多格式混編環(huán)境下視頻制作的常見問題

于援東

（蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

1 引言

目前，高、標(biāo)清電視與網(wǎng)絡(luò)電視和移動(dòng)視頻節(jié)目共存，數(shù)字視頻制作面對(duì)的是一個(gè)多入口（使用多種標(biāo)準(zhǔn)拍攝素材，可對(duì)不同視頻格式進(jìn)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(biāo)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(lán)光DVD，多媒體）。

面對(duì)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(diǎn)。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(jìn)行了討論。

2 應(yīng)用域標(biāo)準(zhǔn)與素材質(zhì)量要求

根據(jù)對(duì)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)范圖像質(zhì)量和節(jié)目的交換，如中國的標(biāo)清電視 （SDTV）和高清電視（HDTV）標(biāo)準(zhǔn)。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)碼率，通用視頻格式和傳輸標(biāo)準(zhǔn)等詳見表1。

表1 數(shù)字視頻應(yīng)用域標(biāo)準(zhǔn)與通用格式

大屏幕顯示要求的圖像分辨力與移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)的定位和應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)選擇符合標(biāo)準(zhǔn)分辨力的視頻素材和制作平臺(tái)，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(biāo)準(zhǔn)高于下面的標(biāo)準(zhǔn)，在制作中可以向下遷移應(yīng)用，既滿足上面標(biāo)準(zhǔn)的素材也能夠滿足下面的需求。而低于應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)分辨力的素材，無論怎樣上變換都不會(huì)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(shí)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(biāo)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(shí)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(duì)圖像質(zhì)量的影響取決于圖像分辨力、色信號(hào)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(duì)編碼參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。

1）色信號(hào)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?cái)?shù)比4∶2∶0取樣要多約30%，即分辨力同為720×576時(shí)，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(duì)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(biāo)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(biāo)清中的MP@ML和高清中的MP@HL。

2）GoP結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于標(biāo)清MPEG－2視頻來說，采用全I(xiàn)幀結(jié)構(gòu)4∶2∶2@ML取樣時(shí)的透明碼率應(yīng)為40～50 Mbit/s；采用 IBIBIB 結(jié)構(gòu)時(shí)，碼率則為 25～30 Mbit/s；而長 GoP IBP（15 幀）結(jié)構(gòu)時(shí)，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(duì)于高清和多媒體視頻，可參照相同編碼方式的標(biāo)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(gè)階段。不同應(yīng)用階段對(duì)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(duì)質(zhì)量冗余要求的依次降低視頻存儲(chǔ)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)，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?jǐn)z像機(jī)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(biāo)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(tái)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(diǎn)是全面支持高清和標(biāo)清的各種視頻格式，可利用標(biāo)準(zhǔn)AAF或MXF交換格式進(jìn)行封裝，在異構(gòu)制作系統(tǒng)之間實(shí)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(duì)于以高標(biāo)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(cuò)的選擇。

（2）使用高效率通行格式存檔

對(duì)于低端視頻制作業(yè)務(wù)，出于對(duì)資源和成本的考慮，常以DV或HDV格式進(jìn)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(huì)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(chǔ)平臺(tái)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(chǔ)資源比較見表3。

表3 視頻格式存儲(chǔ)資源比較

VC1（WMV）格式擁有 3 個(gè)大類（Profile）共 10 個(gè)級(jí)（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(diǎn)。

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(chǔ)資源。

標(biāo)清或高清電視播出節(jié)目通常按照播出服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)存檔，見表4。

表4 視頻播出服務(wù)器

在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中播放的視頻文件，應(yīng)選擇系統(tǒng)平臺(tái)媒體播放器和視頻服務(wù)器平臺(tái)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(tái)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)主要制作業(yè)務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，在系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)盡可能采用相同的壓縮標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)平臺(tái)，以保證制作系統(tǒng)內(nèi)80%的視音頻文件在生成、存儲(chǔ)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(yùn)用前面論述的基本原則，通過工作流程的改進(jìn)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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.