高清视频技术在教学中应用
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【摘要】高清视频技术是电视技术发展的最新阶段,和其他行业一样,教育领域也面临着如何应用高清视频技术的问题。该文对HDV和AVCHD两种高清视频技术标准进行了理论分析和实验论证,指出这两种视频技术标准是教育领域高清技术应用的合适选择,并对两种标准各自的应用对象作了阐释。
【关键词】高清视频;教学;HDV;AVCHD
【中图分类号】G432【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)08―0124―06
一 高清视频与教育领域的牵手
高清视频技术是电视技术发展的最新阶段,是世界数字电视发展的趋势,与传统模拟标清视频相比,高清视频具有诸多优势,接近于黄金分割比例的16:9宽屏幕,高达1920×1080的分辨率,可以实现7.1 路环绕声,无论是从视觉效果或听觉效果而言,都更具逼真感和震撼力。
进入二十一世纪以后,高清视频加快了技术发展和市场应用的步伐,不少电视剧、广告和纪录片都开始采用高清设备进行拍摄和制作,电视台、广告公司和影视制作机构的摄制作设备逐步向高清系统升级。尤其是2008年奥运会全部采用高清信号进行转播以及央视高清频道的开播,极大地推动了高清视频技术在中国的发展。然而,在教育领域中,高清视频应用的步伐却迟迟未能跟上。除了少数专业影视院校配备了个别高清摄制设备外,绝大部分高等院校和中小学都没有条件拍摄和制作高清视频。
阻碍高清视频进入教育领域的主要门槛在于高昂的成本。传统的高清电视技术HDTV主要有两大标准,一是国际电信联盟提出的ITU-R BT.709,视频分辩率为1920×1080,包括逐行扫描的1080P和隔行扫描的1080i;另一种标准是美国电影电视工程师协会认可的SMPTE 296M,分辨率为1280×720,逐行扫描,称为720P。无论哪一种标准,HDTV设备的价格都非常昂贵,一套完整的摄、录、编系统价格在百万元以上。这样的价格即使对于专业的广播电视机构而言,也是一笔高昂的开支,更不用说教育和其他一些事业性单位。
近年来HDV和AVCHD两种高清技术标准横空出世,这两种技术标准接近HDTV的技术规范,而摄制设备价格和传统的标清系统相差无几,这使得阻碍高清视频普及的最大障碍不复存在,高清视频在教育领域的普及应用第一次成为可能,高清视频与教育行业的牵手初现曙光。
二 选HDV还是选AVCHD?这是个问题
无论是HDV抑或是AVCHD,如果只出现一种新的低成本高清视频标准,也许事情会简单的多,但是,面对两种新的技术标准,选择成为必须。众所周知,在视频技术领域,设备的选择从来不是一件容易的事情,原因如下:
1 视频拍摄和制作设备价格昂贵,且必须成套购买,尽管HDV和AVCHD标准的高清设备和原有的标清设备价格相差不多,但一台摄像机的价格也要在2-3万元之间;加上制作视频节目必须具备的录像机和编辑电脑,全套设备也要在5-6万之间。如果同时购置多套制作系统,更是一笔重大的开支,因此必须审慎地选择合适的设备,确保经费投入的合理性。
2 视频节目制作是一个系统工程,视频内容的最终质量取决于多个环节,一般而言,某种技术标准的摄像机拍摄素材的画质高低比较容易受到人们关注,但支持这种标准视频格式的编辑软件数量多少?兼容性是否良好?编辑过程的效率如何?这些都是在选择设备时必须进行综合评估的因素。
由于以上这些因素,当学校在考虑升级配备高清视频制作设备时,往往面对设备采购的高昂经费支出,以及所获得效果不确定性的双重顾虑。
HDV和AVCHD,这两种技术标准有什么特点?在实际应用中表现如何?究竟哪一种标准的设备制作出的视频画质更好?对于学校而言,综合考虑成本和效果因素,应选择配备哪种技术标准的高清视频制作设备?面对这些问题,需要对HDV和AVCHD进行一次全面的分析和比较。
三 HDV和AVCHD的全面测试与比较
1 HDV和AVCHD的理论参数比较
HDV和AVCHD的基本情况对比如下[1] [2]:
两者的区别主要有以下几点:
a HDV主要支持两种分辨率,1280×720和1440×1080,AVCHD除了支持这两种分辨率以外,最高能支持1920×1080的全高清分辨率。
b HDV支持双声道音频,AVCHD能支持更多的5.1和7.1声道。
c HDV的数据码率最高为25M Mbps(720P分辨率只有19M),AVCHD的最高码率只有18Mbps。
d HDV支持的存储介质仍然是传统的磁带,AVCHD则支持光盘、硬盘和闪存多种存储介质。
e HDV的编码方式是MPEG-2,AVCHD的编码方式是H.264。
2 HDV和AVCHD的实际操作应用测试
性能参数是了解HDV和AVCHD两种高清标准的一个基础,但是更重要的是考察两者在实际操作环境中的真实表现,为此,笔者进行了专门的实验。
视频的拍摄和制作过程主要涉及三个环节――拍摄、采集、编辑,实验参照视频摄制的实际过程,对摄、录、编三个环节进行相应的测试分析,以求得出全面可信的结论。
(1) 拍摄实验
拍摄实验采用两台摄像机同机位同步拍摄的方式,得到两组近乎相同的素材,然后对两组素材的各个方面内容进行比对。实验选用了HDV格式的摄像机索尼 HVR-Z1C和AVCHD格式的松下AG-HMC153MC摄像机各一台,这两台摄像机是两种格式的代表机型,档次相当,具有一定的可比性。
a 摄像机的设置:
为了获得最高图像质量,两台摄像机都选择能记录的最高格式质量,索尼 HVR-Z1C在1080i格式下,画面分辨率为1440×1080,码率为25M,松下 AG-HMC153MC在PH1080i格式下,画面分辨率为1920×1080,码率为21M(该摄像机定位专业级别,它的码率高于AVCHD的标准),同时,为了避免不同品牌场景模式设置的差异,两台摄像机都采取自动白平衡、自动光圈和自动对焦的设置。
b 镜头的设计
在校园中分别拍摄室内室外镜头各一组,使用推、拉、摇、移的基本拍摄技巧进行拍摄,拍摄的角度包括常用的近、中、远景及特写镜头,对象涵盖静物、运动物体、快速运动物体、人像,以及正、侧逆光的状况。共拍摄镜头30余个,挑选其中的14个典型镜头作为画面比较的对象,镜头情况见表2。
c 拍摄实验结果
两者的画质总体相当,尤其是在室外光线充足情况下的静态画面中,除了由于自动白平衡造成的色调不同,两种格式的画质没有明显区别。AVCHD的分辨率比HDV高,尤其在大屏幕播放时,高分辨率的优势更容易体现,画面清晰度略胜一筹。
室内光照不足情况下拍摄细微物体时,譬如文字内容,AVCHD的细节清晰度稍稍不及HDV。
动态画面中,AVCHD有时存在一定的丢帧现象,表现为有拖影现象,HDV相对要好一些。
(2)采集实验
HDV摄像机的存储介质为磁带,采用1394卡采集的方式导入素材,共采入HDV格式的视频11分44秒,采集时间约为12分钟,采集效率比约为1:1 ,文件大小2246366KB,平均码率25526Kbs。
AVCHD摄像机的存储介质为SD卡,采用读卡器复制的方式导入素材,共采入AVCHD格式视频约12分钟,总大小约1899593KB。平均码率21586Kbs,复制时间为35秒,采集效率比约为1:20。
虽然SD卡的复制时间受到SD卡读取速度、读卡器效率、USB接口速率等多种因素的影响,但毫无疑问,在数据采集阶段,AVCHD明显效率更高,操作也更为方便。
a 实验硬件环境
CPU:Intel Core 2 Duo E6550;
显卡:ATI 3600
内存:2G
硬盘:希捷 500G
b 实验软件环境
实验在Windows XP SP3操作系统上进行,编辑软件选取Adobe公司的Premiere Pro CS4,Premiere Pro在教育领域中应用非常广泛,Premiere Pro CS4对HDV和AVCHD两种格式都有较好的支持。
实验选取了实际编辑过程中的一些常见操作,包括时间线浏览、改变速度、添加单个和多个滤镜效果、导出文件。
d 实验方式
通过进行上述编辑操作,观察系统的实际运行反应,并用软件记录CPU的占有率,分析系统的负荷情况。
e 实验数据
两种格式的素材在时间线上直接播放时,都非常流畅,没有任何停滞。HDV的CPU占有率在5.5%―53%之间,AVCHD的CPU占有率在12.6%―88.6%之间。
对一段10秒的素材片段更改帧速率,将帧速提高至150%,不加渲染,在时间线上预览,CPU的占有率曲线如下,HDV从5.5%逐渐上升到71%左右,播放仍然非常轻松,AVCHD从12.6%,很快上升到95%左右,CPU处在较高的负荷状态下。
对一段10秒的素材添加滤镜Gaussian blur,然后进行渲染,CPU的占有率曲线如下,HDV从5.6%逐渐上升,5秒钟后接近100%,AVCHD从12.5%逐渐上升,4秒钟,CPU一直是100%满负荷运转。
(4)对一段10秒的素材添加滤镜Turbulent Displace + Edge Feather + Gaussian blur + Color Balance,并进行渲染,CPU的占有率曲线如下,HDV从5.5%逐渐上升,4秒钟后保持100%负荷,AVCHD从11.5%逐渐上升,3秒钟后CPU基本保持100%满负荷运转。
(5)将一段20秒的素材转码输出为wmv文件,HDV的CPU满负荷运转时间大约为20秒,AVCHD的CPU满负荷运转时间大约为40秒。
由上述实验数据可见,对于后期编辑而言,HDV对于系统的要求明显低于AVCHD,在目前主流的计算机环境下,HDV的编辑操作总体比较流畅,在多滤镜渲染,转码输出等CPU负荷较重的操作中,效率比较高。而AVCHD的编辑总体不是很流畅,经常有停顿,机器卡的现象,在多滤镜渲染,转码输出等CPU负荷较重的操作中,系统运行有一定困难。此外,通过对比转码后的文件,HDV转码后的视频质量损失相对较小,而AVCHD转码后的文件和原始素材相比,质量损失较大。
对于HDV和AVCHD两种高清标准的实验结果,有一些很容易理解,比如AVCHD采集效率较高是因为记录方式由磁带存储改为存储卡存储,从而简化了素材的采集方式,提高了采集速度。而有些结果,如AVCHD的分辨率较高,而细节和动态部分不如HDV;HDV的编辑要比AVCHD明显轻松,这些现象背后的原因究竟是什么?为了更加清楚和深入地了解这两种高清视频格式,我们有必要对这两种高清技术进行更深入地分析,从理论层面对实验中的现象作出解释。
四 编码决定一切――对两种高清视频标准的理论分析
高清视频最大特点在于具有高清晰度的画面,从技术角度而言,这意味着更高的分辨率和更多的色彩数,记录、存储和编辑高清视频需要处理的数据量比传统的标清视频高得多。无论是摄像机还是编辑系统,都需要具备高性能的芯片、大容量的存储介质和高带宽的数据交换通道。这正是高清视频设备价格昂贵的原因所在。
HDV和AVCHD这两种称之为低成本的高清技术,主要从视频压缩编码技术入手,在基本保持画面质量的同时,采取高效的压缩编码算法,提高了数据压缩率,从而降低了视频的码率,也降低了高清视频制作的成本。
1 HDV的MPEG-2编码方式
DV是数字标清时代最流行的视频格式,HDV被比喻成高清领域的DV,HDV和DV的码率相同,都是25Mb/s,标清DV的原始数据是125Mb/s,原始数据和最终压缩数据的比率为5/1,HDV原始数据约为500M/s,原始数据和最终压缩数据的比率为20/1。毫无疑问,HDV的数据压缩率更高,在相同的记录数据量中,HDV传输了更多的原始信息,两者的根本差异就在于采取了不同的压缩编码方式。
DV编码采取的是帧内压缩的方式,帧内压缩也称为空间压缩,当压缩一帧图像时,仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息,这实际上与静态图像压缩类似。
而HDV的MPEG-2编码除了帧内压缩以外,还采取了帧间压缩的方式[3]。由于视频的连续前后两帧具有很大的相关性,即连续视频的相邻帧之间具有冗余信息,根据这一特性,压缩相邻帧之间的冗余量就可以提高压缩量,减小压缩比。MPEG-2非常善于利用视频帧之间的相似度,它将视频分割成不同的帧类型,包括I帧、B帧和P帧。
I帧提供一个参考点,作为其他帧产生的基础。P帧是用前一个 I帧(或P帧)来进行运动补偿预测所产生的图像,与I帧相同的信息不传送,只传送主体变化的差值,这样就省略了大部分细节信息。新生成的P帧又可以作为下一帧的参考帧。B帧是利用前、后的I帧或P帧进行运动补偿预测所产生的图像,它只反映I、P画面的运动主体变化情况,因此在重放时既要参考I帧内容,又要参考P帧内容,所以B帧被称为双向预测帧。MPEG-2编码除了帧内压缩方式以外,通过基于运动补偿的帧间压缩技术,大大提高了数据压缩的比率。
2 AVCHD的H.264编码方式[4]
H.264编码方式的基本思路和MPEG-2相同,也是通过帧内编码消除空间冗余,通过帧间编码消除时间冗余,但在具体细节处理上引进了许多新的技术,为了表述简单(尽管不十分精确),我们可以粗略地将H.264视为MPEG-2编码技术的进一步升级版。
(1)H.264的变化之一是在帧内编码中加入了帧内预测编码技术,即解码时可用周围数据的差分值来重构画面。帧内预测以特定大小的块作为基准单元,从周围像素中预测编码化的模板。H.264的基准块大小分4×4和16×16两种,前者有9种预测模式,后者也有4种模式。因为原图像左右、上下都有一定的相关性,不同部分的差分值比不进行帧内预测的原始值要少,所以量化后的编码量就减少了。
(2)运动预测块中采用了全面预测技术。H.264在检出运动矢量时,能选定最合适的大小来进行,因而运动矢量检出的精度较高。MPEG- 2只有一个运动矢量检出模式,而H.264有7个之多。运动矢量探索单元分得细,就能找到更多的静态部分,从而控制了运动细节的编码量。
(3)增加了参考帧的帧数。在H.264中可以参考多达前后5帧的画面,参考帧越多,帧间压缩的数据量也就越大。
通过上述分析可见,HDV和AVCHD两种高清视频标准主要通过压缩编码技术的优化,以较小的码率获得了较高的画面质量,从而在较低成本下实现了高清视频技术的应用,AVCHD比HDV具有更高的分辨率和声道数,但视频码率更低,依赖的也正是更高效的视频编码算法。
通过对两者编码方式的分析,刚才的实验结果得到了合理的解释。HDV和AVCHD引以为豪的高压缩比可谓一把双刃剑,一方面,通过编码算法的优化,这两种高清技术以较低的成本实现了高清视频,拍摄和直接播放的画面效果不错,为高清的普及应用发挥了重要作用;另一方面,这种通过前期压缩信息的方式也埋下了编码算法复杂,系统要求高,信息冗余度低,可编辑性较弱的隐患。AVCHD分辨率高,而细节和动态部分不足,正是由于高压缩比损失了一部分画面信息的缘故,而后期的播放和编辑对系统要求非常高,也是由于编辑过程中数据解码和编码太过于复杂。
视频技术由标清向高清发展是一个不可阻挡的发展趋势,这个趋势正在逐步成为实现。与其他行业一样,教学领域同样面临如何应用高清视频技术的挑战,从教育技术专业课程教学内容的确定、实验平台搭建,实验器材的配备,到信息化教学中视频资料的采集、传输和处理,涉及的一系列问题亟待进行研究和探索。本项研究旨在为此提供一些参考。
1 HDV和AVCHD是高清视频在教学中应用的主要选择
对于教育领域而言,HDV和AVCHD是实现高清视频的两种主要选择。从成本角度而言,传统高清HDTV的设备价格仍然十分昂贵,只有极少数专业影视院校才具备相关条件,无法得以广泛的应用,HDV和AVCHD的专业摄像机价格在2―3万元之间,5―6万元可以配备成套的摄录编系统,成本和原来的专业标清系统相当。从画质而言,HDV最高支持1440×1080,AVCHD最高支持1920×1080,已经接近或达到了全高清的分辨率标准,实际拍摄的画面质量也都达到了理论上的画质效果,完全符合教学领域的应用需求。
2 专业教学的首选――HDV
对于专业教学而言,从课程内容到实验平台,都应当首选围绕HDV标准构建高清视频平台。主要有以下几个原因:
(1)HDV格式建立早,技术标准比较成熟,应用广泛。
(2)HDV格式本身定位于专业级应用,硬件设备如摄像机、录像机和非线性编辑系统齐全,而且以中高端设备居多。
(3)HDV得到了非编软件的广泛支持,几乎所有的主流非线性编辑软件都能为HDV格式提供良好支持。
(4)最重要的一点在于,HDV相对较好的可编辑性符合专业应用的要求。尽管素材分辨率没有AVCHD高,但编辑软件的良好支持,较为流畅的编辑感受,编辑后质量损失较少,这些都是专业应用重要的特点。
3 入门应用的伙伴――AVCHD
与HDV最初定位于专业应用不同,AVCHD从诞生之初,就把高清视频家用化作为发展的一个目标。AVCHD最大的特点在于非常先进和复杂的编码技术,这使它实现了低码率,高画质的神话,但是也因此造成了后期编辑的复杂和困难――需要配置极高的电脑才能进行编辑操作,支持AVCHD编辑的非线性软件较少,编辑后质量损失较大等等。所以,对于侧重后期编辑的专业应用而言,AVCHD无法成为一个理想的选择。但是,对于普通教师拍摄一些教学素材直接播放,或者进行一些基本的剪辑,AVCHD却是一个非常好的伙伴,它的操作更简单,更方便,还有不少其他的优点:
(1)AVCHD摄像机比HDV更便宜,也无需录像机,实现高清视频的成本非常低。
(2)AVCHD拍摄的画面比HDV的像素更高,尤其是拍摄后直接在大屏幕上播放的效果比HDV更清晰。
(3)AVCHD拍摄的素材可以直接拷贝进电脑,素材的传输、存储和交换非常方便。
对于HDV和AVCHD两种高清视频技术而言,我们并不能简单地说哪一种格式更好,本次研究可以说明,这两种高清视频格式都可以在教育领域中得到有效应用,如何针对不同的用户对象和应用环境进行合理的选择才是最为重要的。
参考文献
[1] HDV论坛[EB/OL].
[2] AVCHD资讯网站[EB/OL].
[3] 姜红霞,李豪杰.数字电视视频编码技术的研究[J].中国有线电视,2007,(16):38-39.
[4] H.264详解[EB/OL].