中央電視臺 李躍山
摘要
介紹了目前在高清制作中常用的各種視頻給螫，分別針對制作域和播出域使用上的不同需求，探討了高清網(wǎng)絡(luò)制播體系中格式及碼率選擇的原則。
關(guān)鍵詞
工藝要求  畫面質(zhì)量  文件格式  壓縮碼率  轉(zhuǎn)碼

與標清格式的發(fā)展過程類似，在高清環(huán)境下我們依然需要解決在格式及其碼率方面的一系列問題。在格式及碼率選擇方面除了考慮節(jié)目生產(chǎn)工藝流程不同階段對于質(zhì)量和效率的訴求，也要考慮高標清過渡階段的帶來的上下變換等新要求。
在目前的高清制播網(wǎng)中，常見的一些高清格式有Sony公司的XDCAM HD、松下公司的DVCPRO HD和AVC Intra、AVID公司的DNxHD、Apple公司推出的ProRes 422格式和Thomson公司支持的JPEG2000格式。下面簡要對它們進行介紹。
XDCAM是Sony公司提供的無帶化視頻錄制和采集的解決方案，它采用藍紫激光技術(shù)實現(xiàn)了可進行50GB及23.3GB大容量記錄。XDCAM HD格式采用MPEG-2 Long-GOP的壓縮方式，根據(jù)不同質(zhì)量分為MPEG HD422和MPEG HD格式。MPEG HD422格式的采樣率為4:2:2，能夠提供最高50Mbps數(shù)據(jù)率記錄能力。MPEG HD格式的采樣率為4:2:0，壓縮編碼方式采用MPEG-2 MP@HL標準，碼率支持35Mbps、25Mbps和18Mbps。
松下公司采用P2半導(dǎo)體卡作為主要存儲介質(zhì)，支持DVCPRO HD格式，碼率為100Mbps。DVCPRO HD是在DV編碼格式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用幀內(nèi)壓縮，便于編輯。2007年又推出了采用H.264的AVC Intra編碼格式，當(dāng)分辨率為1920×1080、采樣率為4:2:2、采用10bit量化時，碼率為100Mbps；當(dāng)分辨率為1440×1080、采樣率為4:2:0、采用10bit量化時，碼率為50Mbps。AVC Intra格式僅進行幀內(nèi)編碼，由于應(yīng)用了更為復(fù)雜的H.264壓縮算法，在同等圖像質(zhì)量的條件下，幀內(nèi)壓縮比是MPEG-2的2~3倍。
AVID公司在2004年推出了DNxHD格式，編碼方式與JPEG比較類似，其碼流和高清攝像機的原始碼流很接近，每幀是獨立。碼率支持36Mbps、145Mbps和220Mbps。值得一提的是，DNxHD的編解碼算法是公開的。Ikegami公司在2007年推出了用Avid DNxHD編碼作為前端記錄格式的高清攝像機。
2007年，伴隨著新的非線性編輯軟件Final Cut Pro 6的推出，Apple公司特意引入一種ProRes 422的編碼格式，專門用于影視后期制作。可以在標準分辨率視頻文件的容量下，存儲無壓縮的高清視頻。多次編解碼不會損傷圖像質(zhì)量。采樣率為4:2:2，10bit量化，僅對幀內(nèi)進行編碼，確保各幀質(zhì)量一致、復(fù)雜運動圖像中無任何壓縮痕跡。采用可變碼率(VBR)編碼，為復(fù)雜幀分配更多數(shù)據(jù)。ProRes 422 Normal為一般質(zhì)量的高清格式，目標碼速率是145Mbps；ProRes 422 HQ為高質(zhì)量的高清格式，目標碼速率是220Mbps。對于一些特殊場景，實際的碼速率比以上目標碼率低5%~10%。
JPEG2000格式，是靜態(tài)圖像壓縮標準，因此僅進行幀內(nèi)壓縮。JPEG2000的壓縮算法基于小波變換，作為JPEG升級版，其壓縮率比JPEG高約30%左右，而且不會產(chǎn)生原先的基于離散余弦變換的JPEG標準產(chǎn)生的塊狀模糊瑕疵。JPEG2000同時支持有損數(shù)據(jù)壓縮和無損數(shù)據(jù)壓縮。當(dāng)采用無損壓縮時，反復(fù)進行編解碼不會對圖像質(zhì)量造成損傷。
一 制作域格式及碼率選擇原則
在制作和媒資存儲域，對于編解碼格式的選擇范圍較大，同時制約的條件也較多，例如前后期設(shè)備兼容、編輯效率、壓縮質(zhì)量、存儲容量等，可以按照節(jié)目的工藝特點要求進行匹配，總的原則可以在滿足質(zhì)量要求的前提下，應(yīng)該盡可能降低制作碼率。
1. 前期設(shè)備支持文件上載
后期編輯的素材來源主要包括信號采集和介質(zhì)上載，信號采集可以通過收錄等手段編碼時直接生成制作格式，而對于通過介質(zhì)上載方式進入編輯系統(tǒng)的素材，為了避免轉(zhuǎn)碼帶來的質(zhì)量損失和效率下降，最好的方式就是原始格式直接導(dǎo)入，這就要求前期設(shè)備支持的格式能夠滿足后期編輯的需要，非編軟件在格式上與前期設(shè)備兼容。對于松下的P2卡，非編進行后期編輯可以使用DVCpro HD和AVC Intra等原始格式和碼率進行編輯。目前，XDCAM HD和JPEG2000也能夠滿足這一要求。但是其他的一些格式暫沒有前期設(shè)備的支持，制約了前后期系統(tǒng)編碼格式的選擇。
2. 實時性滿足基本工藝要求
實時性能分采集和編輯性能，對應(yīng)格式的編解碼性能。采集實時性指能夠?qū)鶐盘栠M行實時壓縮，編輯實時性指同時多路解碼播放和編輯過程中快速的隨機定位。雙碼率采集是對編碼效率的基本要求，兩路視音頻實時播放是非編對于解碼效率的基本要求。選用一種解碼效率較高的壓縮格式可以實現(xiàn)更多軌視頻的實時預(yù)覽、編輯和輸出，從而減少制作過程中由于性能不足帶來的對合成渲染的需要。同時，如果所選格式的編碼效率較高，就可以減少系統(tǒng)中打包服務(wù)器配置的數(shù)量。
采用當(dāng)前主流計算機平臺，MPEG2-I、DVCPRO HD能夠達到5層實時；DNxHD能夠達到2層實時。220Mbps的Apple ProRes 422 HQ多層無壓縮高清回放進行實時編輯，實際的實時層數(shù)取決于高清格式，見圖1。AVC intra、long GOP的編輯效率還不能滿足大規(guī)模使用的要求，其他格式還有待進一步驗證。

3. 壓縮后能夠保持較好的畫面質(zhì)量
編碼格式對于質(zhì)量的影響體現(xiàn)在首次壓縮和多次編解碼兩個方面。對于制作系統(tǒng)來說，大量的節(jié)目素材需要通過信號采集獲取，同時編輯處理過程中由于添加了大量的特技、字幕，需要經(jīng)常進行打包合成的操作，因此除了要求采用的編碼格式具有良好的一次壓縮質(zhì)量之外，還必須經(jīng)過多次編解碼之后，畫面質(zhì)量仍能保持較高的水平。

通過選取5段不同的素材，對幾種主要格式和碼率的PSNR（峰值信噪比）進行測試，由圖2中可以很清晰的看出，DVCPro HD的壓縮質(zhì)量相對是最差的，而MPEG-2 I Frame 100Mbps和120Mbps之間有一定差異。在120Mbps碼率下，MPEG-2 I Frame的質(zhì)量與DNxHD比較接近。

DNxHD和MPEG-2 I Frame 120Mbps兩種壓縮格式進行8次編解碼后畫面的PSNR測試，從圖3中可以看出，經(jīng)過多次編解碼后DNxHD的畫面質(zhì)量明顯優(yōu)于MEPG-2 I Frame。
4. 編解碼格式的開放性和成熟性
基于CPU+GPU的結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為技術(shù)趨勢，編解碼格式的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在算法上，如果希望獲得眾多廠商的支持，除了質(zhì)量、效率之外，就是要具有較好的開放性，而且要有成熟度，有利于用戶的快速產(chǎn)品導(dǎo)入。
在當(dāng)前的幾種高清編碼格式中，Prores422在Windows平臺上的編解碼開發(fā)工具還需要完備，DNxHD格式的編碼工具還有待進一步優(yōu)化。
二 播出域格式及碼率選擇原則
1. 適應(yīng)播出系統(tǒng)的工藝要求
在播出域由于流程的特殊要求，所有播出節(jié)目都需要通過編輯和審核，工藝上通常可以不考慮與前期設(shè)備格式的兼容問題。同時，當(dāng)前主流的高清播出服務(wù)器對于前期設(shè)備格式的支持并沒有標清格式充分。
播出對于安全性的要求高。系統(tǒng)中的視頻服務(wù)器的解碼性能、帶寬、通道數(shù)量、服務(wù)器數(shù)量都是按照一定比例進行適配的，解碼性能、帶寬等參數(shù)的適應(yīng)范圍較窄，因此，對于播出域更適合采用統(tǒng)一的編碼格式和固定的碼率，通常不適合采用多格式兼容的配置。
2. 主流視頻服務(wù)器支持
通過對主流視頻服務(wù)器的了解發(fā)現(xiàn)，唯一一種同時被這五大視頻服務(wù)廠商支持的壓縮格式就是MPEG-2，考慮到MPEG-2也是目前所有高清壓縮算法中最為成熟的一種，并且由于其算法相對簡單，編解碼效率也比較高，我們認為在當(dāng)前高清播出系統(tǒng)的編碼格式可以確定為MPEG-2。
3. 適合播出的壓縮質(zhì)量
作為節(jié)目生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)，采用統(tǒng)一的編碼格式和固定的碼率，進入播出系統(tǒng)備播的文件，都需要通過轉(zhuǎn)碼和上載的方式進行格式和碼率的統(tǒng)一，因此，播出域內(nèi)只對節(jié)目進行一次壓縮，不存在多次編解碼的過程。從測試數(shù)據(jù)來看，在首次壓縮方面，當(dāng)前幾種格式的壓縮質(zhì)量相當(dāng)，其中支持MPEG2的產(chǎn)品眾多且格式成熟，可以作為播出格式的主要選擇。對于MPEG-2高清編碼來說，有很多參數(shù)可以設(shè)置，其中采樣方式選擇4:2:2或4:2:0，GOP的大小以及碼率的高低都會對壓縮后的畫面質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。

由圖4可以看出，GOP=12，4:2:2與4:2:0兩條曲線的交點在30Mbps左右，因此我們可以得出的結(jié)論是當(dāng)高清壓縮碼率高于30Mbps時，應(yīng)該采用4:2:2采樣方式，而當(dāng)壓縮碼率低于30Mbps時，則應(yīng)優(yōu)先考慮使用4:2:0采樣方式。
4. 適合播出的壓縮碼率
在滿足質(zhì)量要求的前提下，應(yīng)該盡可能降低播出碼率。因為碼率直接決定了每小時素材存儲所占用的空間，最終選擇的碼率越高，存儲一小時素材所需要的磁盤空間就越大。碼率的高低也決定了播出系統(tǒng)備播時的帶寬資源消耗大小，由于播出系統(tǒng)安全性的設(shè)計要求，通常需要保存多份媒體文件，因此，節(jié)目的遷移量巨大，并發(fā)訪問帶寬要求很高。
播出節(jié)目的壓縮碼率應(yīng)當(dāng)與制作碼率相匹配。從測試數(shù)據(jù)來看，MPEG-2 IBP GOP=12 422，碼率在50Mbps~80Mbps之間時，對應(yīng)MPEG-2 I幀碼率在100Mbps-130Mbps之間的質(zhì)量。
三 轉(zhuǎn)碼和格式統(tǒng)一
由于節(jié)目生產(chǎn)工藝過程采編播存的應(yīng)用不同，同時受技術(shù)條件的限制和當(dāng)前多格式共存的現(xiàn)狀，不同格式之間的轉(zhuǎn)換必不可少，從目前的產(chǎn)品情況看，格式轉(zhuǎn)換主要體現(xiàn)在效率方面，通過優(yōu)化算法和提高平臺性能還不能在短時間內(nèi)達到標清轉(zhuǎn)碼的速度。
而高標清過渡期間，影響轉(zhuǎn)碼效率的因素更多。由于高清節(jié)目中不同分辨率（1280×720、1440×1080、1920×1080）素材的使用，對于幅型變化的處理會影響轉(zhuǎn)碼效率，而幅型變換對于轉(zhuǎn)碼質(zhì)量的影響更大，這就要求系統(tǒng)處理好上變換時的細節(jié)補充和下變換時的超采樣兩個環(huán)節(jié)。
在中央電視臺新址的工藝系統(tǒng)中，節(jié)目播出域就對制作域提交的多種節(jié)目文件格式進行了統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換。在目前的工藝設(shè)計中，播出節(jié)目文件采用的統(tǒng)一高清視頻格式為MPEG2-IBP，HP@HL，GOP=12，Ref=3，422或420采樣，8bit量化，碼率為50Mbps。在格式轉(zhuǎn)換過程中，一倍速轉(zhuǎn)碼是滿足節(jié)目文件備播業(yè)務(wù)的最低效率要求。
鑒于此，我們期待在未來的實踐過程中，能夠借鑒現(xiàn)有標清系統(tǒng)的經(jīng)驗，采編播存整個節(jié)目生產(chǎn)過程采用統(tǒng)一的格式和碼率，既能夠滿足前期設(shè)備和節(jié)目制作對于質(zhì)量的要求，又能夠滿足播出系統(tǒng)對于存儲碼率和傳輸?shù)囊?，提升電視臺整個節(jié)目工藝流程的生產(chǎn)效率。