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預設 淺談非編系統的硬體技術

 摘要:介紹了關於PC平台的非線性編輯系統,其視音瀕子系統的硬體結構,用於視音瀕子系統中的視瀕壓縮技術和資料存儲技術。C

  關鍵詞:非線性編輯,視瀕壓縮,資料存儲CC

  1 概論D

  非線性編輯這個名稱是為了與傳統的線性編輯相區別而產生的。傳統的電子編輯方法是線性編輯。在非線性編輯系統中,視音瀕素材存放在盤體表面同心圓狀的磁軌中,磁頭在二維的極坐標環境中定位和讀寫。對於存儲在碟上的任意位置的素材,磁牒與磁頭二者的聯動一般用幾ms就可以找到,找點時間基本上沒有差別,所以稱為非線性編輯。因此,通常把關於磁帶的編輯系統稱為「線性編輯系統」,而把關於磁牒的編輯系統稱為非線性編輯系統。D

  由於非線性編輯系統的資訊存儲位置與接受資訊的順序不相關,碟上所存任何文件均可隨時使用或修改,插入內容不需要重錄,大大提高了編輯效率。不僅如此,更重要的是,它還具有許多線性編輯所不具有的功能,可以處理文字、圖形、圖像、動畫等多種形式的素材,實現了完整意義上的非線性編輯,極大豐富了影視製作的手段。
一般的非編系統分為三類:D

  1)關於工作站平台的系統。該系統大多建立在SGI圖形工作站基礎上,一般圖形、動畫和特技功能較強,但價格昂貴,軟硬體支持不充分。D

  2)關於MAC平台的系統。該系統在非線性編輯發展的早期套用得比較廣泛,未來的發展在一定程度上受到蘋果硬體平台的制約。D

  3)關於PC平台的系統。這類系統以Intel及其相容晶片為核心,型號豐富,性價比高,裝機量大,發展速度也非常快,是當今的主導型系統。另外,這類非線性編輯系統正在向網路化發展,大大提高了電視台內部的製作播出效率。D

  下面以關於PC平台的系統為例,介紹非編系統的硬體技術。C

  2 非編系統的硬體結構D

  非線性編輯系統技術的重點在於處理圖像和聲音資訊。這兩種資訊具有資料量大、既時性強的特點。既時的圖像和聲音處理需要有高速的處理器、寬帶資料傳輸裝置、大容量的記憶體和外存等一系列的硬體環境支持。普通的PC機難於滿足上述要求,經壓縮後的視瀕信號要既時地傳送仍很困難,因此,提高運算速度和增加帶寬需要另外採取措施。這些措施包括採用數字信號處理器DSP、專門的視音瀕處理晶片及附電源路板,以增強資料處理能力和系統運算速度。在電視系統處於數字島時期,畫格同步機、數字特技發生器、數字切換台、字幕機、磁牒錄像機和多軌DAT(數字錄音磁帶)技術已經相當成熟,而借助當前的超大規模集成電路技術,這些箱級的數字視瀕功能已可以在標準長度的板卡上實現。非線性編輯系統板卡上的硬體能直接進行視音瀕信號的採集、編解碼、重放,甚至直接管理素材硬碟,電腦則提供GUI(圖形用戶界面)、字幕、網路等功能。同時,電腦本身也在迅速發展,PC機軟硬體的發展已能使操作系統直接支持視音瀕操作。下面主要介紹非編系統的視音瀕子系統的硬體結構。D

  視音瀕處理子系統通常是以板卡的形式實現的。它有單通道、雙通道和多通道形式。在非線性編輯中,通常套用的是雙通道系統,其視音瀕子系統包括:外部視音瀕輸入模組、壓縮採集和解壓縮重放模組、圖文產生模組、二維數字特技模組、三維數字特技模組、多層疊加模組、預覽輸出及主輸出模組。其結構如圖1所顯示。D

  視瀕信號輸入後有一路進入數字混合器,可有一路活動背景信號在數字混合器中與其他存儲在硬碟中的視瀕文件混合。需要壓縮儲存的視瀕信號進入壓縮/解壓縮通道,經壓縮後變為標準的視瀕文件,存放在硬碟中。音瀕信號經A/D變換後存入硬碟。使用應用程式將視音瀕文件從硬碟中調出,可有兩路視瀕信號通過解壓縮排入視瀕混合器,由視瀕效果控制DSP執行,對進入混合器的視瀕信號進行二維、三維特技變換,在混合器中完成掃換、合成、鍵控等效果。當重放時,由32bit RGB & Alpha圖文畫格存產生的圖文在混合器中作既時混合處理,完成圖像和圖文字幕的疊加。音瀕信號經數字音瀕處理後輸出。C3非編系統中套用的硬體技術視音瀕處理系統中的硬體之所以能夠完成上述許多功能,主要在於各種硬體技術的套用。這些技術主要有:視瀕壓縮技術、資料存儲技術、數字圖像處理技術和圖文字幕疊加技術等。C

  3P1 視瀕壓縮技術D

  在非線性編輯系統中,數字視瀕信號的資料量非常龐大,必須對原始信號進行必要的壓縮。一般的數字視瀕信號的壓縮方法有M-JPEG、MPEG和DV等。C

  3P1P1 M-JPEG壓縮格式D

  目前非線性編輯系統絕大多數採用M-JPEG圖像資料壓縮標準。1992年,ISO(國際標準化組織)頒布了JPEG標準。這種算法用於壓縮單畫格靜止圖像,在非線性編輯系統中得到了充分的套用。JPEG壓縮綜合了DCT編碼、游程編碼、霍夫曼編碼等算法,既可以做到無損壓縮,也可以做到質量完好的有損壓縮。完成JPEG算法的信號處理器在上世紀90年代發展很快,可以做到以既時的速度完成運動視瀕圖像的壓縮。這種處理法稱為Motion-JPEG(M-JPEG)。在錄入素材時,M-JPEG編碼器對活動圖像的每一畫格進行既時畫格內編碼壓縮,在編輯程序中可以隨機獲取和重放壓縮視瀕的任一畫格,很好地滿足了精確到畫格的後期編輯要求。D

  Motion-JPEG雖然已大量套用於非線性編輯中,但Motion-JPEG與前期廣泛套用的DV及其衍生格式(DVCPRO 25、50和Digital-S等),以及後期在傳輸和存儲領域廣泛套用的MPEG-2都無法進行無縫連接。因此,在非線性編輯網路中套用的主要是DV體系和MPEG格式。C

  3P1P2 DV體系D

  1993年,包括新力、松下、JVC以及飛利浦等幾十家公司組成的國際集團聯合開發了具有較好質量、統一標準的家用數字錄像機格式,稱為DV格式。從1996年開始,各公司紛紛推出各自的產品。DV格式的視瀕信號採用4︰2︰0取樣、8bit量化。對於625/50制式,一畫格記錄576行,每行的樣點數:Y為720;CR、CB各為360,且隔行傳輸。視瀕採用畫格內約5︰1資料壓縮,視瀕資料率約25Mbit/s。DV格式可記錄2路(每路48kHz取樣、16bit量化)或4路(32kHz取樣、12bit量化)無資料壓縮的數字聲音信號。D

  DVCPRO格式是日本松下公司在家用DV格式基礎上開發的一種專業數字錄像機格式,用於標準清晰度電視廣播制式的模式有兩種,稱為DVCPRO 25 模式和DVCPRO 50 模式。在DVCPRO 25 模式中,視瀕信號採用4︰1︰1取樣、8bit量化,一畫格記錄576行,每行有效樣點,Y為720,CR、CB各為180,資料壓縮也為5︰1,視瀕資料率亦為25Mbit/s。在DVCPRO 50 模式中,視瀕信號採用4︰2︰2取樣、8bit量化,一畫格記錄576行,每行有效樣點,Y為720,CR、CB各為360,採用畫格內約3P3︰1資料壓縮,視瀕資料率約為50Mbit/s。DVCPRO 25模式可記錄2路數字音瀕信號,DVCPRO 50 模式可記錄4路數字音瀕信號,每路音瀕信號都為48kHz取樣、16bit量化。D

  DVCPRO格式帶盒小、磁鼓小、機芯小,這種格式的一體化攝錄機體積小、重量輕,在全國各地方電視台都用得非常多。因此,在建設電視台的非線性編輯網路時,DVCPRO是非編系統硬體必須支持的資料輸入和壓縮格式。C

  3P1P3 MPEG壓縮格式D

  MPEG是Motion Picture Expert Group(運動圖像專家組)的簡稱。開始時,MPEG是視瀕壓縮光碟(VCD、DVD)的壓縮標準。MPEG-1是VCD的壓縮標準,MPEG-2是DVD的壓縮標準。現在,MPEG-2系列已經發展成為DVB(數字視瀕廣播)和HDTV(高清晰度電視)的壓縮標準。非編系統採用MPEG-2為壓縮格式將給影視製作、播出帶來極大方便。MPEG-2壓縮格式與Motion-JPEG最大的不同在於它不僅有每畫格圖像的畫格內壓縮(JPEG方法),還增加了畫格間壓縮,因而能夠獲得比較高的壓縮比。在MPEG-2中,有I畫格(獨立畫格)、B畫格(雙向預測畫格)和P畫格(前向預測畫格)三種形式。其中B畫格和P畫格都要通過計算才能獲得完整的資料,這給精確到畫格的非線性編輯帶來了一定的難度。現在,關於MPEG-2的非線性編輯技術已經成熟,對於網路化的非編系統來說,採用MPEG2-IBP作為高碼率的壓縮格式,將會極大減少網路帶寬和存儲容量,對於需要高質量後期合成的片段可採用MPEG2-I格式。MPEG2-IBP與MPEG2-I畫格混編在技術上也已成熟。C

  3P2 資料存儲技術D

  由於非線性編輯要既時地完成視音瀕資料處理,系統的資料存儲容量和傳輸速率也非常重要。通常單機的非編系統需套用大容量硬碟、SCSI接頭技術,對於網路化的編輯,其在線存儲系統還需使用RAID容錯式獨立磁碟陣列硬碟管理技術,以提高系統的資料傳輸速率。C

  3P2P1 大容量硬碟D

  硬碟的容量大小決定了它能記錄多長時間的視音瀕節目和其他多媒體資訊。以廣播級PAL制電視信號為例,壓縮前,1s視音瀕信號的總資料量約為32MB,進行3︰1壓縮後,1min視音瀕信號的資料量約為600MB,1h視音瀕節目需要約36GB的硬碟容量。近年來硬碟技術發展很快,一個普通家用電腦的硬碟就可以達到40GB,通常專業使用的硬碟容量在100GB左右,因此,現有的硬碟容量完全能夠滿足非線性編輯的需要。C

  3P2P2 SCSI接頭技術D

  資料傳輸率也稱為「讀寫速率」或「傳輸速率」,一般以MB/s表示。它代表在服務機構時間記憶體儲設備所能讀寫的資料量。在非線性編輯系統中,硬碟的資料傳輸率是最薄弱的環節。普通硬碟的轉速還不能滿足既時傳輸視音瀕節目的需要。為了提高資料傳輸率,電腦使用了SCSI接頭技術。SCSI是Small Computer System Interface(小型電腦系統接頭)的簡稱。目前SCSI總線支持32bit的資料傳輸,並具有多線程I/O功能,可以從多個SCSI設備中同時存取資料。這種方式明顯加快了電腦的資料傳輸速率,如果使用兩個硬碟驅動器並行讀取資料,則所需文件的傳輸時間是原來的1/2。目前8位的SCSI 最大資料傳輸率為20MB/s,16位的Ultra Wide SCSI(超級寬SCSI)為40MB/s,最快的SCSI接頭Ultra 320最大資料傳輸率能達到320MB/s。SCSI接頭加上與其相配合的高速硬碟,能滿足非線性編輯系統的需要。D

  對非線性編輯系統來說,硬碟是目前最理想的存儲媒介,尤其是SCSI硬碟,其傳輸速率、存儲容量和訪問時間都優於IDE接頭硬碟。SCSI的擴充能力也比IDE接頭強。增強型IDE接頭最多可驅動4個硬碟,SCSI-Ⅰ規範支持7個外部設備,而SCSI-Ⅱ一般可連接15個設備,Ultra 2以上的SCSI可連接31個設備。C

  3P2P3 RAID容錯式獨立磁碟陣列管理技術D

  網路化的編輯對非編系統的資料傳輸速率提出了更高的要求。處於網路中心的在線存儲系統通常由許多硬碟組成硬碟陣列。系統要同時傳送幾十路甚至上百路的視音瀕資料就需要套用RAID容錯式獨立磁碟陣列管理電路。該電路把每一個字元中的位元分配給幾個硬碟同時讀寫,提高了速度,整體上等效於一個高速硬碟。這種RAID容錯式獨立磁碟陣列管理方式不佔用電腦的CPU資源,也與電腦的操作系統無關,傳輸速率可以做到100Mbit/s以上,並且安全效能較高。C

  3P3 圖像處理技術D

  在非線性編輯系統中,我們可以製作豐富多采的「數字視瀕特技」(Digital Video Effects,DVE)效果。數字視瀕特技有硬體和軟體兩種實現方式。軟體方式以畫格或場為服務機構,經電腦的中央處理器(CPU)運算獲得結果。這種方式能夠實現的特技種類較多,成本低,但速度受CPU運算速度的限制。硬體方式製作數字特技採用專門的運算晶片,每種特技都有大量的參數可以設定和調整。在質量要求較高的非編系統中,數字特技是由硬體或軟體協助硬體完成的,一般能實現部分特技的既時產生。D

  電視節目鏡頭的組接可分為混合、掃換(劃像)、鍵控、切換4大類。多層數字圖像的合成實際上是圖像的代數運算的一種。它在非線性編輯系統中的套用有兩大類,即全畫面合成與區域選項合成。在電視節目後期製作中,前者稱為「合成」,後者在視瀕特技中用於「掃換」和「摳像」。多層畫面合成中的層是隨著新型數字切換台的出現而引入的。視瀕信號經數字化後在畫格存儲器中進行處理才能使層得到實現。所謂的層實際上就是畫格存,所有的處理包括劃像、色鍵、亮鍵、多層淡化疊顯等數字處理都是在畫格存中進行的。數字視瀕混合器是非線性編輯系統中多層畫面疊顯的核心裝置,主要提供合成、淡入逐漸消失、掃換和鍵控合成等功能。D

  隨著通用和專用處理器速度的提高,圖像處理技術和特級算法的改進,以及MMX(Multimedia Extensions,多媒體擴展)技術的套用,許多軟體特技可以做到既時或准既時。隨著由先進的DSP技術和硬體圖像處理技術所設計的特技加速卡的出現,軟體特技處理時間加快了8∼20倍。軟體數字特技由於特級效果豐富、靈活、可擴展性強,更能發揮製作人員的創意,因此,在圖像處理中的套用越來越多。C

  3P4 圖文字幕疊加技術D

  字幕是編輯中不可缺少的一部分。在傳統的電視節目製作中,字幕總是疊加在圖像的最上一層。字母機是串接在系統最後一級上的。在非線性編輯中,插入字幕有硬體和軟體兩種方式。軟體字幕是利用作圖軟體的原理把字幕作為圖形鍵處理,產生帶Alpha鍵的位圖文件,將其調入編輯軌對某一層圖像進行摳像貼圖,完成字幕功能。D

  硬體字幕的硬體構成通常由一個圖形加速器和一個圖文畫格存組成。圖形加速器主要用於對單個像素、專用像素和像素組等圖形設備的管理,它具有繪製線段、圓弧和顯示模組等高層次圖形功能,因而明顯減輕了由於大量的圖形管理給CPU帶來的壓力。圖形加速器的效率和功能直接影響圖文字幕的速度和效果。疊加字幕的程序是將漢字從硬碟的字庫中調到電腦記憶體中,以線性位址寫入圖文畫格存,經內容描述後輸出到視瀕混合器的下游鍵中,將視瀕圖像合成後輸出。C

  4 結束語D

非線性編輯技術的發展經歷了20多年的時間。近年來數字電視技術和電腦多媒體技術的高速發展,硬體技術的日趨成熟,使非線性編輯在影視製作中的套用越來越多。隨著設備的不斷小型化,相信這種高質量、高效率的影視製作手段將得到更加廣泛普及的套用。
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