非线性编辑中数字视频的压缩技术

非线性编辑中数字视频的压缩技术

视频压缩技术随着计算机技术的快速发展，数字设备在广播电视生产领域取代了模拟设备。全面使用数字视频信号是这个领域的发展趋势。但是由于在探索数字化的过程中，产生了不同的数字视频格式，给视频数据的交流带来一定的困难。视频如果被无损失地转化成数字信号，那么信息量将会非常大，巨大的信息数据量对储存、传输和编辑来说都是个负担，所以需要采用压缩技术。由于采用了不同的压缩技术，数字视频的格式呈现出多样化。可编辑视频的特点是，视频流可以被精确到帧地搜索位置。视频压缩在编辑制作中是关键技术。在电视制作方面，视频格式有以下几种：M-Jpeg、Mpeg-2和DV。数字视频信号一般通过以下两种方法获得：(1）使用数字摄像机将外界影像的颜色和亮度信息转变为电信号，然后经过模数A/D转换成为数字信号，储存到数码磁带上，使用的大多数是DV格式，极少数使用Mpeg-2格式，如Sony公司的Betacam-SX系列。(2）视频采集：模拟摄录设备输出的模拟信号经过视频采集卡模数A/D转换成某种格式的数字信号，我国的非线性编辑系统大多数是以M-Jpeg为主，目前非线性编辑发展的趋势是Mpeg-2。1图像压缩和数字压缩Jpeg标准本来是针对静止图像的压缩而设定的，它利用图像邻近像素间具有空间相关性来对图像进行压缩，以减小单幅图像的数据率。M-Jpeg（即MotionJpeg运动的JPEG），是在Jpeg的基础上以时间为轴线把运动的视频图像序列作为连续的静止画面来处理，通过对每一帧图像进行Jpeg压缩，减少视频数字信号的数据量M-Jpeg以PAL制25帧/秒、NTSC制30帧/秒的速度，来完成对连续静止图像的压缩。M-Jpeg对每一帧图像的压缩都是独立、完整的，并不牵涉到其他帧，不破坏活动图像的帧结构，所以可以很容易地进行精确到帧的编辑。M-Jpeg是目前我国非线性编辑领域中应用得最广泛的压缩标准。一般非线性编辑系统大都采用4:1的M-Jpeg压缩，当PAL制4:2:2广播级视频信号采用4:1压缩时，其数据率为40Mb/s，每小时视频需要25GB左右的存储空间。由于M-Jpeg只利用了空间方向的冗余进行压缩，没有利用时间方向上的冗余，所以压缩效率低，不利于存储和传输；M-Jpeg是由单帧静止画面压缩标准JPEG发展而来，不是国际通用的视频流压缩标准。经M-Jpeg压缩的视频数据量仍然很大，只适合在单机中使用，不适于网络传输和应用。从网络传输的角度来看，必须寻求一种新的压缩技术。2视频帧间压缩和视频质量一致性分析MPEG即活动图像专家组（MovingPictureExpertGroup）的英文缩写，成立于1988年，任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准。MPEG已完成的标准有Mpeg-1、Mpeg-2、Mpeg-4、Mpeg-7和Mpeg-21。其中Mpeg-2设计的目标是高级工业标准的图像质量以及更高的传输率，是一种通用的对活动视频图像及其相关音频的编码方法，是至今为止最重要的国际视频压缩标准，适用于SDTV、HDTV等高清晰度的视频压缩技术。Mpeg-2同时使用帧内压缩和帧间压缩的原理，根据运动视频图像相邻间有一定的相似性，通过运动预测，参考帧间图像的相似情况，去掉与前一帧相似的冗余数据，只记录这一帧与上一帧不同的数据，从而大大提高了视频数据的压缩效率，这种压缩方法称为帧间压缩。Mpeg-2的压缩是在时间线上以图像组（GOP）为单元的序列结构。图像组由I帧、P帧和B帧构成。I帧是一个完全记载了帧中图像的全部数据的帧，亦称作全帧；P帧是前向预测帧，是根据与前一帧图像的比较，去掉与前帧相似的数据而构成的帧；B帧是双向预测帧，是根据与前一帧和后一帧图像的比较而得到的帧。P帧和B帧是一个不完全的帧，需要依靠I帧而成立。一个图像组（GOP）由15帧组成，第一帧为一个I帧，依次为1个P帧，2个B帧，由此构成IPBBPBBPBB．．．．．．的帧结构。I帧称为参考帧，是P帧和B帧参考的起始帧。Mpeg-2标准本来共分成4个级别，每个级别又分成5个类。它的表示方法是Mpeg-2类@级。其中Mpeg-2mp@ml应用范围最广，DVD使用的就是这个类级的压缩标准。由于该类级的亮度y和色差r-y/b-y取样频率比为4:2:0，不符合广播级视频质量的标准，所以在mp@ml的基础上又开发了一个新的类级4:2:2p@ml，它使用广播级的4:2:2取样结构，专门用于广播级电视制作。利用Mpeg-2标准有一个很大的问题，就是由于采用IBP帧压缩，帧间有一定的相关性，这就使编辑的难度增加，因为编辑制作是需要精确到帧的，而P帧和B帧不是独立的帧，它们要依赖I帧的存在而重建，对Mpeg-2IPB编辑是个很大的难题，为了准确获取一个B帧的图像信息，一定要先将在它之前的I帧和当前P帧与I帧之间的所有P帧进行解码，这就意味着Mpeg-2格式任意一帧的解码时间要比M-Jpeg和DV格式增加许多倍。如果再加上Mpeg-2的可变码流格式(VBR)，则任意帧的搜索直到将此帧解码成图像的难度就更加大了。为了避免Mpeg-2IPB标准格式给非线性编辑带来的麻烦，许多非线性编辑系统的开发商采用自己开发的Mpeg-2格式，这些格式使用Mpeg-2的I或IP帧来建立自己的数字视频格式，这样使不同开发商之间的非线性编辑设备所采用的数字视频格式有所不同，由于不能兼容，所以不能直接进行视频数据的交流。但是无论如何，由于采用帧间冗余和帧内冗余的压缩，4:2:2p@ml具有非常大的压缩率。PAL制4:2:2广播级视频数字信号可以采用10:1压缩，其数据率是18Mb/s，每小时视频节需要8GB左右存储空间。与M-Jpeg相比，数据率和所需存储空间都大大地减少了。而且随着CPU运算速度的不断加快，Mpeg-2的IPB帧即时重现的问题将会很快得到解决。3数字摄录设备的格式DV是数字摄像机以数字形式记录视频数据的格式，它是国际大多数电子公司共同认定的统一格式。和模拟信号相比，数字视频信号具有以下优点：很高的图像分辨率；高色彩及亮度；信号任意复制永不失真。一开始DV使用的是非压缩的数字视频格式，它把全部的图像信息未经压缩地记录到磁带上，如D1、D2、D3、D5格式的数字摄录设备。这种格式具有很高的视频图像质量，但由于价格昂贵，这种类型的数字摄录设备比较少见。目前使用的DV格式由无压缩DV格式衍生而来，有Panasonic公司开发的DVCPRO25和DVCPRO50、Sony公司开发的DVCAM格式和JVC公司开发的Digital-S格式。与M-Jpeg相似，这些压缩的DV格式也是采用帧内压缩的方法，此外DV还采用了自适应的场间压缩方法，如果一帧中两场信号没有什么差别，它就会将两场信号一起压缩，释放出一些数据位，这样有利于总体质量的提高。因为是帧内压缩，所以在进行编辑时可以很容易地实行精确到帧的编辑。一般的DV设备带有IEEE1394卡，如果计算机也装有IEEE1394卡，那么通过连线就可以将DV信号无损失地在DV设备之间、DV设备和计算机之间进行复制。1394接口是根据IEEE1394开发的一种高效串行接口，又称为FireWire或iLink，通过1394线使计算机与不同的外部设备相连，如数码摄像机、硬盘、打印机、扫描仪等。由于传输速度高达400Mbps，是USB1.0的30倍，和USB2.0的速度相当，目前已经成为数码影像设备的传输标准。4数字视频编辑的应用我们对各种视频压缩格式做一个列表比较，如图1。要取得广播级的数字视频信号，首先要达到以下标准：（亮度信号）取样率为13.5MHz；亮度信号和色差信号取样比为4:2:2。由图1可以看到，M-Jpeg、Mpeg-2、DVCPRO50和Digital-s是可以达到广播级标准的数字视频格式的。从压缩比来看，Mpeg-2明显高于DV和M-Jpeg，可以很容易地运用在网络方面，是制播一体化的唯一解决方案，它及有可能是广播级电视制作系统的发展方向。有的公司甚至利用Mpeg-2作为他们摄录系统的数字视频格式，如Sony公司的Betacam-SX系列。由于数字视频间的格式不兼容，那么如何实现不同格式之间的编辑和制作呢？有以下三种方法：(1）有的非线性编辑卡，如品尼高公司的TAGRA3000可以对Mpeg-2和DV格式的信号进行混合编辑。(2）用各自的录像设备输出模拟分量信号到编辑制作系统中，非线性编辑