非線性、多媒體視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初步

1、非線性、多媒體視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初步    提要 本文著眼解決當(dāng)前電教工作中電視教材和多媒體制作中視頻素材的共享以及非線性處理，重點(diǎn)探討了利用當(dāng)前先進(jìn)的fibre channel網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及mpeg-2、mpeg-4壓縮技術(shù)組成的視頻網(wǎng)絡(luò)，以及該組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)。     關(guān)鍵詞 非線性視頻網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字壓縮技術(shù)、fibre channel技術(shù)     隨著多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字壓縮技術(shù)迅猛發(fā)展，以及fibre channel(fc)技術(shù)走向成熟，近一年多來非線性視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)迅速倔起，已成為電視技術(shù)數(shù)字化進(jìn)

2、程中新的亮點(diǎn)，顯示出強(qiáng)大的生命力。它的出現(xiàn)改變了電視以及多媒體制作與傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)理念和格局，迫使我們不得不更加深入地認(rèn)識(shí)和了解它，以便于重新思考和審視數(shù)字化過渡方案。     1、非線性視頻網(wǎng)絡(luò)的基本組成及關(guān)鍵技術(shù)     首先是網(wǎng)絡(luò)的速度問題。由于廣播級(jí)高品質(zhì)畫面與聲音帶來的大數(shù)據(jù)量和高速同步傳輸要求是通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)無法滿足的, 必須建立以 fibre channel等關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)的高速網(wǎng)絡(luò)。fibre channel是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ansi)為網(wǎng)絡(luò)各通道io接口建立的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集成，支持 hippi、 ipi、 scsi、 ip

3、、 atm等多種協(xié)議，具有高性價(jià)比、高可靠性、千兆位級(jí)的帶寬、網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)多樣化、兼容多種協(xié)議、組網(wǎng)方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。它的最大特性是將網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的通訊協(xié)議與傳輸物理介質(zhì)隔離開，這樣多種協(xié)議可在同一個(gè)物理連接上同時(shí)傳送，高性能存儲(chǔ)體和寬帶網(wǎng)絡(luò)使用單一 io接口使得系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度大大降低。fibre channel使用全雙工串行通訊原理傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率高達(dá)10625mbs。它的最大數(shù)據(jù)傳輸速度為100mbs，雙環(huán)可達(dá)200mbs。fibre channel不僅僅是高速網(wǎng)絡(luò)，而且是高速網(wǎng)絡(luò)和高速存儲(chǔ)體接口的結(jié)合， fibre channel arbitrated loop( fcal)的拓樸結(jié)

4、構(gòu)使得它更象存儲(chǔ)子系統(tǒng)，它采用光纖作為傳輸介質(zhì)，通過網(wǎng)絡(luò)共享的陣列硬盤系統(tǒng)提供超大容量數(shù)據(jù)共享，傳輸速率高達(dá)16gbs。它可以提供sgi工作站、pc機(jī)和 apple機(jī)之間的完全的數(shù)據(jù)共享，使得在通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)編輯不壓縮視頻成為可能，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻實(shí)時(shí)無壓縮輸入輸出，徹底解決了網(wǎng)絡(luò)速度的瓶頸和數(shù)據(jù)共享的問題，而且陣列硬盤提供冗余能力并可以集中管理，相對(duì)于單機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備，提高了數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。fibre channe1支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)， arbitratedloop，交換等多種拓樸結(jié)構(gòu)，單環(huán)最大站點(diǎn)數(shù)為126個(gè)，站點(diǎn)間距離可達(dá)10km；fcal交換邏輯分配給網(wǎng)上的獨(dú)立端口幾乎和一個(gè)正常設(shè)備端口一

5、樣，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)上操作，顯然在數(shù)據(jù)傳輸速度、節(jié)點(diǎn)數(shù)、傳輸距離等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。     視頻制播網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字壓縮技術(shù)。按照ccir601 4：2：2標(biāo)準(zhǔn)，視頻圖像信號(hào)為(135m十675m十675m)×8b216mb s，而我國(guó) pal制標(biāo)準(zhǔn)的電視圖像信號(hào)為720×576×24×25248mbs。對(duì)于如此龐大的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量來說，要實(shí)現(xiàn)無壓縮數(shù)字視頻信號(hào)的非線性制作，必須使用昂貴的計(jì)算機(jī)工作站。顯然，以非線性編輯系統(tǒng)站點(diǎn)構(gòu)造的數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)不僅造價(jià)高，而且網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)體速度等技術(shù)難點(diǎn)也難以解決。目前非線性編輯網(wǎng)

6、絡(luò)的視頻格式90都是采用 mjpeg算法。這種壓縮算法對(duì)活動(dòng)的視頻圖像通過實(shí)行實(shí)時(shí)幀內(nèi)編碼過程單獨(dú)地壓縮每一幀，可精確到幀的后期編輯。由于算法不太復(fù)雜，可以用很小的壓縮比(2：1)進(jìn)行全幀采集，從而實(shí)現(xiàn)廣播級(jí)指標(biāo)所要求的無損壓縮。然而， mjpeg仍存在一些缺點(diǎn)，尤其是 mjpeg壓縮方案不靈活，由于缺少幀間壓縮，其數(shù)碼率仍然很高。若按廣播級(jí)指標(biāo)所要求的2：1壓縮，其數(shù)碼率仍有108 mbs，其帶寬仍然很難滿足；其次是由于存在著眾多的專用格式，mjpeg不容易分配，為了分配視頻信號(hào)，必須將 mjpeg再壓縮成為 mp (ipb)，這使得 mjpeg成為一種難用的壓縮格式。另外，在未來的全數(shù)字電

7、視系統(tǒng)中，沒有一種壓縮的數(shù)字?jǐn)z錄系統(tǒng)采用 mjpeg的壓縮算法，無法與采用mjpeg壓縮算法的非線性編輯系統(tǒng)進(jìn)行直接的兼容。另外依賴于硬件的 m-jpeg壓縮算法無法應(yīng)用在多媒體課件制作上，因此我們必須尋求其它更靈活的圖像壓縮技術(shù)。     隨著數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展， mpeg2壓縮技術(shù)不斷完善和成熟，近來更是出現(xiàn)了技術(shù)更為先進(jìn)的mpeg4壓縮技術(shù)。這兩種壓縮技術(shù)為非編網(wǎng)絡(luò)提供了另一種很好的格式選擇。實(shí)際上，mpeg2 、mpeg4與 mjpeg具有相同的壓縮概念，都用 dct處理壓縮，以減少分類及打包圖像上的資料，使其整體文件縮小，不同之處在于mpeg2、mp

8、eg4還可同時(shí)計(jì)算出幀與幀之間的變化及只存儲(chǔ)幀間變化的資料。由于信號(hào)源中存在一定的冗余，一幀圖像的數(shù)宇化離散信號(hào)的大部分瞬間信息可以利用它前后的信息進(jìn)行預(yù)測(cè)而獲得，其次是人眼對(duì)圖像的反應(yīng)存在著冗余，并不能反應(yīng)所有傳來的信息，對(duì)于空間頻率高的信息，人眼對(duì)它并不敏感。 pal制電視圖像的幀間間隔是40ms，并非所有幀與幀之間的信息都有變化， mpeg2、mpeg4信號(hào)壓縮的基本原理就是只傳送幀與幀之間有變化的那部分信息。在一個(gè)被壓縮的圖像信號(hào)中，包含三種幀信號(hào)，一是用 i表示的原幀信號(hào)，二是用 p表示的前向預(yù)測(cè)幀信號(hào)，三是用 b表示的雙向預(yù)測(cè)幀信號(hào)。由 i、p和 b組成一個(gè)獨(dú)立的編輯單元，即圖像組

9、(gop)，具有 gop結(jié)構(gòu)的 mpeg壓縮技術(shù)比 mjpeg的文件小，壓縮比更大，可減小存儲(chǔ)硬盤的需求，也可更有效地在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)傳送素材，實(shí)時(shí)播出；同時(shí)，在節(jié)目制作中，由于引入動(dòng)態(tài) i幀技術(shù)，也可實(shí)現(xiàn)精確到單幀的非線性編輯。此外， mpeg2和mpeg4具有足夠的靈活性、擴(kuò)展性和開放性，未來將取代mjpeg。此外，用mpeg4壓縮的視頻能夠以avi的文件形式存儲(chǔ)，因此能夠支持當(dāng)前流行的director、 authorware、方正奧思等多媒體制作軟件，極大地方便了多媒體制作的應(yīng)用。     2、非線性視頻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)    

10、 隨著電視技術(shù)數(shù)字化進(jìn)程和多媒體技術(shù)的不斷推進(jìn)，越來越多的視頻節(jié)目以數(shù)字形式進(jìn)行編輯和存儲(chǔ)，非線性系統(tǒng)也越來越多地應(yīng)用在節(jié)目的后期制作中，然而，非線性發(fā)展的最終方向是數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)，這才是其真正優(yōu)勢(shì)之所在。     21資源共享     素材通過上載工作站記錄在視頻資料服務(wù)器的硬盤上，以mpeg2及mpeg-4技術(shù)進(jìn)行壓縮，分不同類別以文件名進(jìn)行存儲(chǔ)管理。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)工作站都可利用各種索引對(duì)素材進(jìn)行快速的隨機(jī)查詢?？赏瑫r(shí)滿足電視教材制作和多媒體教材制作的需要。對(duì)于一段常用的制作復(fù)雜的素材可供多個(gè)用戶同時(shí)使用，避免了重復(fù)錄人，加快了節(jié)目制

11、作速度，提高了工作效率，同時(shí)也避免了再次制作或翻版導(dǎo)致的信號(hào)指標(biāo)下降。如果利用傳統(tǒng)的錄像機(jī)和磁帶不可能實(shí)現(xiàn)素材的共享查找和調(diào)用，在任一時(shí)刻，每一盤磁帶上的素材只能供一個(gè)編輯使用，其他編輯只能等待。非線性的編輯是一種文件名的編輯而不是素材的翻版，只要不進(jìn)行生成操作是沒有質(zhì)量損傷的。傳統(tǒng)的錄像機(jī)中視頻信號(hào)是己錄在錄像帶上，只能提供對(duì)信息的線性存取，因此在編輯時(shí)經(jīng)常為尋找素材而前后卷帶進(jìn)行搜索，而且一旦不滿意，就需要對(duì)素材重新打點(diǎn)，重新記錄下遍。這種記錄和存取方法需較長(zhǎng)的編輯時(shí)間，另外每次的編輯相對(duì)于放像機(jī)的素材信號(hào)而言，記錄在錄像機(jī)上的信號(hào)都過一版，帶來信號(hào)質(zhì)量的損傷。   &

12、#160; 22節(jié)省投入     首先，對(duì)于非線性單機(jī)編輯來說，需給每一臺(tái)非編配置一臺(tái)錄像機(jī)及大容量的硬盤，其利用率很低，錄像機(jī)80的時(shí)間處在閑置狀態(tài)。同樣，對(duì)于相同的素材，每臺(tái)非編都要占用硬盤空間，而在網(wǎng)絡(luò)中，由于實(shí)現(xiàn)資源共享，只需一套非線性編輯系統(tǒng)及一個(gè)大容量的、共享的 fiber channel中心存儲(chǔ)體和網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器；在工作站端，只需要用普通的pc機(jī)，而并不要配置昂貴的非線性視頻卡。由于采用不依賴于硬件回放的mpeg-2以及mpeg-4壓縮技術(shù)，在每臺(tái)工作站只要安裝相應(yīng)的視頻編輯軟件或多媒體制作軟件即可實(shí)現(xiàn)電教節(jié)目及多媒體課件的制作。     23具有良好的擴(kuò)展性和兼容性     以計(jì)算機(jī)多媒體和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電視節(jié)目編輯制作系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是：系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴(kuò)展性。若要改變各工作站的功能、系統(tǒng)的工作流程，乃至整個(gè)系統(tǒng)的用途時(shí)，都不會(huì)花費(fèi)很多追加投資和造成原始投資的浪費(fèi)。由于系統(tǒng)采用先進(jìn)的mpeg-2和mpeg-4壓縮技術(shù)，視頻文件可以在現(xiàn)在流行的windows98/95、windows nt等操作系統(tǒng)中方便地使用，并可以很方便的把節(jié)目制作成dvd，具有廣闊的應(yīng)用空間。在取得版權(quán)許可的情況