碼率參考值

2）視頻制作階段存檔

（1）使用高質(zhì)量中間編輯格式存檔

為適應(yīng)后期制作多平臺開放性工作流程，主流視頻軟件商開發(fā)了基于高碼率上變換的中間編輯格式，如Avid的DNxHD[3]和Apple的Pro Res[4]。其共同特點是全面支持高清和標清的各種視頻格式，可利用標準AAF或MXF交換格式進行封裝，在異構(gòu)制作系統(tǒng)之間實現(xiàn)文件交互和視頻共享，極大提升了制作效率和節(jié)目母版的輸出質(zhì)量。對于以高標清電視制作業(yè)務(wù)為主并需要復(fù)雜后期處理的高端用戶是一種不錯的選擇。

（2）使用高效率通行格式存檔

對于低端視頻制作業(yè)務(wù)，出于對資源和成本的考慮，常以DV或HDV格式進行拍攝或收集二手視頻資料作為編輯素材。面臨的問題是，DV或HDV格式壓縮效率較低，直接存檔占用的資源過多；而收集來的資料視頻又會因格式繁雜不易管理，因此選擇一種編碼效率高、通用性好的視頻格式作為存儲平臺不失為明智的辦法。微軟公司開發(fā)的VC1（WMV）就是一種能夠滿足上述要求的理想格式，比較適用于以多媒體視頻制作為主和低成本制作的用戶。視頻格式存儲資源比較見表3。

表3 視頻格式存儲資源比較

VC1（WMV）格式擁有 3 個大類（Profile）共 10 個級（Level）的分層編碼能力[5]，可滿足 HDTV，SDTV 和多媒體視頻的CIF，QCIF等不同分辨力的應(yīng)用，碼率選擇范圍為96 kbit/s～135 Mbit/s，具有較好的通用性。WMV格式的壓縮效率是MPEG－2的2倍，DV的6倍，與H.264基本相當(dāng)，具有圖像質(zhì)量高、占用資源少的優(yōu)點。

3）視頻節(jié)目存檔

用于發(fā)布或播出的視頻節(jié)目，宜采用長GoP結(jié)構(gòu)壓縮以節(jié)省存儲資源。

標清或高清電視播出節(jié)目通常按照播出服務(wù)器標準存檔，見表4。

表4 視頻播出服務(wù)器

在計算機、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中播放的視頻文件，應(yīng)選擇系統(tǒng)平臺媒體播放器和視頻服務(wù)器平臺支持的流媒體格式，存檔碼率要兼顧圖像質(zhì)量與信道帶寬的平衡，流媒體發(fā)布視頻格式見表5。

表5 流媒體發(fā)布視頻格式

以視頻光盤應(yīng)用的視頻節(jié)目，需要轉(zhuǎn)換封裝成特定編著格式發(fā)布，主流的視頻光盤編著格式見表6。

4 小結(jié)

由于沒有一種壓縮格式或制作平臺能夠滿足所有的制作需求，多格式混編制作將不可避免，因此在制作系統(tǒng)架構(gòu)時要解決好開放性與流程優(yōu)化的關(guān)系[6]。前者是指制作系統(tǒng)要能夠支持最通用的視頻記錄格式，如DVC Pro/HD，XDCAM/HD和H.264/AVC等；同時能夠支持可交換的打包封裝格式文件如TS，MXF，GXF，MOV和ASF等，這樣有利于實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的文件交換和視音頻資源的共享、常用封裝。后者是指要針對主要制作業(yè)務(wù)進行規(guī)劃，在系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)盡可能采用相同的壓縮標準、元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲平臺，以保證制作系統(tǒng)內(nèi)80%的視音頻文件在生成、存儲和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)具有真正的互操作性。減少不必要的轉(zhuǎn)碼造成的圖像劣化，這就要求有效地整合運用前面論述的基本原則，通過工作流程的改進實現(xiàn)制作質(zhì)量和資源效率的雙優(yōu)化。

表6 視頻光盤編著封裝格式

[1] 黃鐵軍.AVS與國際標準MPEG的比較[EB/OL].[2010-01-20].http：//www.cnpaf.net/Class/iptv/06102714094278175836.html.

[2] KOVALICK A I.揭穿MPEG的4個神話[J].世界廣播電視，2001，15（12）：42-43.

[3] Avid.Avid DNxHD encoding:mastering quality[EB/OL].[2010-01-20].http：//www.avid-china.com/uk/dnxhd/masteringQuality.asp.

[4] Apple Inc.蘋果ProRes 422視頻格式特性[EB/OL].[2010-01-20].http：//www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DSZM200709024.htm.April 2007 L342568A.

[5] Microsoft.VC1 technical overview[EB/OL].[2010-01-20].http：//www.microsoft.com/windows/windowsmedia/howto/articles/vc1techoverview.aspx.

[6] 徐玲，羅列異.電視收錄系統(tǒng)改造之探索[J].電視技術(shù)，2009，33

（10）：70-71.