非线性、多媒体视频网络系统初步探讨(一)

1、非线性、多媒体视频网络系统初步探讨(一)    提要 本文着眼解决当前电教工作中电视教材和多媒体制作中视频素材的共享以及非线性处理，重点探讨了利用当前先进的Fibre Channel网络技术以及MPEG-2、MPEG-4压缩技术组成的视频网络，以及该组网方式的优点。关键词 非线性视频网络、数字压缩技术、Fibre Channel技术随着多媒体计算机技术和数字压缩技术迅猛发展，以及Fibre Channel(FC)技术走向成熟，近一年多来非线性视频网络系统迅速倔起，已成为电视技术数字化进程中新的亮点，显示出强大的生命力。它的出现改变了电视以及多媒体制作与传

2、输的传统理念和格局，迫使我们不得不更加深入地认识和了解它，以便于重新思考和审视数字化过渡方案。1、非线性视频网络的基本组成及关键技术首先是网络的速度问题。由于广播级高品质画面与声音带来的大数据量和高速同步传输要求是通用计算机网络无法满足的, 必须建立以 Fibre Channel等关键技术为基础的高速网络。Fibre Channel是美国国家标准协会(ANSI)为网络各通道IO接口建立的一个标准集成，支持 HIPPI、 IPI、 SCSI、 IP、 ATM等多种协议，具有高性价比、高可靠性、千兆位级的带宽、网络拓朴结构多样化、兼容多种协议、组网方式灵活等优点。它的最大特性是将网络和设备的通讯协

3、议与传输物理介质隔离开，这样多种协议可在同一个物理连接上同时传送，高性能存储体和宽带网络使用单一 IO接口使得系统的成本和复杂程度大大降低。Fibre Channel使用全双工串行通讯原理传输数据，传输速率高达10625Mbs。它的最大数据传输速度为100MbS，双环可达200Mbs。Fibre Channel不仅仅是高速网络，而且是高速网络和高速存储体接口的结合， Fibre Channel Arbitrated Loop( FCAL)的拓朴结构使得它更象存储子系统，它采用光纤作为传输介质，通过网络共享的阵列硬盘系统提供超大容量数据共享，传输速率高达16Gbs。它可以提供SGI工作站、PC机

4、和 APPLE机之间的完全的数据共享，使得在通过网络实时编辑不压缩视频成为可能，还可以实现网络视频实时无压缩输入输出，彻底解决了网络速度的瓶颈和数据共享的问题，而且阵列硬盘提供冗余能力并可以集中管理，相对于单机的存储设备，提高了数据的可靠性和安全性。Fibre Channe1支持点对点， ArbitratedLoop，交换等多种拓朴结构，单环最大站点数为126个，站点间距离可达10km；FCAL交换逻辑分配给网上的独立端口几乎和一个正常设备端口一样，可以实现环上操作，显然在数据传输速度、节点数、传输距离等方面具有明显的优势。视频制播网络另一个关键技术是数字压缩技术。按照CCIR601 4：2：

5、2标准，视频图像信号为(135M十675M十675M)×8b216Mb s，而我国 PAL制标准的电视图像信号为720×576×24×25248MbS。对于如此庞大的数字视频数据量来说，要实现无压缩数字视频信号的非线性制作，必须使用昂贵的计算机工作站。显然，以非线性编辑系统站点构造的数字视频网络不仅造价高，而且网络带宽和存储体速度等技术难点也难以解决。目前非线性编辑网络的视频格式90都是采用 MJPEG算法。这种压缩算法对活动的视频图像通过实行实时帧内编码过程单独地压缩每一帧，可精确到帧的后期编辑。由于算法不太复杂，可以用很小的压缩比(2：1)进行全帧采

6、集，从而实现广播级指标所要求的无损压缩。然而， MJPEG仍存在一些缺点，尤其是 MJPEG压缩方案不灵活，由于缺少帧间压缩，其数码率仍然很高。若按广播级指标所要求的2：1压缩，其数码率仍有108 Mbs，其带宽仍然很难满足；其次是由于存在着众多的专用格式，MJPEG不容易分配，为了分配视频信号，必须将 MJPEG再压缩成为 MP (IPB)，这使得 MJPEG成为一种难用的压缩格式。另外，在未来的全数字电视系统中，没有一种压缩的数字摄录系统采用 MJPEG的压缩算法，无法与采用MJPEG压缩算法的非线性编辑系统进行直接的兼容。另外依赖于硬件的 M-JPEG压缩算法无法应用在多媒体课件制作上，

7、因此我们必须寻求其它更灵活的图像压缩技术。随着数字图像压缩技术的发展， MPEG2压缩技术不断完善和成熟，近来更是出现了技术更为先进的MPEG4压缩技术。这两种压缩技术为非编网络提供了另一种很好的格式选择。实际上，MPEG2 、MPEG4与 MJPEG具有相同的压缩概念，都用 DCT处理压缩，以减少分类及打包图像上的资料，使其整体文件缩小，不同之处在于MPEG2、MPEG4还可同时计算出帧与帧之间的变化及只存储帧间变化的资料。由于信号源中存在一定的冗余，一帧图像的数宇化离散信号的大部分瞬间信息可以利用它前后的信息进行预测而获得，其次是人眼对图像的反应存在着冗余，并不能反应所有传来的信息，对于空

8、间频率高的信息，人眼对它并不敏感。 PAL制电视图像的帧间间隔是40ms，并非所有帧与帧之间的信息都有变化， MPEG2、MPEG4信号压缩的基本原理就是只传送帧与帧之间有变化的那部分信息。在一个被压缩的图像信号中，包含三种帧信号，一是用 I表示的原帧信号，二是用 P表示的前向预测帧信号，三是用 B表示的双向预测帧信号。由 I、P和 B组成一个独立的编辑单元，即图像组(GOP)，具有 GOP结构的 MPEG压缩技术比 MJPEG的文件小，压缩比更大，可减小存储硬盘的需求，也可更有效地在网络中实时传送素材，实时播出；同时，在节目制作中，由于引入动态 I帧技术，也可实现精确到单帧的非线性编辑。此外

9、， MPEG2和MPEG4具有足够的灵活性、扩展性和开放性，未来将取代MJPEG。此外，用MPEG4压缩的视频能够以AVI的文件形式存储，因此能够支持当前流行的Director、 Authorware、方正奥思等多媒体制作软件，极大地方便了多媒体制作的应用。2、非线性视频网络的特点随着电视技术数字化进程和多媒体技术的不断推进，越来越多的视频节目以数字形式进行编辑和存储，非线性系统也越来越多地应用在节目的后期制作中，然而，非线性发展的最终方向是数字视频网络，这才是其真正优势之所在。21资源共享素材通过上载工作站记录在视频资料服务器的硬盘上，以MPEG2及MPEG-4技术进行压缩，分不同类别以文件

10、名进行存储管理。网络中的每个工作站都可利用各种索引对素材进行快速的随机查询。可同时满足电视教材制作和多媒体教材制作的需要。对于一段常用的制作复杂的素材可供多个用户同时使用，避免了重复录人，加快了节目制作速度，提高了工作效率，同时也避免了再次制作或翻版导致的信号指标下降。如果利用传统的录像机和磁带不可能实现素材的共享查找和调用，在任一时刻，每一盘磁带上的素材只能供一个编辑使用，其他编辑只能等待。非线性的编辑是一种文件名的编辑而不是素材的翻版，只要不进行生成操作是没有质量损伤的。传统的录像机中视频信号是己录在录像带上，只能提供对信息的线性存取，因此在编辑时经常为寻找素材而前后卷带进行搜索，而且一旦

11、不满意，就需要对素材重新打点，重新记录下遍。这种记录和存取方法需较长的编辑时间，另外每次的编辑相对于放像机的素材信号而言，记录在录像机上的信号都过一版，带来信号质量的损伤。22节省投入首先，对于非线性单机编辑来说，需给每一台非编配置一台录像机及大容量的硬盘，其利用率很低，录像机80的时间处在闲置状态。同样，对于相同的素材，每台非编都要占用硬盘空间，而在网络中，由于实现资源共享，只需一套非线性编辑系统及一个大容量的、共享的 Fiber Channel中心存储体和网络管理服务器；在工作站端，只需要用普通的PC机，而并不要配置昂贵的非线性视频卡。由于采用不依赖于硬件回放的MPEG-2以及MPEG-4压缩技术，在每台工作站只要安装相应的视频编辑软件或多媒体制作软件即可实现电教节目及多媒体课件的制作。23具有良好的扩展性和兼容性以计算机多媒体和计算机网络构成的电视节目编辑制作系统的一个重要特点是：系统具有极大的灵活性和扩展性。若要改变各工作站的功能、系统的工作流程，乃至整个系统的用途时，都不会花费很多追加投资和造成原始投资的浪费。由于系统采用先进的MPEG-2和MPEG-4压缩技术，视频文件可以在现在流行的Windows98/95、Windows NT等操作系统中方便地使用，并可以很方便的把节目