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,电视节目制作系统,第7章 非线性编辑系统,,71 非线性编辑系统概述,产生于20世纪70年代初期，图像信号采用模拟调频的处理方式，其记录载体为可装卸的磁盘，编辑时通过随机访问磁盘以确定编辑点。 20世纪90年代初，出现纯数字的非线性编辑系统，该系统使用磁盘和光盘作为数字视频信号的记录载体，画面是以不压缩的方式记录的，系统所能处理的节目总长度约为几十秒至几百秒。 20世纪90年代后，随着JPEC压缩标准的确立，实时压缩半导体芯片的出现，数字存储技术的发展和其他相关硬件与软件技术的进步，非线性编辑系统进入了快速发展的时期。,,1线性编辑与非线性编辑比较,基于磁带的线性编辑所存在的固有缺陷无法克服： (1) 磁头和走带系统的磨损大，而且会导致磁带磁粉的脱落。 (2) 需要复最多版才能完成，每经过一次复录，图像质量都会下降。 (3) 节目带进行修改和增删时，需重新编辑。 (4) 属于功能分担型系统，投入较大。,,非线性编辑系统优点,非线性编辑系统以其集成度高，功能强大，可进行灵活的编辑及无损耗的多代复制等诸多优势，正逐步取代传统的线性编辑系统。 非线性编辑系统以计算机为平台，配以专用板卡和高速硬盘，由软件控制完成视、音频节目制作。 非线性编辑采用盘基存储器，用磁头或光头读取信息，可以随机地、非线性地存取镜头，因而具有寻找速度快、存取时间短、磨损小、不需预卷、修改方便、编辑精度高、图像损伤小等优点。,,2非线性编辑系统的分类,(1)以硬件平台分类 基于PC平台、基于MAC平台、基于工作站平台和基于传统编辑录像机和编辑控制器等。 基于PC平台的系统以Intel及其兼容芯片为核心，型号丰富，是目前的主导型系统。 基于MAC平台的系统，受到单一的苹果硬件制约。 基于工作站平台的系统图形和动画功能较强，但价格昂贵，软件、硬件支持不充分。 基于传统编辑录像机和编辑控制器的系统，注重传统线性系统与非线性系统的平稳过渡，自成体系，处理通用多媒体数据的功能比较弱。,,(2)以压缩格式分类,此类主要有M-JPEG、DV25、DV50、MPEG-2等,,(3)以应用类型分类,单机应用型：单机非线性编辑系统的特点是硬件配置齐全，工作稳定可靠，但使用数量较大时投资成本明显增加，且不能实现资源共享，导致工作效率降低，不利于非线性编辑系统优势的充分发挥。 网络非线性编辑系统。,,3非线性编辑系统的功能,(1)硬盘数字录像机。能充当一台硬盘录像机进行视频信号的记录和重放。 (2)(非线性)编辑控制器。在硬盘上快速实时地寻找编辑点，设定入点、出点及其他标记。 (3)切换台。采用了时间线、视频轨和音频轨的概念。一条视频轨可以看做一台放像机，用多条轨模拟多通道切换台。线编分别需要一台放机、一台录机或两台放机、一台录机。 (4)特技机。可以使用内置软件或硬件实现特技的功能。软件特技可不断升级；硬件支持的特技速度较快。,3非线性编辑系统的功能,,非线性编辑系统的功能,(5)字幕和图形创作。有专门的软件用于制作字幕和图形，并与视频信号叠加。 (6)动画制作。所有动画制作都是借助电脑完成的，尤其是三维动画。 (7)数字录音机、音源和调音台。 非线性编辑系统中都包含音频输入输出单元、软件波表或(和)硬件波表及硬件混音器，可以录制和编制高质量的声音。,,72 非线性编辑系统的基本组成及工作原理,以高性能计算机为平台，配以专用非线性编辑板卡和大容量高速硬盘(AV硬盘)， 利用相应的视、音频编辑软件，控制完成视、音频节目的制作。 由摄像机录制素材， 将素材通过非线性编辑板卡进行AD转换， 将数字信号压缩后存储在AV硬盘上， 在多媒体平台上对其进行编辑、加工和进行各种动画和特技制作。,,非线性编辑系统的基本组成,,PC&编辑板卡,非线性编辑用的PC实质上就是一台多媒体计算机 非线性编辑板卡，也称为图像处理卡，多数集成音频卡的功能。它主要完成视、音频信号的AD、DA转换，编码、解码，压缩、解压缩，实现视、音频特技处理等。,,素材存储,素材存储单元是非线性编辑系统的重要组成部分，存储单元目前普遍采用大容量的高速硬盘，由于数据率较大，为保证图像质量，一般使用10000转以上的SCSI硬盘。通过SCSI接口可以接入多个硬盘，形成大容量的硬盘阵列。,,非编软件,非线性编辑软件主要由操作系统软件和应用程序软件组成。 应用程序软件包括非线性编辑软件和各种图形图像处理软件、动画制作软件、声音编辑创作软件等。,,非线性编辑应用软件分类,非线性编辑应用软件有专用型和通用型两大类。 专用型由非线性编辑系统开发商根据他们所选用的非线性编辑板卡的特点而专门开发的。它与特定的硬件系统配套使用，有的甚至固定在机器里面，整体性能好，应用方便，制作节目质量高，价格相对昂贵。 通用型主要是由非线性编辑系统开发商以外的软件公司开发的，能够支持广泛的非线性编辑板卡，通用性强，对硬件环境的要求相对较低，节目制作质量较高(与硬件相关)，有丰富的第三方软件(插件)支持。Adobe公司的Premiere等。,,Premiere软件特点,(1)广泛兼容性。Premiere支持多种文件格式，并且Premiere支持第三方插入软件，这使得该软件具有强大的扩展功能。 (2)音频、视频的实时采集。Premiere配合视频卡可以实现对模拟音频、视频的实时采集，在采集过程中，可以对信号进行调整。 (3)强大的特技功能。Premiere提供了近百种视频、音频滤镜，多种转换效果，多种运动效果和字幕叠加功能。 (4)所见即所得特性。在PremiereTimeline(时间线)窗口排列的各种片段，均可在显示窗口中进行播放和预览，为节目的编辑、处理、预演等提供方便。 (5)时间的非线性。Premiere提供了99个视频轨道和99个音频轨道，在编辑、合成过程中，可以根据所编辑节目的特点随机地调整文件顺序，并配以恰当的声音效果。,,7.2.2 系统视频压缩基本原理,非线性编辑系统是以计算机技术为基础的视频专用设备，其对输入信号的第一个处理环节就是数字化转换和压缩。 压缩的基本原理就是采用最佳的数据编码方法，在保证尽可能少地丢失信息量的情况下，尽可能多地去除冗余数据。,,1统计冗余度的压缩,熵编码方法主要是霍夫曼编码和自适应算术编码，它们的思想是使一个数值的编码长度与该数值出现的概率尽可能的成反比。 熵编码压缩比不高，约为1.6:1，优点是它是一种无损压缩技术，目前在图像压缩编码中被广泛采用。,,2空间冗余度的压缩,一幅视频图像相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，这就是空间冗余度。图像的空间相关性表示相邻像素点取值变化缓慢。从频域的观点看，意味着图像信号的能量主要集中在低频附近，高频信号的能量随频率的增加而迅速衰减。通过频域变换，可以将原图像信号用直流分量及少数低频交流分量的系数来表示，正交余弦变换就是变换编码的 一种，它是JPEG和MPEG压缩编码的基础，可对图像的空间冗余度进行有效的压缩。 视频图像中经常出现一连串连续的像素点具有相同值的情况，典型的如彩条、彩底信号、人物、景物特写等。只传送起始像素点的值及随后取相同值的像素点的个数，也能有效地压缩码率，这就是行游程编码。目前在图像压缩编码中，行游程编码并不直接对图像数据进行编码，主要用于对量化后的变换域系数进行编码。,,3时间冗余度的压缩,时间冗余度表现在电视画面中相继各帧对应像素点的值往往相近或相同，具有时间相关性。在知道了一个像素点的值后，利用此像素点的值及其与后一像素点的值的差值就可求出后一像素点的值。因此，不传送像素点本身的值而传送其与前一帧对应像素点的差值，也能有效地压缩码率，这就是差分编码(DPCM)。,,4视觉冗余度的压缩,视觉冗余度是相对于人眼的视觉特性而言的。 视觉特性：对亮度信号比对色度信号敏感；对低频信号比对高频信号敏感；对静止图像比对运动图像敏感；对图像水平线条和垂直线条比对斜线敏感等。因此，包含在色度信号、图像高频信号和运动图像中的一些数据并不能对增加图像相对于人眼的清晰度做出贡献，而被认为是多余的，这就是视觉冗余度。 压缩视觉冗余度的核心思想是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图像数据。,,7.2.3 非线性编辑常用的压缩格式,1.M-JPEG压缩格式 MJPEG压缩方式是帧内压缩方式，是对于运动图像的每一帧的压缩，技术最为成熟，当压缩比较小时，其重建图像具有很高的质量，而在压缩比较大时，图像损伤呈DCT算法方块效应 它不破坏活动图像的帧结构，故可以实现精确到零帧的图像编辑， 它只利用了空域(帧内)压缩，而未利用时域(帧间)压缩，故压缩效率低，不利于存储和传输。,,M-JPEG两个问题,(1)不能单独对一帧视频图像进行压缩，必须考虑视频分场问题，简单的压缩会对电视图像造成严重损伤。 (2)缺乏相关的标准对压缩后的流式数据的拼接句法进行规范。JPEG标准只规定了一幅图像内的句法结构，对于连续的压缩图像数据的拼接没有规定，造成不同厂家的硬件产生的压缩码流不能互相通用 最早以加拿大Matrox公司为代表的一些公司提供的硬件平台，使用M-JPEG压缩方式，大部分采用Zoran公司的JPEG压缩芯片。,,2MPEG-2压缩格式,MPEG是活动图像专家组(Moving Pictures Expert Group)的缩写，该组织成立于1988年， MPEG-2是其制定的第二个MPEG标准，MPEG-2由系统、视频、音频等9个部分组成，与MPEG-1不同的是，在MPEG-2中引入了类和级的概念，其中与类对应的主要是编码的复杂程度，与级对应的主要是图像格式，,,MPEG-2 主要思想,MPEG-2是以图像组(GOP)作为单元对图像进行处理的。 一个GOP内包括3种类型的图像帧，分别称为帧内编码帧(I帧)、前向预测帧(P帧)和双向预测帧(B帧)。 首先编I帧，然后以前一个I帧作为预测帧编P帧，最后在I帧和P帧之间插入若干个B帧，B帧是由相邻最近的I帧或P帧作为双向预测后编码的。一般来说，一个GOP中P帧的信息量约占其I帧的12，B帧的信息量约占其I帧的 14。,,解码时，先解码I帧，然后解码P帧，再解码B帧。 I帧是帧内编码，不需要其他帧的数据，可直接解码， P帧的解码则要依靠所在GOP中该帧之前的I帧和P帧， B帧的解码要依靠所在GOP中前后的I帧和P帧。 图像的传送顺序与显示的顺序是不同的，则图像的传送顺序为PBBPBBIBBPBB，图像的显示顺序则为IBBPBBPBBIBBP。,,由于MPEG-2使用了基于DCT的帧内压缩(空间压缩)和采用运动补偿的帧间压缩（时间压缩)， 且同一帧内可使用不同的压缩比，在同等质量的情况下，其压缩效率远高于M-JPEG格式，因而在视频的采集、传输、存储等领域有非常高的应用价值。 然而由于MPEG-2标准的I、B、P格式压缩破坏了视频图像的帧结构，使得编辑困难。,,3DV压缩格式,DV格式在进行压缩时，是把图像从左到右、从上到下分成8X8的块，作为DCT的基本运算单位。 但是DV的宏块与MPEG-2不同，根据色度取样的不同有32X8和16x 8两种宏块，其中32X 8用于25Mbs码率的4：1：1色度取样，16X8用于50Mbs码率的4：2：2色度取样。在DV的压缩中，还有一个重要的概念超块，9X 3个宏块组成一个超块(SuperBlock)。例如，720x576的一幅像在4：2：2色度取样时，水平方向被分成5个超块，垂直方向分成24个超块。,,4无卡节目编辑中的压缩格式,采用软件解码的方式进行非线性节目编辑工作的可能性越来越大。 非线性软件解码无卡编辑主要有两种应用模式： 一种是利用软件的解码能力完成编辑工作，然后再利用计算机和软件的编码能力将编辑结果进行合成，完成节目的编辑。 另一种应用模式是采用双码流的工作方式，基于软件的无卡编辑完成节目的编辑工作，而节目的合成和下载则交给专业的视频编辑板卡来完成。,,7.2.4 非线性编辑板卡,非线性编辑板卡是非线性编辑系统的核心。 计算机通过非线性编辑板卡将视频信号转为视频文件和将视频压缩文件转换成标准的模拟电视信号，记录在录像机中的磁带上。 编辑板卡的主要工作 完成AD和DA转换。 完成非线性编辑工作流程当中的素材上、下载及各种类型的视频输入输出接口， 通过硬件编、解码处理器和固化的电视特技协处理器，提高系统的处理速度，降低CPU负担。,,非线性编辑系统的发展,,1非线性编辑板卡的工作原理,录入 输入的视频信号模数变换 经数字梳状滤波器分离为数字YC信号， 经解码变为数字Y、U、V信号， 利用M-JPEG压缩技术进行压缩，成文件存硬盘。 视频重放，与捕捉过程相反。 视频数据送显示器，需要经过板卡上的帧缓存。,,存储在硬盘中的图像、声音或动画文件，在非线性编辑系统中统称为“素材”(Clip)、 生成这些文件存盘时，连同其文件名(或活动图像首帧缩略图和声音波形图)、文件类型、文件长度均已存盘。 进行编辑时，需要将待编的素材输入到一个新建的“目录表”(Project)中，实际是将这些素材的缩略图和波形图从硬盘调入帧存储器中，而大量的文件数据仍在硬盘中未动，故占用帧存储器的容量并不多。,,编辑工作实质,编辑实际是给目录表中各素材按时间排序， 而特技一般发生在两个素材的重叠处，由特技控制器提供各种特技算法，以场为单位，由系统微处理器逐个像素运算生成新的画面，这时仅将两个素材重叠部分的视频数据解压缩后调入帧存储器，数据量并不大。 特技控制器实际上是由编辑软件提供的“特技算法库”，每一种算法均以一种文件形式，连同文件名等参数存放在硬盘中，调用时以缩略图形式出现在一个称为特技过渡的窗口里，供用户选择。 特技即由选定的算法对图像数据进行运算，得到新的图像数据。,,2早期的双通道非线性编辑板卡,非线性编辑系统在早期大多采用MJEPG压缩技术，市场上提供压缩比为2:1-50:1不等的产品， 有的能同时提供多种压缩比。 硬件处理有单、双通道之别，单通道只能处理一路信号，双通道可同时处理两路信号，并且回放通道支持多层叠加的特技混合器。,,早期的双通道非线性编辑板卡,(1)Targe2000RTXSDX板卡 (2)ReelTime系列板卡 (3)Digisuite套卡,,3当今主流的非线性编辑板卡,(1)DigisuiteDTV十MAX板卡 (2)DPSVelocity非线性编辑系统 (3)Targa3100板卡,,73 网络非线性编辑系统,采用1-2套单机非线性编辑系统和少量的磁带编辑系统可以基本满足节目制作量较小的电视台对电视片头、广告或MTV节目的制作。 但对于节目制作量较大的专业电视台，要配备大量的单机线性和非线性编辑系统，不仅成本高、效率低，而且很难实现资源共享和信息的高速传输。 在这种情况下，实现非线性编辑的网络化是很好的选择。 由于视频信号数字化后的数据量很大，必须采用高速网络,,1吉以太网,作为局域网技术，以太网具有很好的稳定性、拓展性和安全性以及广泛的厂家支持。 吉以太网技术具有共享系统资源，各工作站之间易于传递信息，可实时共享对同一数据文件的操作，易扩展，技术成熟和成本低廉等特点,,以太网结构是以服务器为中心的，由网络交换机连接所有工作站点。 以太网的实际可用带宽较小，使用若干数量的有卡工作站(带有视频压缩编、解码卡)和无卡工作站。 系统的工作过程为：使用有卡工作站把视、音频素材上载到网络中，同时生成高、低两种压缩比的素材，低压缩比的素材通过SCSI电缆传输到SCSI硬盘阵列中，以便有卡工作站读取较高质量的素材，完成精编工作和最终节目下载； 高压缩比的素材通过吉以网传到服务器共享盘中，供无卡工作站编辑。,,2、光纤分布式数据接口 3异步传输模式(ATM) 4光纤通道(FC),,,,74 混合编辑系统,为了充分发挥线性、非线性编辑各自的特点与优势，目前计算机厂家和传统的视频厂家生产的非线性编辑系统，均不同程度地考虑了与磁带编辑系统相结合进行混合编辑的情况， 这种将线性与非线性相结合而组成的编辑系统称为混合编辑系统。,,混合编辑系统的使用方式：,1非编兼具录机和编辑控制器功能的混合编辑系统 既可实现纯非线性编辑，亦可实现线性编辑。 在纯非线性编辑中，该系统中的录像机作上、下载用，上载后的素材利用非编系统来非线性编辑。 在线性编辑中，该系统中的录像机作放机用，非编系统兼具录机和编辑控制器的功能。,,2.非编兼具录机功能的混合编辑系统,实现线性编辑时，非编系统则处于受控状态，受控于外接的编制器。 以上两种混合编辑系统优点是兼具线性和非线性编辑功能，在素材量较大时无需全部上载素材，节约了编辑时间，在大量长段无技巧组接编辑中使用非常方便。,,3、线性、非线性和半非线性混合编辑系统,该系统中的非编系统兼具控制、特技、字幕、调音台等多项功能，可实现以下编辑。,,功能,(1)纯非线性编辑 该状态下的编辑录、放像机可作上载素材用，编辑录像机作下载素材用。 (2)二对一AB卷线性编辑 该状态下的非编系统兼具编辑控制器和切换台的功能(需选购二维、三维特技板卡，亦可在该系统中接入切换台，省去非编的二、三维特技板卡)，实现由非编控制的AB卷特技编辑。,,(3)半非线性编辑 在素材量较大或所用素材在同一盘磁带上时，可将一部分素材上载到非编的硬盘，利用该系统实现磁带和硬盘素材之间的AB卷编辑。该编辑方式综合运用了磁带的线性和硬盘的非线性特点，故称为半非线性编辑。,,4、线性与非线性组合编辑系统,,(1)由编辑放、录像机作上、下载素材用的纯非线性编辑。 (2)由编辑放像机、编辑录像机、切换台、调音台和编辑控制器组成的二对一AB卷线性编辑。 (3)若非编的功能许可，亦可实现由编辑放像机和作为录机用的非编系统之间的线性编辑以及半非线性编辑。,,5非线性脱机与线性联机编辑系统,由于非线性编辑的存储容量有限，在素材量很大(如电视剧制作)时，为了保证节目的制作质量，可利用非线性编辑系统在大压缩比下进行脱机粗编，待粗编完成的样片通过评审后，再利用非编系统得到的EDL数据，通过高质量的线性编辑系统编辑成品母带。,,75 非线性编辑的节目制作过程,1准备阶段 准备阶段要做的工作主要包括：素材的准备和系统的连接。非线性编辑要处理的素材是相当丰富的，涉及视频、音频、图形、图像及一些软件制作的素材等。非线性编辑工作的基础就是根据制作节目的需要准备好各种素材。,,(2)图形、图像素材 (3)软件类素材,,2素材引入阶段,非线性编辑的过程可以看做是对各种数字化的素材按照制作节目的需要进行重新编排和再创作的过程。在使用非线性编辑系统编辑节目之