視頻粘滯現(xiàn)象的自動(dòng)解除

尹 旭，孫海民

（1.河北省盧龍縣廣播電視臺(tái)，河北 盧龍 066400；2.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000）

責(zé)任編輯:任健男

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化攝錄制播設(shè)備的日新月異，大量數(shù)字化設(shè)備已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字電視節(jié)目的制播領(lǐng)域中。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化是當(dāng)前電視業(yè)最流行的三個(gè)詞匯，也是各個(gè)電視臺(tái)的奮斗目標(biāo)[1]。節(jié)目數(shù)字化是指實(shí)現(xiàn)無損存儲(chǔ)，制作網(wǎng)絡(luò)化是指實(shí)現(xiàn)無帶編輯，播出自動(dòng)化是指實(shí)現(xiàn)無人值守。目前數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化都已完全實(shí)現(xiàn)，缺少的就是具有真正意義上的自動(dòng)化了。

在節(jié)目播出過程中出現(xiàn)視頻粘滯現(xiàn)象、計(jì)算機(jī)發(fā)生死機(jī)等中斷或異常時(shí)往往也同樣離不開人的參與。視頻粘滯現(xiàn)象的自動(dòng)解除從理論上來講可以分為事前解除、事中解除和事后解除。若能夠事前解除是最理想不過的，那樣就能夠徹底地將視頻粘滯現(xiàn)象消滅于無形之中，而事后解除除了對(duì)視頻粘滯現(xiàn)象的產(chǎn)生與解除具有一定的研究價(jià)值之外，沒有太大的存在意義。事中解除即視頻粘滯現(xiàn)象，已經(jīng)發(fā)生或正在進(jìn)行之時(shí)將其解除（以下稱為“視頻粘滯現(xiàn)象的自動(dòng)解除”），有著相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義的。本文僅就如何自動(dòng)解除視頻粘滯現(xiàn)象的問題發(fā)表一下自己的拙見。

1 硬盤播出系統(tǒng)中的“時(shí)碼線”

在不改變?cè)杏脖P播出系統(tǒng)的原則下，將非線性編輯系統(tǒng)的時(shí)碼線引入到硬盤播出系統(tǒng)中，再在播出時(shí)碼線上配以碼率檢測(cè)程序，用這個(gè)檢測(cè)程序來自動(dòng)地檢測(cè)緩存是否溢出和出現(xiàn)靜幀現(xiàn)象。如果緩存溢出，且出現(xiàn)靜幀時(shí)間已超過0.3s（借鑒大導(dǎo)演新貴版DN2000PLUSSDI的做法），它就自動(dòng)地將播出時(shí)碼線上的播出標(biāo)尺實(shí)施暫停處理，暫停之后再幀進(jìn)，最后再解除暫停進(jìn)行正常播放。如果緩存沒有發(fā)生溢出，它就不會(huì)影響正常的播放了。這個(gè)策略不但能自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)暫停、幀進(jìn)與播放的轉(zhuǎn)換，還能準(zhǔn)確、及時(shí)地將視頻粘滯現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為視頻粘滯效應(yīng)，從而將視頻粘滯現(xiàn)象徹底地消滅在萌芽狀態(tài)[2]。

1.1 硬盤自動(dòng)播出系統(tǒng)工作原理及組成

硬盤自動(dòng)播出系統(tǒng)（HardDiskAutoPLAYSystem），簡稱自動(dòng)播出，其工作原理是:首先將要播出的電視節(jié)目信號(hào)通過采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化采集，即將節(jié)目源的模擬視音頻信號(hào)格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-2格式，通過節(jié)目上載軟件，將壓縮后的節(jié)目存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤中；然后通過自動(dòng)播出控制軟件編排節(jié)目播出表，通過審查后控制硬盤自動(dòng)播出服務(wù)器進(jìn)行播出。該系統(tǒng)主要由視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、上載控制站、播出控制站、上載矩陣等組成?，F(xiàn)行的硬盤自動(dòng)播出系統(tǒng)使用的大多數(shù)數(shù)字視音頻文件都是MPEG-2格式的。

1.2 MPEG-2中ES，PES，TS和PS之間的關(guān)系

在MPEG-2中，模擬視音頻信號(hào)是經(jīng)過抽樣、量化及壓縮編碼形成不分段的、連續(xù)的基本碼流ES（Elementa?ryStream），每個(gè)ES由若干個(gè)存取單元AU（AccessUnit）組成。然后再把ES流分割成段，并在每個(gè)AU中插入PTS（PresentationTimeStamp）/DTS（DecodingTimeStamp）標(biāo)志，加上相應(yīng)的頭文件打包變成打包基本碼流PES（PacketizedElementaryStream）。每個(gè)PES包內(nèi)只能存在一種性質(zhì)的ES。在傳輸時(shí)將PES包再分段打成有固定長度188byte的傳輸流TS（TransportStream）或可變長度的節(jié)目流PS（ProgramStream）。從ES到PES的示意圖見圖1。傳輸流TS和節(jié)目流PS兩者的區(qū)別如表1所示。從圖1和表1可知，PS和TS是可以相互轉(zhuǎn)換的，PES只是PS轉(zhuǎn)換為TS或TS轉(zhuǎn)換為PS的中間步驟或橋梁，是MPEG-2數(shù)據(jù)流互換的邏輯結(jié)構(gòu)。

1.3 MPEG-2系統(tǒng)的構(gòu)成

就MPEG-2系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)又是由視音頻編碼器、編碼緩存器、系統(tǒng)編碼器及復(fù)用器、信道網(wǎng)絡(luò)編解碼器及存儲(chǔ)環(huán)境編解碼器、系統(tǒng)解碼器及解復(fù)用器、解碼緩存器和視音頻解碼器構(gòu)成，是將視頻、音頻及其他數(shù)據(jù)基本流組合成一個(gè)或多個(gè)適宜于存儲(chǔ)或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的規(guī)范。其中，編碼緩存器和解碼緩存器延遲是可變的；信道網(wǎng)絡(luò)編解碼器及存儲(chǔ)環(huán)境編解碼器從視/音頻編碼器輸入到視音頻解碼器輸出，延遲是固定的。這表明，輸入視/音頻編碼器的數(shù)字圖像和音頻取樣，經(jīng)過固定的、不能改變的點(diǎn)到點(diǎn)延遲后，應(yīng)該精確地同時(shí)出現(xiàn)在視音頻解碼器的輸出端，使解碼緩存器無上、下溢出，無視頻粘滯效應(yīng)或視頻粘滯現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 TS流和PS流的區(qū)別

1.4 硬盤播出系統(tǒng)中也存在著一條潛在的“時(shí)碼線”

從MPEG-2系統(tǒng)的構(gòu)成來看，非線性編輯系統(tǒng)和硬盤播出系統(tǒng)本身就是個(gè)完整的MPEG-2系統(tǒng)。在非線性編輯系統(tǒng)中，為了延續(xù)人們已經(jīng)習(xí)慣的線性編輯系統(tǒng)的編輯思維方式，主要強(qiáng)調(diào)的是節(jié)目的編輯與制作，即編碼部分（合成節(jié)目），所以使用最多的就是MPEG-2系統(tǒng)的前半部分，在人機(jī)操作界面上采用了比較簡單、相對(duì)直觀的時(shí)碼線編輯方式，輸出合成的主要是節(jié)目流PS（數(shù)字化的視音頻文件）。在硬盤播出系統(tǒng)中，由于大量使用了各種節(jié)目的視音頻文件，強(qiáng)調(diào)的是節(jié)目的完整播出，而不是節(jié)目的編輯與修改，所以使用最多的就是MPEG-2系統(tǒng)的后半部分（解碼部分），在人機(jī)操作界面上廣泛采用的是圖形化的操作界面（表處理方式），僅用鼠標(biāo)就可完成播出節(jié)目單的編制、刪減與合并等工作，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)目的自動(dòng)播出、定時(shí)切播、插播和循環(huán)播出、錄像機(jī)的手動(dòng)控制、鍵混信號(hào)的鍵入和鍵出等，所輸出的節(jié)目信號(hào)主要是用于數(shù)字化傳輸?shù)膫鬏斄鱐S。典型的播出系統(tǒng)（節(jié)目流解碼器）如圖2所示。圖中DSM為數(shù)字存儲(chǔ)媒介。所以，非線性編輯系統(tǒng)和硬盤自動(dòng)播出系統(tǒng)在對(duì)視音頻文件處理的本質(zhì)上都是完全一樣的，只是外在的表象方面有所不同。因此，那條潛在的“時(shí)碼線”是客觀存在的。

2 視頻粘滯現(xiàn)象的自動(dòng)解除

2.1 對(duì)MPEG-2圖像組（GoP）幀間編碼結(jié)構(gòu)的解讀

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中定義了3種類型的幀:I幀，幀內(nèi)編碼，提供壓縮數(shù)據(jù)流中的隨機(jī)存取點(diǎn)；P幀，前向預(yù)測(cè)編碼，利用前一個(gè)I幀或P幀作為參考幀；B幀，雙向預(yù)測(cè)編碼，利用其最近的前向和/或后向I幀或P幀作為參考幀，不能作為其他幀的編碼參考。

在MPEG-2中允許以相當(dāng)靈活的方式組織I幀、B幀、P幀。MPEG-2典型的I幀、P幀、B幀間的預(yù)測(cè)關(guān)系如圖3所示[3]。

從圖3可以看出，在使用MPEG-2的視音頻文件進(jìn)行編輯和播放（檢查）時(shí)，如果能夠人為地直接或間接地中斷P幀的前向預(yù)測(cè)和B幀的雙向預(yù)測(cè)關(guān)系，讓I幀實(shí)施暫停，然后再重新插入I幀，重新建立起P幀的前向預(yù)測(cè)和B幀的雙向預(yù)測(cè)關(guān)系，隨后再進(jìn)行正常的視音頻編輯和播放（檢查），就可以完全而又徹底地將視頻粘滯現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為視頻粘滯效應(yīng)了，人們?cè)诒O(jiān)視器（或電視機(jī)）上所能看到的也就只能是畫面的略微一閃而已。就此而言，筆者在處理“金奇糖康”廣告中的視頻粘滯現(xiàn)象的做法也就得到了相應(yīng)的驗(yàn)證。它的具體做法是:在視頻粘滯現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，馬上找到出現(xiàn)視頻粘滯現(xiàn)象的那幀畫面，果斷地將其刪除掉。刪完之后，視頻粘滯現(xiàn)象不但已經(jīng)得到了解決，而且對(duì)視頻畫面沒有產(chǎn)生任何影響。究其原因就是，出現(xiàn)視頻粘滯現(xiàn)象的視頻粘滯點(diǎn)正好處在那個(gè)鏡頭內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的剪接點(diǎn)上（運(yùn)動(dòng)鏡頭的起始幀畫面），而緊隨其后的下一幀畫面卻又恰好是不存在任何問題的畫面。

2.2 能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)中斷與播出的靜止圖像檢測(cè)流程圖

在非線性編輯系統(tǒng)和硬盤播出系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)這種所謂的“中斷”還是比較容易的，那就是在播出軟件中再加上一個(gè)碼率檢測(cè)程序和一個(gè)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)中斷與播出的檢測(cè)程序就可以了。這個(gè)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)中斷與播出的檢測(cè)程序的檢測(cè)流程如圖4所示。

圖4 靜止圖像的檢測(cè)流程

2.3 MPEG-2解碼緩存的溢出

緩存的溢出是一種軟件中由于邊境條件、函數(shù)指針等設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的址空間錯(cuò)誤，它的發(fā)生原理是:向一個(gè)有限空間的緩沖區(qū)中拷貝或輸入了過長的字符串，這時(shí)就會(huì)有許多意想不到的事情發(fā)生，超過的那部分字符將會(huì)覆蓋與數(shù)組相鄰的其他變量的空間，使變量出現(xiàn)不可預(yù)料的值。在MPEG-2系統(tǒng)中，這種緩存的溢出往往直接表現(xiàn)為視頻粘滯現(xiàn)象的出現(xiàn)或視頻粘滯效應(yīng)的發(fā)生。

目前標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視采用的是MP@ML主類和主級(jí)，而HDTV采用的是MP@HL主類和高級(jí)。以MPEG-2 MP＠ML為例，它能夠提供720×576，25 f/s的ITU-R601建議圖像質(zhì)量，最高碼率為15 Mbit/s，在壓縮比為30∶1以內(nèi)時(shí)可提供廣播級(jí)質(zhì)量的編碼圖像。這就是說，在編碼碼率大大高出15 Mbit/s之后，解碼器的緩存就容納不下那么多的數(shù)據(jù)而要發(fā)生溢出了，在監(jiān)視器（或電視機(jī)）中就有可能表現(xiàn)為靜止畫面的出現(xiàn)（視頻粘滯效應(yīng)或視頻粘滯現(xiàn)象）。然而，在MPEG-2 MP＠ML的實(shí)際應(yīng)用中往往采用的都是恒定比特率CBR（Constant Bit Rate）和可變比特率VBR（Variable Bit Rate）進(jìn)行傳輸?shù)?，在傳輸過程中當(dāng)瞬時(shí)碼率超過恒定比特率或可變比特率的上限時(shí)，就完全可以認(rèn)為解碼器的緩存已經(jīng)發(fā)生了溢出。恒定比特率或可變比特率的上限都是已經(jīng)人為設(shè)置好的一種系統(tǒng)參數(shù)。

2.4 MPEG-2瞬時(shí)碼率的提取

當(dāng)MPEG-2的瞬時(shí)碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于恒定比特率或可變比特率的上限時(shí)，解碼器的緩存就會(huì)發(fā)生大量溢出，從而引發(fā)視頻粘滯效應(yīng)或視頻粘滯現(xiàn)象。那么，在非線性編輯系統(tǒng)和硬盤播出系統(tǒng)中PS流的瞬時(shí)碼率又該如何提取呢？由于MPEG-2是在將視頻、音頻的PES流以及輔助數(shù)據(jù)按不同的格式經(jīng)過再次打包之后再進(jìn)行復(fù)用的，即分別生成了TS流和PS流。TS和PS是通過PES實(shí)現(xiàn)的彼此相容、相互依存、生死與共的關(guān)系的。所以，只要能夠檢測(cè)出它們之中的任何一種碼率也就可以了。借鑒ATM（Asynchronous Transfer Mode）或CATV（Community Antenna Television）網(wǎng)絡(luò)傳輸中對(duì)接收端MPEG比特率的測(cè)量算法。在恒定比特率MPEG-2傳輸流CBR中瞬時(shí)碼率的提取公式為

在可變比特率MPEG-2傳輸流VBR中瞬時(shí)碼率的提取公式為

式中:Rf為2個(gè)連續(xù)過程和更多的PCR之間的運(yùn)行時(shí)間比特率，即瞬時(shí)碼率；ΔSTC為相鄰2個(gè)STC間的差值；ΔPCR為相鄰2個(gè)PCR間的差值；K為常量，恒定比特率；Δb為相鄰2個(gè)PCR間的比特?cái)?shù)。當(dāng)瞬時(shí)碼率大于或遠(yuǎn)大于恒定比特率K或可變比特率的上限時(shí)，非線性編輯系統(tǒng)和硬盤播出系統(tǒng)就自動(dòng)開啟靜止圖像檢測(cè)程序。

2.5 靜止圖像的檢測(cè)與視頻粘滯現(xiàn)象的自動(dòng)解除

在播放（檢查）MPEG-2格式的數(shù)字化視音頻文件時(shí)，如果碼率檢測(cè)器一旦檢測(cè)到解碼緩存器已經(jīng)發(fā)生了溢出，靜止圖像檢測(cè)程序就會(huì)馬上開始工作。先截取I幀圖像，詢問是否已經(jīng)截取。如果還沒有截取，就將已截取的I幀圖像作為參考幀，再次進(jìn)行截取；如果截取了，就將前后2次截取的的I幀圖像進(jìn)行比較，看看它們是否一樣。如果2幅圖像完全一樣，程序中的計(jì)時(shí)器就開始工作，看看圖像一樣（靜止）的時(shí)間是否達(dá)到了0.3 s。如果沒有達(dá)到，就繼續(xù)截?。蝗绻_(dá)到了，就對(duì)正在播出的MPEG-2格式的數(shù)字化視音頻文件實(shí)施暫停，從而中斷I幀、P幀、B幀的預(yù)測(cè)關(guān)系。暫停之后再繼續(xù)進(jìn)行新的播放，重新建立起I幀、P幀、B幀的預(yù)測(cè)關(guān)系。

從上面的分析中還可以看出，筆者在曾經(jīng)提到的、能夠自動(dòng)解除視頻粘滯現(xiàn)象的應(yīng)對(duì)策略（全自動(dòng)方案）中還存在著一定的缺陷。在這個(gè)策略中，不但可以在不改變?cè)杏脖P播出系統(tǒng)的原則下就可以完全實(shí)現(xiàn)視頻粘滯現(xiàn)象的自動(dòng)解除，而且即使在播出時(shí)碼線上配好了碼率檢測(cè)程序，也不用將播出時(shí)碼線上的播出標(biāo)尺在實(shí)施暫停處理之后再幀進(jìn)，除非將前面提到的檢測(cè)程序變?yōu)槭虑皺z測(cè)。正確的做法是在實(shí)施暫停之后馬上就可以直接進(jìn)行正常播放操作。

3 結(jié)論

不管是在非線性編輯系統(tǒng)里，還是在硬盤播出系統(tǒng)中，都可以通過添加碼率檢測(cè)程序和靜止圖像檢測(cè)程序?qū)PEG-2格式的數(shù)字化視音頻信號(hào)在播出（檢查）過程中出現(xiàn)的視頻粘滯現(xiàn)象完全轉(zhuǎn)化為視頻粘滯效應(yīng)。另外，在視音頻文件采集或?qū)脒^程中，如果沒有發(fā)生視頻粘滯現(xiàn)象（在采集或?qū)脒^程中直接發(fā)生視頻粘滯現(xiàn)象的幾率幾乎為零），采用上述方法就可以免去節(jié)目上載前的二次審查，從而有助于提高工作效率。

[1]卞德森.硬盤播出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全技術(shù)[J].電視技術(shù)，2000，24（8）:58-60.

[2]尹旭.硬盤播出過程中出現(xiàn)的視頻粘滯現(xiàn)象及其應(yīng)對(duì)策略[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2009（6）:130-133.

[3]張嫘，黃焱.一種壓縮域原始視頻資料的摘要方法[J].廣播與電視技術(shù)，2008（1）:55-58.