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中央电视台 李跃山
摘要
介绍了目前在高清制作中常用的各种视频给螫，分别针对制作域和播出域使用上的不同需求，探讨了高清网络制播体系中格式及码率选择的原则。
关键词
工艺要求 画面质量
文件格式 压缩码率 转码
与标清格式的发展过程类似，在高清环境下我们依然需要解决在格式及其码率方面的一系列问题。在格式及码率选择方面除了考虑节目生产工艺流程不同阶段对于质量和效率的诉求，也要考虑高标清过渡阶段的带来的上下变换等新要求。
在目前的高清制播网中，常见的一些高清格式有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。下面简要对它们进行介绍。
XDCAM是Sony公司提供的无带化视频录制和采集的解决方案，它采用蓝紫激光技术实现了可进行50GB及23.3GB大容量记录。XDCAM
HD格式采用MPEG-2 Long-GOP的压缩方式，根据不同质量分为MPEG HD422和MPEG HD格式。MPEG
HD422格式的采样率为4:2:2，能够提供最高50Mbps数据率记录能力。MPEG
HD格式的采样率为4:2:0，压缩编码方式采用MPEG-2 MP@HL标准，码率支持35Mbps、25Mbps和18Mbps。
松下公司采用P2半导体卡作为主要存储介质，支持DVCPRO HD格式，码率为100Mbps。DVCPRO
HD是在DV编码格式的基础上发展起来的，采用帧内压缩，便于编辑。2007年又推出了采用H.264的AVC
Intra编码格式，当分辨率为1920×1080、采样率为4:2:2、采用10bit量化时，码率为100Mbps；当分辨率为1440×1080、采样率为4:2:0、采用10bit量化时，码率为50Mbps。AVC
Intra格式仅进行帧内编码，由于应用了更为复杂的H.264压缩算法，在同等图像质量的条件下，帧内压缩比是MPEG-2的2~3倍。
AVID公司在2004年推出了DNxHD格式，编码方式与JPEG比较类似，其码流和高清摄像机的原始码流很接近，每帧是独立。码率支持36Mbps、145Mbps和220Mbps。值得一提的是，DNxHD的编解码算法是公开的。Ikegami公司在2007年推出了用Avid
DNxHD编码作为前端记录格式的高清摄像机。
2007年，伴随着新的非线性编辑软件Final Cut Pro 6的推出，Apple公司特意引入一种ProRes
422的编码格式，专门用于影视后期制作。可以在标准分辨率视频文件的容量下，存储无压缩的高清视频。多次编解码不会损伤图像质量。采样率为4:2:2，10bit量化，仅对帧内进行编码，确保各帧质量一致、复杂运动图像中无任何压缩痕迹。采用可变码率(VBR)编码，为复杂帧分配更多数据。ProRes
422 Normal为一般质量的高清格式，目标码速率是145Mbps；ProRes 422
HQ为高质量的高清格式，目标码速率是220Mbps。对于一些特殊场景，实际的码速率比以上目标码率低5%~10%。
JPEG2000格式，是静态图像压缩标准，因此仅进行帧内压缩。JPEG2000的压缩算法基于小波变换，作为JPEG升级版，其压缩率比JPEG高约30%左右，而且不会产生原先的基于离散余弦变换的JPEG标准产生的块状模糊瑕疵。JPEG2000同时支持有损数据压缩和无损数据压缩。当采用无损压缩时，反复进行编解码不会对图像质量造成损伤。
一 制作域格式及码率选择原则
在制作和媒资存储域，对于编解码格式的选择范围较大，同时制约的条件也较多，例如前后期设备兼容、编辑效率、压缩质量、存储容量等，可以按照节目的工艺特点要求进行匹配，总的原则可以在满足质量要求的前提下，应该尽可能降低制作码率。
1. 前期设备支持文件上载
后期编辑的素材来源主要包括信号采集和介质上载，信号采集可以通过收录等手段编码时直接生成制作格式，而对于通过介质上载方式进入编辑系统的素材，为了避免转码带来的质量损失和效率下降，最好的方式就是原始格式直接导入，这就要求前期设备支持的格式能够满足后期编辑的需要，非编软件在格式上与前期设备兼容。对于松下的P2卡，非编进行后期编辑可以使用DVCpro
HD和AVC Intra等原始格式和码率进行编辑。目前，XDCAM
HD和JPEG2000也能够满足这一要求。但是其他的一些格式暂没有前期设备的支持，制约了前后期系统编码格式的选择。
2. 实时性满足基本工艺要求
实时性能分采集和编辑性能，对应格式的编解码性能。采集实时性指能够对基带信号进行实时压缩，编辑实时性指同时多路解码播放和编辑过程中快速的随机定位。双码率采集是对编码效率的基本要求，两路视音频实时播放是非编对于解码效率的基本要求。选用一种解码效率较高的压缩格式可以实现更多轨视频的实时预览、编辑和输出，从而减少制作过程中由于性能不足带来的对合成渲染的需要。同时，如果所选格式的编码效率较高，就可以减少系统中打包服务器配置的数量。
采用当前主流计算机平台，MPEG2-I、DVCPRO HD能够达到5层实时；DNxHD能够达到2层实时。220Mbps的Apple
ProRes 422 HQ多层无压缩高清回放进行实时编辑，实际的实时层数取决于高清格式，见图1。AVC intra、long
GOP的编辑效率还不能满足大规模使用的要求，其他格式还有待进一步验证。
3. 压缩后能够保持较好的画面质量
编码格式对于质量的影响体现在首次压缩和多次编解码两个方面。对于制作系统来说，大量的节目素材需要通过信号采集获取，同时编辑处理过程中由于添加了大量的特技、字幕，需要经常进行打包合成的操作，因此除了要求采用的编码格式具有良好的一次压缩质量之外，还必须经过多次编解码之后，画面质量仍能保持较高的水平。
通过选取5段不同的素材，对几种主要格式和码率的PSNR（峰值信噪比）进行测试，由图2中可以很清晰的看出，DVCPro
HD的压缩质量相对是最差的，而MPEG-2 I Frame
100Mbps和120Mbps之间有一定差异。在120Mbps码率下，MPEG-2 I Frame的质量与DNxHD比较接近。
DNxHD和MPEG-2 I Frame
120Mbps两种压缩格式进行8次编解码后画面的PSNR测试，从图3中可以看出，经过多次编解码后DNxHD的画面质量明显优于MEPG-2
I Frame。
4. 编解码格式的开放性和成熟性
基于CPU+GPU的结构已经成为技术趋势，编解码格式的优劣主要体现在算法上，如果希望获得众多厂商的支持，除了质量、效率之外，就是要具有较好的开放性，而且要有成熟度，有利于用户的快速产品导入。
在当前的几种高清编码格式中，Prores422在Windows平台上的编解码开发工具还需要完备，DNxHD格式的编码工具还有待进一步优化。
二 播出域格式及码率选择原则
1. 适应播出系统的工艺要求
在播出域由于流程的特殊要求，所有播出节目都需要通过编辑和审核，工艺上通常可以不考虑与前期设备格式的兼容问题。同时，当前主流的高清播出服务器对于前期设备格式的支持并没有标清格式充分。
播出对于安全性的要求高。系统中的视频服务器的解码性能、带宽、通道数量、服务器数量都是按照一定比例进行适配的，解码性能、带宽等参数的适应范围较窄，因此，对于播出域更适合采用统一的编码格式和固定的码率，通常不适合采用多格式兼容的配置。
2. 主流视频服务器支持
通过对主流视频服务器的了解发现，唯一一种同时被这五大视频服务厂商支持的压缩格式就是MPEG-2，考虑到MPEG-2也是目前所有高清压缩算法中最为成熟的一种，并且由于其算法相对简单，编解码效率也比较高，我们认为在当前高清播出系统的编码格式可以确定为MPEG-2。
3. 适合播出的压缩质量
作为节目生产的最后一个环节，采用统一的编码格式和固定的码率，进入播出系统备播的文件，都需要通过转码和上载的方式进行格式和码率的统一，因此，播出域内只对节目进行一次压缩，不存在多次编解码的过程。从测试数据来看，在首次压缩方面，当前几种格式的压缩质量相当，其中支持MPEG2的产品众多且格式成熟，可以作为播出格式的主要选择。对于MPEG-2高清编码来说，有很多参数可以设置，其中采样方式选择4:2:2或4:2:0，GOP的大小以及码率的高低都会对压缩后的画面质量产生明显的影响。
由图4可以看出，GOP=12，4:2:2与4:2:0两条曲线的交点在30Mbps左右，因此我们可以得出的结论是当高清压缩码率高于30Mbps时，应该采用4:2:2采样方式，而当压缩码率低于30Mbps时，则应优先考虑使用4:2:0采样方式。
4. 适合播出的压缩码率
在满足质量要求的前提下，应该尽可能降低播出码率。因为码率直接决定了每小时素材存储所占用的空间，最终选择的码率越高，存储一小时素材所需要的磁盘空间就越大。码率的高低也决定了播出系统备播时的带宽资源消耗大小，由于播出系统安全性的设计要求，通常需要保存多份媒体文件，因此，节目的迁移量巨大，并发访问带宽要求很高。
播出节目的压缩码率应当与制作码率相匹配。从测试数据来看，MPEG-2 IBP GOP=12
422，码率在50Mbps~80Mbps之间时，对应MPEG-2 I帧码率在100Mbps-130Mbps之间的质量。
三 转码和格式统一
由于节目生产工艺过程采编播存的应用不同，同时受技术条件的限制和当前多格式共存的现状，不同格式之间的转换必不可少，从目前的产品情况看，格式转换主要体现在效率方面，通过优化算法和提高平台性能还不能在短时间内达到标清转码的速度。
而高标清过渡期间，影响转码效率的因素更多。由于高清节目中不同分辨率（1280×720、1440×1080、1920×1080）素材的使用，对于幅型变化的处理会影响转码效率，而幅型变换对于转码质量的影响更大，这就要求系统处理好上变换时的细节补充和下变换时的超采样两个环节。
在中央电视台新址的工艺系统中，节目播出域就对制作域提交的多种节目文件格式进行了统一的转换。在目前的工艺设计中，播出节目文件采用的统一高清视频格式为MPEG2-IBP，HP@HL，GOP=12，Ref=3，422或420采样，8bit量化，码率为50Mbps。在格式转换过程中，一倍速转码是满足节目文件备播业务的最低效率要求。
鉴于此，我们期待在未来的实践过程中，能够借鉴现有标清系统的经验，采编播存整个节目生产过程采用统一的格式和码率，既能够满足前期设备和节目制作对于质量的要求，又能够满足播出系统对于存储码率和传输的要求，提升电视台整个节目工艺流程的生产效率。
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