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电视数字视频系统中转码问题的探讨  

2007-05-14 14:32:30|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 电视数字视频系统中转码问题的探讨

               

摘  要:随着电视系统视频网络的不断普及,网络之间视频文件的不兼容性影响了使用效率。压缩方式,压缩率,编码机理不相同的视频文件之间的相互转换,已引起人们的重视,本文对此进行探讨。

关键词:视频  压缩  转码

 

随着电视系统视频设备数字化进程的加快,以计算机为平台的视频设备越来越多,各种各样的非线性编辑设备、视频服务器,逐渐成为制播设备的主流。当人们用计算机网络中最常用的复制方式相互交换文件时发现,不同厂家或同一厂家生产的不同系列产品生成的视频文件很多都不通用,相互传递信号只能通过输出输入接口进行,传递过程只能实时完成。可以几十倍速传输的复制方式却无法使用。另外经过解压、压缩过程的传递,对信号有一定的质量损失,且不能自动校验。

经分析发现,问题主要出现在各厂家生产的板、卡、视频服务器所形成的视频文件的压缩方式,压缩率,编码机理不相同,一种芯片,往往只能识别自己生成的文件。

在计算机技术高度发展的今天,有必要找到一种方式或技术,使不同设备中的视频文件在传输中自动重新编码,使复制后的文件符合目的设备(板、卡、视频服务器)要求,这一技术目前被称为转码。

一、不同的编码、压缩方式,造成了文件互不兼容是需要转码的前提。

目前,数字视频编码方式有很多,目前常用的有下面几种。

无压缩的主要是ITU-601标准的SDI数字分量信号,码流为270Mbps,抽样频率为亮度13.5MHz,两个色差分别为6.75MHz,是4:2:2格式,视频信号是一个不压缩的数据流。无压缩的SDI数字分量信号由于码率高,远距离传输和存储都有困难,因此人们开始研究压缩技术。

常用的视频压缩格式早期主要是Motion-JPEG格式,它的压缩方式是对帧内图像进行压缩,它采用的是差分脉冲编码(DPCM)的无失真压缩和DCT压缩算法,压缩比为5:1,码率为33 Mbps,它的工模式有两种,一是顺序方式,按段或行压缩直至图像结束。二是逐步式,先对整幅图像先按低质量水平编码,然后对同一图像再进行编码,直到最佳质量。每次编码只传送提高质量的信息,直至最佳。它具有逐帧编辑方便的优点,适合于前期制作。早期的非线性编辑设备大多采用此种方式,但它的缺点是硬盘占用量大。

目前应用最广的是MPEG-2压缩方式。它分为适于精确编辑,码率为50Mbps的I帧编码MPEG-2  4:2:2 P@ML 方式和用于传输及播出的I B P 帧编码MPEG-2  4:2:2 MP@ML方式。MPEG-2编码方式属帧间压缩,它是在进行实时I帧压缩时对图像进行运动预测,产生预测帧P,再通过预测帧P计算出B帧。它们之间这种紧密关系称GOP结构,这样的结构就是一个包,在码率为8-15Mbps时,只有GOP较大(15帧)时才能确保图像质量。

近年来推出的主要用于DV、DVCAM、DVCPRO录像机的DV压缩格式也是一种帧内压缩方式。

由上可知,M-JPEG编码压缩方式和MPEG-2编码方式及MPEG-2编码方式中的不同GOP长度结构之间,由于编码方式不同,不能通用。这就造成了不同非线性设备之间,制作用视频服务器同播出用视频服务器之间,非线性与视频服务器之间,各种视频网络之间文件不能通用。

二、目前,非线性编辑网之间仍以常规传输为主,转码传输正受关注

在较大的电视台,大都建立了FC混合的非线性网和盘带结合播出系统,这两个系统之间的传输大都采用SDI串行数字视频编码方式,实时传输,无自动校验。磁带存储的节目在首播时上载。

国际上有关组织正在研究制定一个通用的国际文件标准,以便使各厂家的非线性编辑(包括IT录像机、视频服务器等)设备能通过IP网络以文件拷贝方式相互兼容。致力于MPEG文件格式标准化的组织,正在研究将MXF(Material Exchange File Format资料交换文件格式)和AAF(Advanced  Archive  Format先进制作格式)作为MPEG文件的标准传输格式,其中MXF是AAF的子集,广义说MXF是AAF的一种类型。MXF文件格式主要用于设备间在IT环境下进行节目素材的交换并支持简单的编辑功能,AAF支持复杂的编辑功能。相关组织正致力于建立一个统一标准,使不同厂家间实现数据交换统一,从而实现不同厂家、不同网络、不同硬件平台、不同数据库之间相互操作,真正实现互联互通,充分发挥计算机技术的优势(SONY公司的网络录像机已采用这种文件格式)。但是,这一技术的应用,一般只能在新生产的各种软硬件间使用。对于一些老设备,应用起来可能有困难。在较早生产的设备之间传送视频文件或将串行数字分量SDI、串行数字传输SDTI-CP、卫星传输DVB-TS流转换为MXF(或AAF)格式。都需要转码技术。

三、关于转码的探讨

在电视节目制播过程中,转码主要应用于以下几种情况中:

卫星接收信号至非线性编辑网,即MPEG-2 MP@ML格式至MPEG-2 P@ML格式或M-JPEG格式。

非线性编辑网至播出网(播出服务器),即MPEG-2 P@ML格式或M-JPEG格式至MPEG-2 MP@ML 格式。

DV格式至播出网,即DV格式至MPEG-2 MP@ML 格式。

转码应用中,主要有基于矩形块码流的转换编码和基于对象的转换编码方式。一般需要做三种变换,一是视频编码流码率变换,二是视频编码流分辩率转换编码,三是视频编码流句法转换编码。三种变换中前两种主要是为适应不同的带宽要求,后一种情况主要是为保证不同网络间信息交流中接受端的兼容性。

视频编码流的码率变换主要涉及两个问题:码率变换器的结构和码率控制算法。与直接编码所采用的码率控制不同,比较理想的转换编码,应利用输入视频编码流中的数据来提高码率变换的码率控制算法性能,并根据不同的应用场合分别采取不同的码率控制算法。针对大规模动态服务系统对系统资源动态分配的需求,采用帧存受限条件下码率变换结构,其特点是支持存储资源动态分配,并且编码图像质量随配置帧存储器容量的增加呈单调递增的关系。

从离散余弦变换(DCT)问世以来,它在图像处理,尤其是图像压缩中获得了广泛的应用。在DCT域进行图像的滤波、抽样运算的技术,对编码视频流的分辨率转换编码而言,是非常重要的。归纳起来,离散余弦变换域图像分辨率下变换的方法大致有三类:图像子块内滤波下变换、图像子块间滤波下变换和线性滤波下变换。

对对象级的转换编码,它与先前研究的帧基视频(即MPEG-2)转换编码的主要区别在于码流中包括了形状信息,以及在对纹理进行编码时,采用了一些工具,如对帧内块的直流、交流预测。其基本思想在于通过对每一对象的带宽和复杂性的判断,对场景中的对象进行转换编码。

根据文件格式的不同,还要进行句法转换编码,特别是要对数据包头部信息进行重新定义,使之符合目的格式。

转换编码器所得到的解码图像峰值信噪比(PSNR)比完全解码后再编码要高。

四、转码技术开发现状。

目前,索贝公司开发了一种把制作网文件(MPEG-2短GOP格式或M-JPEG格式)拷贝到播出网(MPEG-2长GOP格式)的无损转码软件,由此设计了专用转码工作站,支持后台操作,操作时感觉不到它的存在,非常方便。

索尼公司最近推出了支持自己公司非线性,视频服务器向播出服务器无损传送文件的转码器MSB-2000,连接于各路向播出服务器的传输路径上,使从各站点传输到播出服务器中的视音频文件自动适合于播出服务器。

MSB-2000还可以使用在多种不同码流信号的操作环境中。作为MPEG世界的关键产品,MSB-2000为整个视频制作流程带来了许多益处。它具有多种桥接和转换功能,使用MSB-2000灵活的桥接和转换功能,将众多网络应用集成在一起,从而最大限度地发挥了MPEG压缩技术的优势。并且通过这些功能,各种基于MPEG压缩的前期采集设备、后期制作设备、网络设备、传输设备、存档设备以及播出设备,可以在同一个MPEG的环境中工作,从而使MPEG从端到端的解决方案成为现实。

MSB-2000支持多种格式的MPEG编解码及转码,通过提供参数再编码方式进行MPEG各种GOP之间和压缩比之间的转换,使信号损失最小,支持MPEG -TS码流DVB-ASI,支持通过网络传输视音频数据,具有多路复用功能。

大洋公司已开发了带转码功能的TS卫星收录系统,可以把接收到的DVB标准(DVB-S、DVB-C、DVB-T方式由MPEG-2码流打包形成的TS流)传输流通过无损转码直接转成编辑用的MPEG-2 I帧或DV等格式,直接成为电视制作网的高质量素材,取代了原来的信号经过接收、解码、视频传输、上载、编码的一系列复杂的有损转换过程。

总之,由于网络技术已广泛应用到电视节目制作、传输、播出中,在各种压缩格式尚未统一的今天,转码技术不同程度的适应了信息相互交换,素材相互调用,资源共享的需求。

 

2006年4月

 

参考文献:1、王  建  视频编码流的转换编码  电视技术2001-11

 

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