广播级与专业级非编产品的差异.doc

广播级与专业级非编产品的差异在很长一段时间内，视音频产品似乎是广播电视领域的专属。近年来随着技术进步，在广播级产品之外，逐渐出现了专业级和消费级的视音频产品。消费级产品主要面向家庭和个人使用者，体积小，外观时尚，价格低廉，本文对此不详细论述。但专业级产品和广播级产品看起来常常很接近，尤其是当他们是由同一个生产厂商制造的时候。以大洋公司为例，就同时生产广播级非编D3-Edit和专业级非编Montage Extreme（ME）。所以当用户面对专业级和广播级产品时，经常会有疑问：为什么有些专业级产品的功能不比广播级产品差，甚至更多；PC配置也高，可以实时编辑多层视频，还支持高清，但价格却只是广播级产品的一半或更低？他们之间有什么区别？应该如何选择？这成为每一个媒体从业者都在考虑的问题。其实，对于非编产品，广播级、专业级和消费级的根本性区别不在于某些特定功能，而是一些核心的硬指标。下面我们就使用者特征和业务特征做一下分析，以便得出这三类产品之间的差异。对于非编产品，广播级、专业级和消费级的划分就像一个金字塔，广播级非编处于金字塔的塔顶，向下依次是专业级和消费级的非编。在这个金字塔结构中，越靠近塔尖，对设备的安全性稳定性要求越高，对视音频质量要求越高，对服务质量要求越高；相反，越靠近塔基，用户群越大，同时对价格也越敏感。1. 广播级产品多以整机交付，专业级产品大多提供板卡+软件使用广播级设备的通常是各级电台、电视台、机关单位的宣传部门等喉舌机构。对于设备的安全性、稳定性要求极高。作为在线使用的广播级设备，对软件健壮性，以及对整机设备的总在线时间和总服务时间都是有要求的。所以广播级非编提供整机交付的方式（也叫Turn Key, 开钥匙，用户只负责开机即可应用），采用服务器架构。这背后是整个设计、生产和质控团队的努力。以大洋公司的广播级非编D3-Edit为例，它的整机结构、前后面板及接口、风道、散热都经过精细设计；测试、采购、储运、装配每一个环节都有严格的质量控制；另外，所有设备出厂前都经过高温、高湿以及长时间烤机检验；整机质量符合ISO、CCC、CE、RoHS认证。唯其如此，才能保证在任何苛刻环境中都能稳定运行。专业级用户对安全性、稳定性要求较低，但对价格更为敏感。所以专业级非编多采用板卡+软件的销售方式（比如大洋的ME专业非编产品），将工业设计和组装、储运等人工成本降至最低，就是为了给用户节省资金，让更多用户能够使用优质的产品。2. 厂商对广播级产品提供整机售后服务，对专业级产品提供板卡售后服务由于广播级非编是整机交付的，所以厂商会提供对整机以及整机内各个部件的售后服务，在其生命周期内都能确保设备正常运行。生产厂商会建立专门的技术支持团队，及时响应用户的反馈。专业级非编以板卡+软件方式销售，因此厂商只提供针对板卡的更换、维修服务，以及软件版本的有限升级服务。而PC平台的售后服务由经销商承担。3. 广播级产品永远提供最高质量的视音频处理，专业级产品只采用简化的处理方式在CCIR601以及高清演播室标准中，都明确提出对SDI通道的要求。所以广播级非编通常都提供SDI接口，包括标清SDI和高清SDI。并且对 PQR、幅度、抖动、过冲、总谐波失真等指标都有极其严格的规定。具有SDI通道，并且指标符合广电总局标准的才能称作广播级设备。视频处理方面，量化精度至少是10bit，甚至更高的12bit、14bit。专业级非编通常不具备SDI接口，数字接口多采用1394、HDMI这些民用级接口，视频处理通常采用8bit或10bit量化。当然随着技术进步，视音频的处理质量总在不断提升。比如DV50曾经是典型的广播级格式，现在已成为专业级设备的标配。但广播级非编永远采用最高端的技术，提供最高质量的视音频处理。4. 广播级产品采用帧内压缩，多代复制性能更好广播业务流程中，对视频的复制少则2、3代，多则4、5代，对多代复制能力提出较高要求，否则很容易导致画面质量下降直至不可用。所以广播级非编多使用帧内压缩，4:2:2或4:4:4采样格式。专业级用户中的节目制作流程较之相对简单，基本没有多代复制的需求，对采样格式和GOP结构不敏感。因此专业级非编多使用帧间压缩，4:1:1或4:2:0采样格式。5. 广播级产品和专业级产品对数据安全级别处理不同广播级用户要处理的数据至少几万条，并且要求数据绝对安全，因此广播级非编通常使用企业级数据库，比如Oracle、IBM DB2、SQL Sever2005等。专业级应用对安全性要求稍低，数据量也小，多在几千条上下，因此MSDE这一级别的数据库足够应用。6. 广播级产品具有网络化扩展能力和严密的管理功能广播级用户在后期制作过程中强调分工合作，因此对设备提出共享和协同的要求。广播级非编必须可以联网使用。同时对设备的使用和管理严密。这就需要有效的管理，否则容易造成播出事故。网络管理功能不是广播级非编的附属功能，而是重要的支撑体系。专业级应用中，强调一专多能，一个人，或者几个人的小组就把节目完成了。所以专业级非编管理功能相对弱化，通常也不提供联网功能。7. 广播级产品提供面向多种应用的专用功能模块多人、多部门配合是广播级用户节目生产的另一个特点。大量时效性极强的节目需要多专业的通力协作，广播级非编除了基本的编辑功能以外，还提供体育转播、财经信息、天气预报、集中上载等多种应用模块。专业级非编的模块相对单一。高度集成的桌面编辑环境是专业级用户追求的目标。endMPEG2编码MPEG-2视讯原始的主要目标是希望在位元率介于4到9Mbit/s间时，能对一般标准电视解析度的交错式视讯（Interlaced Video）提供一种新的编码压缩方法以得到更好的画质。然而，MPEG-2的最终目标并未仅只于此，它也可以支援如HDTV等更高画面解析度的视讯应用，以及各种画面解析度下的交错式视讯。如同其它MPEG标准，MPEG-2的视讯标准仅仅定义了资料的语义及语法，并未规定资料编码及解码的实作方法，因此这之间还有不少编解码技术空间可以发挥。一个简单的MPEG-2 Non-scalable视讯编解码器（Codec），MPEG-2视讯编码器（Encoder）包含Inter Frame/Field离散馀弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）编码器、Frame/Field动态估计及补偿器（Motion Estimator and Compensator）、以及可变长度编码器（Variable Length Encoder，VLE）。离散馀弦变换编码器主要是利用空间上的冗馀（Spatial Redundancies），而动态估计及补偿器则是利用时间上的冗馀（Temporal Redundancies）来压缩资料；最后资料经过可变长度编码器编码后送至MPEG-2的系统多工器（System Multiplexer，SysMux），再由Transport或Program Stream将资料送出。所谓的压缩，就是找出冗馀内容，再从资料流中除去的技术。如之前所提，MPEG-2的视讯主要是就是利用空间上及时间上冗馀资讯的消除来达到压缩的效果。图4及图5为典型的MPEG-2编解码器，以下我们将针对其中重要的压缩技巧做解说。. 空间上的冗馀去除视讯资料的一个特性是空间冗馀。一般来说，在同一张画面上必有一些共通特性，也许是色彩上的，也许是几何上的，或是其它特征值得到的。所谓的空间冗馀去除，就是要识别出画面中重要的元素，并移除重复且较无影响的元素的动作。 色彩取样跟据实验，人眼对于亮度变化较敏感而对于色度的变化相对的较不易查觉。依此实验，MPEG-2 采用亮度色度的色彩表示格式，Y表示亮度值（Luminance），Cr及Cb表示色度值（Chrominance），并且从降低色度取样来减少讯号量。 MPEG-2中定义了4：2：0、4：2：2及4：4：4采样格式。4：2：0表示四个Y取一个Cr一个Cb；4：2：2表示四个Y取两个Cr两个Cb；而4：4：4表示四个Y取四个Cr四个Cb，即不做任何的采度取样减少。减少色度采样可以在尽量降低对视觉的影响下达到较大的资料缩减效果。 离散馀弦变换离散馀弦变换是一个无损的，可逆的数学计算。在用于视讯压缩时，它把空间亮度采样和相应的色度采样强度资料转化为空间频率资料。在MPEG-2的视讯压缩中，找出存在于视讯中的每张画面里的空间冗馀，就是以将图切成8x8的区块（Block）后做离散馀弦变换来完成的。区块的色彩值转换后的离散馀弦变换系数依然是一个8x8的矩阵，左上角的系数称为DC系数，其馀称为AC系数。DC系数往下代表着逐渐增高的垂直空间频率系数，往右代表看逐渐增高的水平空间频率系数，其他系数则代表垂直水平空间频率的不同组合。由于图像的自然属性，一个画面中通常不会有很密集且大的波动，因此离散馀弦变换经常使代表较高空间频率的离散馀弦变换系数的值很小，甚至为零。基本上，离散馀弦变换并不能减少数据量，但是却可以将资料转成较易找寻冗馀的表达型式。 量化除了在4：2：2或4：2：0的色彩采样过程中丢失了有限数量的资讯以外，MPEG-2的压缩能力来自对离散馀弦变换系数灵活的量化过程。简单地讲，量化（Quantization）就是减少描述各系数的位元数的过程，亦即将各系数以较粗糙的度量单位描述之。量化的动作主要有两个功能：一是让原已很接近零的值尽量变成零，另外则是使得原来非零的系数分布范围变小，有助于压缩。量化是一种破坏性压缩技巧，量化后的资料再还原时与原来的资料不会全然相同，因此视讯压缩后失真的程度，主要便取决于量化位阶(Quantization Scale)的选取。由于人视觉上的特性，高空间频率的讯号往往不易察觉其变化，因此用较大的位阶表示甚至忽略之，对人眼来说亦不会造成多大的差异。. 时间上的冗馀去除视讯资料的另一个特性是时间上的冗馀。一般播放的视讯，其实只是一连串连续的图像序列，然而因为人类视觉的视觉暂留现象，所以会有连贯影像的错觉。而此种视讯因为画面间时间间隔甚小，因此相临的画面几无差异，大多只是图像内容的位置变化。因为有此现象产生，所以我们可以利用除去在时间轴上画面与画面的相似性造成的冗馀来进行压缩。动态补偿动态补偿（Motion Compensation，MC）便是基于上述概念所发展出来的一种视讯压缩技巧。在做动态补偿之前，首先将画面分为16x16的大区块（Macro- block，MB），然后找寻其在参考画面（Reference Picture）中近似的大区块所在位置，并将由目标大区块到参考大区块间位置的座标差记录成动态向量（Motion Vector）。参考画面在该画面之前，称为向前预测（Forward Prediction）；参考画面在该画面之后，称为向后预测（Backward Prediction）；而参考画面在该画面前后都有，称为双向预测（Bi-directionally Prediction）。而整个找寻动态向量的过程称为动态估计（Motion Estimation），常见的有区块匹配法（Block Match Method）及递回法（Recursive Method）。另外，因为预测可能不是最佳匹配且目标大区块与参考大区块间不一定完全一致，因此还要计算目标大区块与参考大区块间画面讯号的差值，称为预测误差（Prediction Error），用以在解码时做补偿之用。最后预测误差再以空间的冗馀去除的压缩法处理之。 画面压缩要探讨如何压缩MPEG-2的视讯之前，首先来看看MPEG-2的视讯资料结构，由下而上依序为：1. 区块（Block）：包含量化后的画面资料，由8x8的像素所组成，是离散馀弦转换的最小单位。2. 大区块（Macroblock）：为一个16 x 16的大区块，是色彩取样、动态估计及动态补偿的基本单位。3. 片段（Slice）：由数个大区块（Macro-block）所组成，主要将每张画面作水平且固定单位的切割。片段以上的各种结构都有讯号同步及错误控制能力。4. 画面（Picture）：由数个片段（Slice）所组成，为最主要的编码单位，主要有三种影像编码的型态 I、P、B，稍后会有详细叙述。5. 画面群组（Group of Pictures，GOP）：由一张 I 画面及数张 P 及 B 画面所组成。在MPEG-2中，画面群组的总长及P画面张数是可以动态调整的。6. 视讯序列（Video Sequence）：由数个画面或画面群组所组成，然而一部影片可以只由一个视讯序列组成，也可以由数个视讯序列所组成。MPEG-2定义了三种画面压缩模式，I画面、P画面、B画面：I画面（Intra Coded Pictures）：当大区块仅使用本身的画面资料进行空间的冗馀去除，并没有参考其他画面的资料，我们称为 Intra模式大区块（Intra Mode Macro-block）。在I画面中，所有的大区块皆为Intra模式大区块。I画面可以做为视讯资料流中的索引点，也是提供随机存取能力的主要来源。 I画面通常在视讯序列或画面群组的第一张，解码时I画面可独立解码，并做为P及B画面的参考影像的来源。由于不须参考其他画面，因此无法得到消除时间上冗馀的好处，因此压缩率较差。P画面（Predictive Coded Pictures）：在编码及解码时，会使用参考画面（Reference Picture），这些参考画面可为该画面前面最近的I画面或P画面。编码时，在P画面中的大区块，若能在参考画面上找到相对应的大区块，则用动态补偿方式做预测编码（Predictive Coding）；若找不到，则以Intra模式做编码。由于加入消除时间上冗馀的技术，因此其编码效率较高。B画面（Bi-directionally Predicted Pictures）：在解码及编码时，会使用到前面及后面两个方向参考画面的资料。如同 P 画面一样，编码时，在B画面中的大区块，若能在参考画面上找到相对应的大区块，则用动态补偿方式做双向预测编码（Bi-directionally Predictive Coding）；若找不到，则以Intra模式做编码。B画面拥有最高的编码效率，然画质最差，故本身不再做为其他预测编码用。.以资料本身冗馀为基础的压缩MPEG-2在以视讯的特性做了空间及时间上的冗馀压缩后，还会再以资料本身的冗馀再做压缩。在量化完成后，MPEG-2舍弃了MPEG-1所采用的Zigzag Scan而改采Alternate Scan来将量化后二维的离散馀弦系数串接成一维的数列，以锯齿状路线处理8x8的块中的64个系数，尽量形成最大长度的连续零值，以提高压缩效率。接着将串接起来的资料以游程编码（Run Length Coding，RLC）及可变长度编码（Varia