betacam-sx與視頻廣播的數(shù)字化進程

近一段時間在電視技術(shù)方面呼聲最高的莫過于數(shù)字化,因為數(shù)字化的視頻和音頻具有高保真、易存儲等優(yōu)點，所以它們一面世就極受歡迎。在此情況下，加快進入數(shù)字化領(lǐng)域的步伐選用數(shù)字錄象機就顯得尤為重要。
隨著數(shù)字視頻技術(shù)的迅速發(fā)展，磁帶記錄方式的數(shù)字錄象機開始采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，出現(xiàn)了價格適中、且有較高的圖像和聲音錄放質(zhì)量、更高記錄密度的新格式錄象機，主要有SONY的Betacam-SX、DVCAM、松下的DVCPRO、DV和JVC的Digital-S。在這些同類產(chǎn)品中，只有Betacam-SX采用了MPEG-2壓縮方式，可以采用更大的壓縮比從而降低數(shù)據(jù)率，并且填補了MPEG-2壓縮方式在電視信號處理的全過程中錄象編輯制作領(lǐng)域的空白，因此有利于數(shù)字設(shè)備的配套性及發(fā)展性。本文就Betacam-SX這種記錄方式進行闡述，并同現(xiàn)存的其它平行記錄格式作有限的比較，以用來說明Betacam-SX格式的某些技術(shù)特點。

一．取樣比方面的比較
    從表一可以看出在取樣比方面DVCPRO（25Mbps）與DVCAM未滿足CCIR601規(guī)定的亮度信號與色度信號R-Y、B-Y的取樣比4:2:2，這是衡量數(shù)字視頻信號是否達到廣播級的一個重要標準。不滿足此標準就與廣泛采用4:2:2的多數(shù)數(shù)字切換臺與特技機較難以兼容。在制定此國際統(tǒng)一的分量編碼的標準時，亮度信號抽樣頻率的選擇必須兼顧不同的掃描制式，由于現(xiàn)行的掃描制式主要有625行/50場和525行/60場兩種，它們的行頻分別為15625HZ和15734.265HZ，因此ITU-R建議的分量編碼標準的亮度抽樣頻率為13.5MHZ，這恰好是上述兩種行頻的整數(shù)倍，另外按照國際現(xiàn)行電視制式，亮度信號最大帶寬是6MHZ，根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，抽樣頻率至少要大于2×6=12MHZ，可見取13.5MHZ也是合適的。另外由于人眼的視覺對亮度變化比對色度變化敏感度更高，色差信號的帶寬可以比亮度信號帶寬窄得多，所以在分量編碼時兩個色差信號的抽樣頻率可以低一些，同時也考慮到抽樣的樣點結(jié)構(gòu)滿足正交結(jié)構(gòu)的要求,ITU-R建議兩個色差信號的抽樣頻率均為亮度信號抽樣頻率的一半，即6.75MHZ，因此，對演播室數(shù)字電視設(shè)備進行分量編碼的標準是：亮度信號的抽樣頻率是13.5MHZ,兩個色差信號的抽樣頻率是6.75MHZ，其抽樣頻率之比為4:2:2，稱為4:2:2格式。4:1:1取樣格式又在4:2:2取樣格式的基礎(chǔ)上把色差信號的取樣頻率降低了一半，即色度清晰度又降低了一半，因此它的色度信號要差一些。而在4:2:0的取樣比情況下，一場中相連兩行的色度取樣被插入以產(chǎn)生一個單色度取樣，它不僅色差信號要差一些，而且它還具有許多缺點。首先，由于使用隔行掃描，垂直方向的清晰度已經(jīng)被降低，而采用4:2:0取樣比的視頻，在垂直方向上色度清晰度又降為只有水平方向上的一半；另外，垂直插入色度取樣的過程很復(fù)雜，當(dāng)場處理或垂直方向上有移位時會使色度清晰度再度下降，雖然直接顯示人眼看不出來，但當(dāng)有較多色度處理時就顯得不足，更會導(dǎo)致糟糕的多代復(fù)制效果；再有，它無法把水平和垂直方向上色度信號取樣密度的差別考慮在內(nèi)。表二總結(jié)了包括NTSC和PAL制在內(nèi)的不同視頻格式色度信號的取樣密度。
 
　　顯而易見，4:2:0無法在水平和垂直兩個方向上降低等量的色度清晰度，水平對垂直色度清晰度是處于3:1的比例，即使把4:3的寬高比考慮在內(nèi)時，水平到垂直的比率仍是2.25:1。很明顯,4:1:1取樣結(jié)構(gòu)能在水平及垂直方向上，提供平衡的色度清晰度。如果目的是使用一種NTSC或PAL的復(fù)合標準來分配一個信號，那么4:2:0就比較差，它的水平色度清晰度比NTSC或PAL更高，但垂直色度解析度卻比這些復(fù)合標準更差。

　　在糾錯能力方面Betacam-SX是四種格式中糾錯能力最強的。數(shù)字錄象機都采用二維RS糾錯編碼，即里德-索羅門碼（Reed-Solomon），它是利用伽羅華創(chuàng)造的伽羅華域（Galois Field）中的數(shù)學(xué)關(guān)系來把傳送數(shù)據(jù)包的每個字節(jié)映射成伽羅華域中的一個元素（又稱符號），每個數(shù)據(jù)包都按碼生成多項式為若干個字節(jié)的監(jiān)督校驗字節(jié)，組成RS的誤碼保護包，接收端則按校驗矩陣來校驗接收到的誤碼保護包是否有錯，有錯時則在錯誤允許的范圍內(nèi)糾錯。RS糾錯編碼具有很強的糾正突發(fā)誤碼的能力。在里德-索羅門編碼中，通常以符號為單位來處理，一般選用8比特符號，這樣做可以處理非常大量的數(shù)據(jù)，8比特伽羅華域最長的序列為28-1=255個符號，總共有255×8=2040比特。在此編碼中每個符號要乘以某個基本元素的冪次方后再模2加，如圖一所示。因此，我們必須定義兩個符號伽羅華域的乘法如表三所示。

    在里德-索羅門編碼中一系列誤碼可以用碼字除一定數(shù)量的一次多項式，如果要糾正t個錯誤，那么碼字必須要被2t個不同的形式如X+an的一次多項式整除。這里的n取值為直到2t的所有整數(shù)值。a是基本元素，以3比特伽羅華域為例，基本元素a是010，輸入是5個符號，每個符號3比特，與相應(yīng)的元素相乘后直接模2加輸出。因為有兩種系數(shù)，所以得到兩個校驗字，由于沒有出錯，所以在校驗時，兩個校驗式的結(jié)果都為零，即：
　　S0=A⊕B⊕C⊕D⊕E⊕P⊕Q=0
　　S1=a7A⊕a6B⊕a5C⊕a4D⊕a3E⊕a2P⊕aQ=0
    當(dāng)接收到的符號有錯時，通過計算可以得到與符號有關(guān)的錯誤信息，舉例如圖二所示。此時有錯的碼用加撇表示，S0是錯誤碼，真正的D=D’+S0=101⊕001=100，錯誤的位置將由S1與S0的關(guān)系決定。S1和S0是同一個錯誤的不同的碼，由于S1是由乘an次方的各接收符號模2加得到的，因此S1/S0=ak的k恰好是乘2n的那一個符號。

　　為了糾正一個符號錯，要2個符號的檢測碼，一個用來確定位置，一個用來糾錯，糾t個錯誤需要2t個檢驗符，這時要計算2t個等式，確定t個位置和糾t個錯，能糾t個符號的RS碼生成多項式為：
　　g（x）=（x+a0）（x+a1）（x+a2）…（x+a2t-1）
　　如果由某種方式預(yù)先知道哪一個符號出錯，則可以用同樣數(shù)量的檢驗符糾正同樣數(shù)量的錯誤符號。
　　另外，為了適應(yīng)不同的碼組長度可使用截短的RS碼，例如DVB和GA。GA采用RS（207，187，10），即分組碼符號長度為207個，187個信號符號，可檢出207-187=20個錯，可糾正（207-187）÷2=10個錯。該碼就是從RS（255，235，10）碼截短而得到的，實際上可以看成255個符號中除207個有具體的值外，剩余的48個符號全部添零，可以用同樣的電路進行編解碼。
　　在DVCPRO、DVCAM、Digital-S格式中視、音頻數(shù)據(jù)的內(nèi)碼組為RS（85. 77）碼，檢錯能力為85-77=8byte，糾錯能力為（85-77）÷2=4byte。視頻數(shù)據(jù)的外碼組為RS（149. 138），在內(nèi)碼組指出錯誤位置時能糾錯149-138=11byte。音頻的外碼組為RS（14. 9）碼，在內(nèi)碼組指出錯誤位置時14byte中有不多于14-9=5byte的錯誤都能得到糾正。而Betacam SX的視頻內(nèi)碼組為RS（124. 112）外碼組為RS（64. 50），聲音的內(nèi)碼組為RS（124. 112）外碼組為RS（14. 6），其外碼組的糾錯能力明顯高于其它格式，加上磁跡寬度又比其它格式寬了許多，即使一個GOP中有兩根磁跡丟失，誤碼校正仍可正常進行，其誤碼校正數(shù)據(jù)塊的組成如圖三所示。

三．壓縮方面的比較

    在壓縮方面DVCPRO、DVCAM和Digital-S采用類似于M-JPEG的DV方式（包括DCT、自適應(yīng)量化、之字形讀取游程與可變字長編碼），M-JPEG是可以實現(xiàn)對視頻圖像的實時壓縮和解壓縮的幀內(nèi)編碼，故不必采取復(fù)雜的措施就能實現(xiàn)零幀精度的編輯，但是幀內(nèi)信息冗余量太小，不能有過大的壓縮比，否則會丟失一部分圖像數(shù)據(jù)，影響圖像質(zhì)量，因此數(shù)據(jù)率較大，不利于高速傳輸與存儲。而SONY的Betacam SX采用MPEG-2壓縮方式，即運動圖像的幀間編碼，它的主要機制是：
    1． 消除時間冗余，即利用連續(xù)圖像各幀之間的相關(guān)性以傳輸幀間小量的差值代替?zhèn)鬏斷弾瑘D像的全部信息。
    2． 消除空間的冗余和基于人眼視覺特性的量化以壓縮待傳信息。
    3． 利用游程零和變字長編碼技術(shù)減少所傳碼率量。

    基本的MPEG-2視頻壓縮系統(tǒng)是由幀內(nèi)及幀間壓縮共同組成的，如圖四所示。壓縮是從空間冗余的減少開始的，使用幀內(nèi)部壓縮便可以達到此目的。幀內(nèi)部壓縮使用有損和無損的信號處理方法來減少圖象中的數(shù)據(jù)，它不使用任何來自之前或之后的圖象信息。另外，在視頻信號中還有一種冗余便是時間冗余，對一個給定的圖像順序，幀與幀之間的圖像內(nèi)容通常只有微小的變化，這種幀間的相對圖像內(nèi)容位置的變化是幀間壓縮的一個重要組成部分。幀間壓縮一般是在未壓縮的圖象上進行的，是一個無損過程。在圖四中穩(wěn)定幀存儲器有一幅完全解析度、完整數(shù)據(jù)的前一幅圖象，在運動補償區(qū)，最能預(yù)測當(dāng)前幀的矢量被計算出來，已預(yù)測的幀存儲器擁有一個根據(jù)前一幀和運動矢量所建立的預(yù)測的當(dāng)前幀，輸出的是預(yù)測當(dāng)前幀跟實際的當(dāng)前幀相減以后的差。如果沒有運動或其它變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測，差分幀的輸出為0（極易壓縮）；當(dāng)前一幀跟后一幀有點不同時，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。預(yù)測幀是從一個被DCT量化、解碼后的圖象發(fā)展而來的。在MPEG-2系統(tǒng)中包含有三種幀結(jié)構(gòu)，即：
　　· I幀：只包含有幀內(nèi)編碼。
　　· P幀：是從對I幀或其它P幀進行向前預(yù)測而得到的。
　　· B幀：是從對I幀或其它P幀進行雙向預(yù)測而得到的。

　　由于MPEG-2不僅消除了空間上的冗余，而且消除了時間上的冗余，因此使用MPEG-2可以在比較大的壓縮比的情況下保持較好的圖像質(zhì)量，SONY的Betacam-SX采用10:1壓縮，數(shù)據(jù)率為18Mb/S是現(xiàn)有數(shù)字錄象機中最低的，有利于高速傳輸與存儲。另外，MPEG-2還具有如下特色：
    1． 輸出碼率流速率可適應(yīng)同步或異步傳輸，無需固定；
    2． 適應(yīng)于逐行或隔行掃描系統(tǒng)；
    3 ． 可用于4:2:0、4:2:2、4:4:4等亮、色取樣；
    4． 按清晰度可以將圖象分為4個等級，高級解碼器可與低級解碼器實現(xiàn)下兼容；
    5． 按使用的工具和方法不同分為5種類型，即允許分層性編碼，以保證不同的傳輸與接收要求。
    MPEG-2的這種開放性的優(yōu)點，決定了Betacam-SX將來可直接與眾多公司生產(chǎn)的數(shù)字視頻系統(tǒng)連接，進行數(shù)據(jù)交換、傳輸、制作而不需任何數(shù)字的轉(zhuǎn)換設(shè)備，就連一貫采用M-JPEG數(shù)字壓縮算法的非線形編輯領(lǐng)域也在積極向MPEG-2靠攏。Matrox、品尼高等一些非線形軟、硬件主流產(chǎn)品廠商也已經(jīng)宣布將于99年第一季度推出采用MPEG-2壓縮算法的視頻板卡及軟件，無疑這其中受益的是Betacam-SX，而且Betacam-SX本身還推出了一種盤帶結(jié)合型錄象機，為進行非線形編輯提供了更加優(yōu)越的條件。另外， MPEG-2將是廣播電視向全數(shù)字化過渡的最佳選擇也逐步被大多數(shù)視頻專業(yè)人士認可，所以美國以及西方各國普遍以MPEG-2標準作為數(shù)字HDTV圖像壓縮編碼系統(tǒng)的核心，這無疑又為Betacam-SX的未來發(fā)展提供了一個優(yōu)越性。

四．Betacam-SX的零幀編輯
    最初的MPEG-2標準是為視頻分配而設(shè)計的，為家庭提供一個可接受的圖象質(zhì)量，但是由于有限的數(shù)據(jù)率（最大為15Mb/S）和采用4:2:0取樣，它的質(zhì)量并不適合專業(yè)制作和后期制作，4:2:0的取樣結(jié)構(gòu)也不能達到演播室對多代復(fù)制所要求的圖象質(zhì)量，采用小型GOP（Group Of Picture）結(jié)構(gòu)和15Mb/S的數(shù)據(jù)率不能產(chǎn)生所需的圖象質(zhì)量，大型的GOP結(jié)構(gòu)又令演播室的信號切換很困難也不能實現(xiàn)零幀編輯，因此很多的錄象機采用幀內(nèi)DCT處理，造成在整個節(jié)目到播出的鏈條中，節(jié)目制作是唯一不使用MPEG-2的部分。SONY公司在與大批廠商的共同努力下，順應(yīng)了發(fā)展的趨勢率先推出采用MPEG-2 MP@ML的改進型MPEG-2 4:2:2 P@ML壓縮算法的Betacam-SX，以兩幀（I幀和B幀）作為一個GOP，既保證了廣播級的圖像質(zhì)量，又實現(xiàn)了高穩(wěn)定性以及高速的數(shù)據(jù)傳輸，但是最初我們還是有一點疑問，就是Betacam-SX如何實現(xiàn)零幀編輯，這恐怕也是很多家電視臺在選擇數(shù)字錄象機時的疑慮之處。在解釋Betacam-SX如何實現(xiàn)零幀編輯之前，首先讓我們先看一看其它采用幀內(nèi)壓縮的數(shù)字錄象機是如何進行零幀編輯的。
    在進行復(fù)制或編輯時，目前數(shù)字錄象機通常都使用串行數(shù)字（SDI）或模擬接口相連接的。因為即使裝配了傳輸壓縮數(shù)字信號的接口（如：SDTI、QSDI等），那么它只能應(yīng)用在復(fù)制操作中，而一旦需要疊加字幕或在系統(tǒng)使用時，也必須使用SDI或模擬接口。
　　Betacam-SX有兩種類型的錄象機，一種是盤帶結(jié)合型的錄象機，它主要利用硬盤進行編輯，然后在復(fù)制到磁帶上；另一種是磁帶錄象機，即在磁帶上完成編輯，下面分別描述一下它們是如何進行零幀編輯的。
　　Betacam-SX盤帶結(jié)合型錄象機實現(xiàn)零幀編輯的關(guān)鍵是裝備了兩個相同的MPEG解碼器，原理如下：（如圖六所示）
    1． 磁帶中的素材上載到硬盤上。
    2． 編輯時，將記錄在硬盤上的素材（壓縮信號）轉(zhuǎn)換為基帶信號（不壓縮信號），生成編輯決定表（EDL）。
    3． 最后復(fù)制到磁帶上。EDL會控制兩個MPEG解碼器讀取硬盤上的素材，然后在經(jīng)過MPEG編碼器記錄在磁帶上。

    Betacam-SX磁帶錄象機實現(xiàn)零幀編輯的關(guān)鍵是裝備有超前重放系統(tǒng)（Advance PB System）。超前重放系統(tǒng)主要是在錄象機記錄磁頭之前安裝了超前重放磁頭（Advance PB Head），它可以先將磁帶上的Betacam-SX信號重放，經(jīng)過解壓縮處理轉(zhuǎn)換為基帶信號，再進行編輯，然后將完成的節(jié)目進行壓縮，最后記錄在磁帶上。但它的位置必須是十分精確,它超前的時間應(yīng)該等于重放的時間與記錄的時間之和。下面我們舉例加以說明。（如圖七所示）
　　以裝在一個盒子中的兩個圓形來表示處于一個GOP中的兩幀壓縮圖象，以一個三角形表示外部的信號（如：SDI），我們將看到Betacam-SX是如何利用超前重放系統(tǒng)實現(xiàn)零幀編輯的。
    1． 重放 超前重放磁頭先讀取記錄在磁帶上的Betacam-SX信號，即拿出一個裝有兩個圓形的盒子。
    2． 解碼 經(jīng)過解壓縮等的處理后，Betacam-SX信號被轉(zhuǎn)換為基帶信號，即將盒子打開，圓形可以顯示出來。
    3． 編輯 與外部的信號進行編輯制作（零幀精度），好比用一個三角形來替換一個圓形。
    4． 記錄 將完成的節(jié)目進行壓縮，然后記錄在磁帶上，好比最后再用盒子將一個三角形和一個圓形包裝起來放回去。

　　由此可見，Betacam-SX完全能夠?qū)崿F(xiàn)零幀精度的編輯，但是在此還存在一個問題就是會影響編輯圖象的質(zhì)量，主要指以下兩點：
　　· 為實現(xiàn)零幀編輯，編輯過程的數(shù)據(jù)必須是解壓縮的，不能直接使用壓縮信號編輯。多次解壓縮與壓縮過程會影響圖象質(zhì)量；
　　· 放機輸出的解壓縮信號在錄機再次壓縮時，如果出現(xiàn)I幀與B幀的交換（幾率為50%）會產(chǎn)生圖象質(zhì)量下降。但一般情況下的編輯圖象質(zhì)量仍可以接受，至于多次編輯圖像質(zhì)量到底會有多大損失，是否仍在允許范圍之內(nèi)還有待于實踐來證明。
    另外，值得說明一點，為了實現(xiàn)零幀編輯Betacam-SX加裝了超前重放磁頭，從而形成了Betacam-SX的雙磁頭結(jié)構(gòu)。當(dāng)其中任何一個磁頭發(fā)生故障時，錄象機會產(chǎn)生報警信號，不能再實現(xiàn)零幀編輯，但在重放過程中仍可以應(yīng)用另一個磁頭正常運行。可見這種雙磁頭結(jié)構(gòu)在錄象機的重放過程里無形中又提高了它運行的可靠性。

五．與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性方面
    最后，我們還有一個要著重考慮的方面，即為了節(jié)省資金利用原有設(shè)備要達到現(xiàn)有設(shè)備與新設(shè)備的兼容性。如果原有設(shè)備主要為Betacam-SP錄象機，由于Betacam-SX錄象機是由Betacam-SP發(fā)展而來的，該機向下兼容，使用磁帶也完全相同，這樣就充分保持了設(shè)備發(fā)展的連貫性。在使用過程中，可以完全忽略攝象機是數(shù)字還是模擬，回到臺里要用哪一套設(shè)備編輯等一系列問題，這樣就更充分    發(fā)揮了原有的Betacam-SP設(shè)備的使用能力，避免了選用新型設(shè)備而產(chǎn)生老型設(shè)備的問題。同時該格式的錄象機的機械部分與Betacam-SP機型完全一致，保持了Betacam-SP的高穩(wěn)定性，維護、保養(yǎng)的方法也基本相同，這樣在后期服務(wù)上省去了大筆人員培訓(xùn)費和零配件費用。如果原有設(shè)備是其它的機型，則需要考慮與其它數(shù)字錄象機的兼容性，在此不再加以分別說明。

    詳述了Betacam-SX的一些特點之后，再簡單介紹一下Betacam-SX的主要記錄參數(shù)。Betacam-SX使用的磁帶是寬度為12.65mm的金屬涂布帶，磁跡的組織與其它錄象機不同，不是按照幀來組織，而是按GOP（相當(dāng)于兩幀，即I幀和B幀）來組織。對于525/60制式，每個GOP加糾錯碼后組成10條磁跡；而對于625/50制式，使用12條斜磁跡。在磁速的安排上，視頻磁跡放在兩側(cè)，中間安排8段音頻數(shù)據(jù)和兩段系統(tǒng)數(shù)據(jù)，另外還有3條縱向磁跡，一條輔助磁跡，一條時碼磁跡和一條控制磁跡。Betacam-SX的主要參數(shù)總結(jié)如下：

視頻處理： 525/60 625/50
4:2:2處理 4:2:2處理
8比特/樣值 8比特/樣值
507行/幀 608行/幀
視頻輔助數(shù)據(jù)：一行/場
磁跡數(shù)： 10條/GOP 12條/GOP
帶速： 59.515mm/s 59.575mm/s
磁跡間距： 32um
磁鼓直徑： 81.4mm
磁鼓轉(zhuǎn)速： 75Hz
記錄碼率： 約40Mbps
視頻壓縮： 10:1壓縮，輸出碼率約18Mbps
視頻質(zhì)量： Y：25HZ-5.5MHZ，金屬帶
R-Y，B-Y：25HZ-2.0MHZ，金屬帶
S/N>48dB
音頻： 4聲道線性PCM
16比特/樣值
48KHZ抽樣
硬盤容量： 90分鐘 DNW-A100P
硬盤編輯： 最小編輯段0.5秒
EDL表編輯及輸出
磁帶到硬盤： 4倍速裝載
視頻輸入輸出接口：SDI，SDDI，模擬分量，模擬復(fù)合
音頻輸入輸出接口：AES/EBU數(shù)字，模擬

    以上所述Betacam-SX數(shù)字分量錄象機格式的技術(shù)特點，主要是從記錄格式本身得到的，至于錄象機的圖像和聲音質(zhì)量以及功能，還與機內(nèi)的電路、機械系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，這里就不再闡述。