非线性编辑系统中的数字视频压缩技术探讨.docx

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1、非线性编辑系统中的数字视频压缩技术探讨邹莉莉(安徽省合肥市肥东县融媒体中心，安徽合肥231600)0引言高质量的非压缩视频数据量极为庞大。以8K超高清视频为例，即便是每秒24帧画面，一秒钟的数据量大小就达到57Gb,其存储、处理及传输对机器设备的硬件、带宽、网络等要求极为苛刻。如此庞大的数据量如果不经过压缩，很难通过网络进行传输，并将带来极高的成本。同时，传统线性编辑系统以磁带来存储视频数据，需要通过重放磁带中的视频数据按信息记录顺序编辑，工作流程非常复杂，设备要求较多。为了给广大受众带来更好的视听效果，电视节目的录制、编辑、特效制作通常会运用数字视频压缩技术，在保证视频图像质量的前提下减少视

2、频数据量，从而降低对网络带宽、存储设备等的要求,以降低存储和传输成本。采用合适的数字视频压缩技术，是视频存储、编辑及传输等工作的重点。1非线性编辑系统概述1.1 非线性编辑非线性编辑(Non1inearEditing,N1E)系统与线性编辑系统相对应。与线性编辑系统需要反复在磁带上寻找、按时间顺序进行编辑处理不同，非线性编辑系统用电脑、高速硬盘、专用录像卡等设备来制作和加工节目，可以突破时间顺序进行编辑，可按各种顺序进行排列和素材调用，对任意画面进行随机读取、编辑及存储，且可多次编辑而不会影响视频信号质量。相关工作人员称之为“非线性编辑”（简称非编）。1.2 非线性编辑系统的组成本文所介绍的非

3、线性编辑系统由硬件和软件两部分组成，是一种基于非线性编辑技术的视频编辑系统。系统硬件部分的功能主要包括压缩/解压缩、存储及输入/输出。此过程需要使用专用的音频处理芯片、DSP数字处理相关的芯片，从而增强数据处理的整体性能。软件基于硬件收集的数据，编辑和制造数码信号，储存在电脑系统1。在一个完整的非线性编辑系统中，非编应用软件已经成为不可缺少的组成部分。采用非线性编辑系统，可以最大程度地发挥录像设备、数字特技设备、音频编辑设备以及调音设备等的功能。2非线性编辑系统的工作原理2.1 视频素材的采集非线性编辑系统可以利用数据采集卡、视频采集卡，直接从摄像机、录像机等信号源获取数据，并直接进行精确的视

4、频数据转换，同时将数据进行实时压缩，并将其存入电脑硬盘。2.2 视频素材的编辑视频素材的编辑是非线性编辑系统需要完成的核心工作。与线性编辑系统不同，非线性编辑系统对视频素材的加工可以借助电脑直接在硬盘中进行，并直接对音频的波形文件进行采样编辑和录音制作。为了获得更高品质的声音，必须提高取样频率，增大取样深度，但取样深度和取样频率的增加将会使得音频资料的尺寸呈几何倍数增加，而当前电视音响品质的不断提升，进一步催生了用户对音频品质的高要求,选用高品质的音频处理方法是必然选择，如将采样频率为44.1kHz的音频信号，录制成16位的立体声音频信号4。2.3 工程项目的输出对音频和视频素材进行处理后，系

5、统将制作好的视频文件输出到对应的文档中，再进行数字信号的压缩，将其转换为数字视频、音频文件。传统的线性编辑系统在处理音频素材时，多音频需要占据多个音轨，因此会受到音轨数量的限制。而非线性编辑系统可以通过对多轨音频进行合成，从而摆脱音轨数量的限制，以实现更丰富的音频音效。3数字视频压缩技术类型目前，应用最广泛的数字视频压缩技术主要有MotionJPEG,MPEG-2PM1及DV三种。DV压缩技术主要为家用录像机所使用，适用于标准清晰度电视和高清晰度电视，在广播电视领域已经逐渐淘汰。因此本文仅对MotionJPEG和MPEG-2PM1两种数字视频压缩技术进行探讨。3.1 MotionJPEGMot

6、ionJPEG是一种采用JPEG编码的视频压缩技术。这种压缩技术采用帧内压缩方式对每一帧图像进行压缩，最终形成一系列由JPEG独立帧组成的信号流。这种压缩算法不同于帧间压缩方式，而是基于人们视觉器官的视觉特性，即：人眼观察到的画面，相对于颜色的改变而言，对光线变化会更为敏感。基于眼睛的这种视觉特性，只需要保持画面的亮度而不需要完全保持画面中的颜色，即可保障人眼所获得的视觉效果不发生改变，从而对视频进行数字压缩5。3.2 MPEG-2PM1MPEG-2PM1是一种MPEG-2视频压缩技术。由于视频影像每一帧图像都由若干像素点组成，同一帧图像内一个像素通常与周围其他像素存在空间相关性。而若干帧连续

7、图像构成一个动态画面，前后帧图像的像素通常又存在时间相关性。这种相关性表现为亮度、色度、位置等相关甚至完全相同，因此在空间和时间上存在大量的冗余信息现象。技术将冗余成分去除，只保留非相关像素信息，从而只传输非相关像素信息以减少传输容量，节省传输频带。这种算法最初设计的目的是以较少的传输频带实现视频数据的传输，通过参考帧来解析当前帧图像，但实际上除了视频第一帧外，后续每一帧都需要以参考帧作为参考来进行解析。4压缩算法性能分析4.1MotionJPEG的性能特点MotionJPEG压缩标准是当前电视节目制作应用最多的一种。由于这一技术采用帧内压缩的方式，主要基于同一帧像素的空间相关性进行冗余信息处

8、理，连续图像前后帧像素的时间相关性上的冗余信息则不作处理。视频每一帧是以JPEG格式的静态影像进行存储和播放，压缩位元率相对较低，能更好提高视频帧率，在编码和解码上对设备运算能力的需求相对较低。但由于采用帧内压缩技术，帧间冗余信息依然较多，在低压缩位元率下视频数据量依然很大，要降低视频数据量则需要提高压缩位元率，而提高压缩位元率则意味着只能从帧内冗余信息入手，过高的压缩率将严重影响视频质量，造成视频畸变现象,产生方块效应6。因此，为了保证画面的质量，压缩率需要控制在10：1以内。在这样的压缩率下，每一秒视频的数据量依然极高，既便是320X240、20fST的视频每秒数据量都高达2.4MB,难以

9、满足4K、8K超高清数字视频的存储、传输需要，通常仅用数码相机等来进行短片的编码压缩。4. 2MPEG-2PM1的特征MPEG-2PM1能同时对视频、音频进行压缩。在视频压缩上采用了低采样频率，在音频压缩上进行多声道扩展，能提供广播级的视像和CD级音质，同时提供了更大范围且可根据需求改变调整的压缩率。该压缩技术下，每一个图像群组由I帧、P帧、B帧三类构成。I类帧为参考图像，仅采用帧内压缩技术，作为后续图像的参考帧；P类帧参照前面的图像，仅保留非冗余信息；B类帧根据前后及本帧图像作为参考，去除本帧与前后帧间的冗余信息。这一压缩技术不仅能对帧内的冗余像素信息进行处理，还能对前后帧的冗余像素信息进行

10、处理，压缩率最高可达到180：Io对于最终用户来说，广播发送方可根据最终用户的设备发送较高压缩率的MPEG-2PM1视频，经压缩后的视频数据量甚至仅有原始数字信号的1%不到，极大地降低了视频信息传输对带宽的要求。而对于视频编辑、存储处理需求，则根据需要采用较低的压缩率，极为灵活。在视频压缩质量损耗方面，MPEG-2PM1压缩标准可以轻松地通过预测帧结构的调整，来减少视频在传送和频繁压缩/解压缩期间造成的视频质量损耗问题，保证较高的视频质量。4.3非线性编辑系统的设计尽管当前MotiOnJPEG标准在电视节目的编辑处理中已经得到广泛应用，但由于这一标准的视频格式需要视频卡的支持，导致各系统所处理

11、的视频数据共享十分烦琐，给节目组带来了很大的负担。而利用MPEG-2PM1标准改进非线性编辑系统，则可以很好地解决上述问题。传统的非线性编辑系统采用应用层的命令来控制硬件，而在硬件层面通过预先编程的方式来确定控制命令和处理方式，不同的视频意味着要替换相应的视频卡，不同的视频卡又需要相适应的非线性编辑系统。在视频数据编辑处理中，当面临多种格式的数字视频时，频繁更换视频卡和视频编辑系统不仅耗时耗力，而且会降低工作效率，增加节目制作费用。针对以上问题，本文提出一种新的硬件抽象化方法。硬件抽象层把视频卡的全部功能都封装起来，外部只是作为控制界面。应用层收到操作指令后，不再向硬件层传输指令，而是传输到抽

12、象的硬件层，按照不同的格式，调用不同的视频卡功能，向硬件层发布命令，从而实现对不同格式的视频文件的处理和利用，而不需要修改平台层和预先安装的代码。硬件抽象层由接口部分、播放部分、压缩/解压缩部分以及数据采集部分组成。该界面直接面向应用程序，通过该界面采集应用程序的指令。播放器的主要作用就是播放视频和声音，还可以在节目中加入一些特殊的特效，让节目更受欢迎。5结语数字视频的特点决定了视频压缩是整个视频处理过程中最重要的部分，也是视频存储和传输的基础。更高的压缩率能降低视频存储、传输成本，但容易降低视频质量，尤其不利于数字视频的编辑处理。在电视节目制作中，MPEG-2PM1压缩技术具有灵活的比特率和GOP结构，可根据具体需要进行选择，在面向用户进行视频信号传输时可采用较高的压缩率，在存储和编辑需求时则可以采用较低的压缩率，既能满足专业视频数字化处理的需要，又能解决广播电视系统多制式并存的问题，满足不同用户、不同使用环境对视频信息质量、数据量的要求，降低存储、传输成本，降低制式转换成本。