浅论AVC及其高清数字电视制作流程
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近些年来，全球微电子、通讯等高科技领域的迅猛发展，为我们电视技术的发展提供了强有力的推动力。许多先进的电视制作、传播的概念和设想。正逐渐变为现实并且变得越来越成熟，大量先进、稳定的高清制作、传输设备等产品已投入市场，高清电视正逐步在普及。avc/H.264是一种继MPEG-2之后的新型先进的视频压缩方式。目前，AVC方式在高清数字电视制作中开发并且成熟了两大类别的应用，分别对应了两种AVC/H.264的压缩格式和两种半导体存储卡，形成了P2HD AVC-Intra和AVCCAM两个系列的IT化高清电视制作流程和相应的设备产品线。这两种AVC流程在高清电视制作中覆盖着不同的应用面。影视艺术技术学院也走在高清发展的前沿，备齐了高清节目制作所需的所有设备，使得我们有条件能通过自己制作高清节目和指导学生做实验的方式，及时掌握AVC的特点以及P2HD AVC-Intra和AVCCAM高清领域前沿的技术解决方案和制作流程。
AVC及其特点
众所周知，数字高清电视的信息量特别大。对于1920×1080像素的全高清画面，即使是采用国际无线电咨询委员会规定的演播室数字信号编码最低要求的74.25MHz取样频率和8-bit量化标准，以及普通的4：2：2的取样比率，码流也达到近900Mbif/s。若为了进一步提高画质，采用更高的编码标准，则其信号的码流可高达2-3千Mbit/s。如此大的数据量给信号的传输和存储造成了极大的困难和极高的成本。为此，目前各家公司在制定实用的电视制作流程时，都在不太影响观看效果的前提下，对数字信号进行了适当的压缩，再进行传输、存储和制作。由于压缩算法、压缩比率、画面质量、费用成本的不同，以及商业上的竞争，形成了林林总总的数字高清电视格式。
近年来一种被称为AVC（Advanced Video Compression）的“先进的视频压缩”的压缩方式正在数字高清电视领域中快速地应用和发展。AVC方式具有两个标志性的特点——基于H.264的压缩，和基于IT类介质的存储。H.264是一种继MPEG-2之后的新型视频压缩方式，是MPEG-4编码的一种，是由ITU（国际电传视讯联盟）、ISO（国际标准化组织）和IEC（国际电工委员会）联合规范的一种视频编解码方案。其中“H”代表“关于多媒体AV”系列，而“264”是“视频压缩方式”的序列号。
首先，H.264以8×8或4×4像素为基本块，进行DCT（Discrete Cosine Transform）离散余弦变换，它比以16×16像素为基本块的MPEG-2压缩精度更高，画面还原得更清晰。其次，在压缩前H.264要进行图像帧内多方向的像素预测，把预测的结果和输入的图像进行差值运算，得到差值数据，而且仅对差值数据进行压缩，对比MPEG-2不对图像进行预测而直接对输入图像进行的压缩，H.264进一步提高了压缩效率。再次，H.264对压缩后的差值数据采取了最佳的自适应性的可变字长编码，在压缩效率方面又有较大的提高。最后，因为H.264压缩编码后的数据采用高稳定性、高可靠性的IT类存储介质来进行记录，因而可以舍弃磁带记录时所必须的、而对于IT类介质来说是根本不必要的一些纠错码，从而可以在保证画质的情况下，进一步降低数据码流，提高压缩效率。
AVC/H.264具有较高的压缩效率。一般来说AVC/H.264的压缩效率约是MPEG-2的2倍左右，也就是说，在相同的数据码流下，用AVC/H.264压缩的画质要优于MPEG-2的画质，画面清晰、细节丰富。或者说只要用接近MPEG-2-半的数据码流就可以传输或记录与MPEG_2相同的画面质量，而且在运动、色块间、边缘间和颜色复杂的时候，画面效果还要明显好于MPEG-2。AVC的存储介质选用IT类介质，一个重要原因是如今的IT应用正在向AV的各个方面渗透，尤其是视频、音频的后期制作都要求在计算机中进行，这就要求数字视音频存储介质具有良好的IT兼容性，也就是说可以与IT设备间方便、快捷、安全地进行信息交换，尤其要求存储介质具有非线性的读写功能。
目前，AVC方式在数字高清电视制作中开发并成熟了两大应用类别，即两种AVC/H.264的压缩格式和两种半导体存储卡，同时形成了P2HD AVC-lnfra和AVCCAM两个系列的IT化高清电视制作流程和相应的设备产品线。
P2H D AVC-Intra制作流程
P2HD AVC-Intra制作流程采用H.264方式对高清数字画面进行帧内压缩，就是仅仅对每一帧画面内的各个像素块之间进行空间上的预测、比较和压缩，而与其他前、后帧不发生任何关联，称为AVC-Intra帧内压缩格式。AVC-Intra对高清电视画面进行压缩后的数据码流有100 Mbif/s和50 Mbif/s两种模式，称为AVC-Intra 100和AVC-Intra 50格式。
可见AVC-Intra 50格式的指标已经达到或超过DVCPRO HD及HDCAM等格式的标准，但是码流却只有它们的一半甚至不到。而AVC-Infra 100格式的指标已经达到顶级的HDCAM-SR及HD-D5格式的标准，码流也只有它们的一半不到。可见，AVC-Intra格式具有超高的压缩效率，经其处理的画面质量适合高要求的全高清、超复杂的电视制作需求，如电视剧、广告、电影等的制作。P2HD AVC-Intra制作流程采用的记录介质是P2（Professional）Plug-in专业插卡式）卡，经AVC-Intra格式帧内压缩后的视音频素材以MXF文件形式记录在P2卡上。P2卡是由四片高速SD卡及相应的接口电路组成，使得P2卡的容量和传输速度均为单片SD卡的4倍。P2卡的形状及接口与手提电脑的PC卡完全一样，具有标准的PCMCIA接口，可以直接插入笔记本电脑的PC卡槽中进行信息传递。当然也有P2卡专用的外置读卡器产品，以USB3.0、PCI Express等接口和其他IT设备连接。目前最大容量的P2卡为64GB（由4片16GB的高速SD卡组成），可以记录AVC-lnfra 100格式的素材64分钟，或记录AVC-Intra 50格式的素材128分钟。最大容量P2卡的容量近年来一直以每年提升一倍的速度在增加，而最大容量P2卡的价格却从万元左右逐年在下降，也就是说每GB的价格每年要降低一半多。
编辑时数据只是以帧为单位进行简单的排列和替换，不需要与其前后帧的数据间进行复杂的解码与再编码，因此不但编辑点精度高，而且误码的影响极小，偶尔发生的误码也最多只影响该帧本身，不会影响到其他帧。AVC-Intra格式的素材即便是经过复杂（字幕、特技）处理的编辑，各目标帧在被处理后仍然是独立的，不会产生因为数据的相互关联而出现画质劣化的现象，保持了稳定且优质的高清画面。另外，独立帧结构还适合于在电脑中进行多线程处理，提高了后期制作的效率，相对也就降低了对编辑用计算机软硬件平台的要求。目前，苹果、AVID、大洋、CANoPUS、ADoBE等主流公司都配合AVC-Intra格式开发出多款非编软、硬件系统。
AVCCAM制作流程
AVCCAM制作流程采用H.264方式对高清数字画面进行帧间压缩，就是将许多相邻帧的画面组合成一个称之为Long GOP（长幅图像组）的长幅组合，它们不但在各自的同帧上的各个像素块之间进行空间上的预测、比较和压缩，还在前后不同帧的对应像素块之间进行时间上的预测、比较和压缩，形成了称之为AVC-HD的帧间压缩格式。AVCHD的长GOP帧间压缩与AVC-Intra独立帧帧内压缩的比较。
AVC-HD帧间压缩格式的压缩比率比帧内压缩还要大，压缩后的数据码流更小。对于全高清的1920×1080像素的画面，由于量化深度、像素块大小、Long GOP长组合中的帧数以及编码长度不同等原因，压缩后的码流常有21、17、13、9、6Mbps等不同模式。码流越高，画面质量越好，其中13Mbps码流的画质已经优于19-25Mbps的HDV画质，21Mbps码流的模式完全可以应用在相当于MPEG2的35-50Mbps水平的专业制作，而较低的码流则可用于更经济的业务级别的拍摄。AVCCAM制作流程直接采用小巧轻薄价廉的SD卡或高速的SDHC（High Capacity）存储卡作为记录介质，目前已有32GB超大容量的SDHC卡，一片卡就能够记录数小时的AVCHD高清素材，不同码流下AVCHD素材在SDHC/SD卡上的记录时间。
AVCCAM制作流程前期拍摄的摄像机以AVC-HD的帧间压缩格式将数字高清信号压缩后记录在小巧价廉普及的SDHC或SD卡上，典型机型有松下AG-HMCl53MC和松下AG-ACl60MC等。
拍摄后的SDHC卡或SD卡可以直接由摄像机，或由带SD卡槽的播放器进行实时播放，它们可以输出压缩的AVCHD（高清影片）数据文件，通过USB2.0或IEEE1394电缆输入到NLE非编电脑；也可以输出解码后的非压缩视音频数据流，通过HDMI电缆输入到非编电脑；还可以将存储卡插入SDHC或SD卡的USB读卡器，再将读卡器插入非编电脑的USB2.0接口，作为一个移动设备将卡上的AVCHD压缩数据文件高速拷贝到非编电脑的硬盘上。AVCHD格式的帧间压缩具有非常大的压缩比率，但这是以高度复杂的码流结构为代价的。复杂的码流结构给AVCCAM流程的后期制作增加了不小的难度，也影响了编辑的精度、效率和编辑后的画质。长GOP帧间压缩与独立帧帧内压缩两种结构的素材在编辑方面的比较。
面对如此复杂的编码结构，AVCCAM制作流程开发了三种编辑工作方式。
第一种是原码编辑：即对复杂的长GOP结构的AVCHD数据直接进行编辑，这种方式的工作特点是码流小、占用硬盘空间小，但要边解码、边编辑、边再压缩，因此CPU的负担特别重，编辑速度也特别慢。
第二种方式是转码编辑：该方式分为两步进行，先将复杂结构的AVCHD数据输入到电脑中，通过软硬件工具，如canopus AVCHDconverter转换器等，全部转换成简单的独立帧结构，然后再进行类似于AVC-Intra的独立帧编辑，这样编辑时就高效了。
第三种是解码编辑：在SD播放器中就将AVCHD数据解码成非压缩的高清视音频HDMI流输出，通过支持AVCCAM高清HDMI采集的非编硬件，如Intensity Pro卡、Multi-bridge Eclipse、HD Extreme、ME500、HDSTROM等采集到非编电脑中，虽然要占用较大的硬盘空间，但编辑时也就简单高效了。
至于编辑软件，目前已有多家公司应对AVCCAM流程，开发出多款多级别支持AVCCHD原码或转码编辑的NLE软件，部分支持AVCCHD原码或转码编辑的非编软件。
AVC造就全固态化的工作流程
无论是P2HD AVC-Intra流程还是AVCCAM流程，都使HD高清制作过程真正地实现了无磁带、无机械的全固态化的工作流程。除了前期的拍摄，后期的高清采集、编辑外，还包括标清化的高清脱机编辑，以及编辑后的素材备份，高清成片的输出、存储和发行，或下变换为标清成片的输出、存储和发行等一系列的制作流程，都可以全程使用半导体卡作为载体，享受固态化稳定、快捷、高效、轻巧、节能的工作效能。
编辑后的高清素材可以分别以AVC-Intra数据文件或AVCHD数据文件保存在P2卡或SDHC/SD卡中备份。但是考虑到目前半导体卡的容量和价格的制约，我们也可以把它们保存在BD蓝光盘中，或更便宜的DVD-R光盘及HDD硬盘中，作为资料长期存档。
两条制作流程编辑后的高清成片除了可以存储在半导体卡中外，也同样可以存储在BD蓝光盘、DVD-R或HDD硬盘中发行，在终端客户分别由各自的播放器播出。
目前作为高清和标清的过渡阶段，高清成片也可以由非编机下变换生成标清成片输出。下变换时可以选择压缩、信箱、切边三种方式之一，标清成片的体积要比高清小得多，码流也小得多，除了半导体卡外，普通的DVD、HDD就可以存储和发行。若压缩成更小的文件，还可以作为网络播放、手机、Pad等移动播放平台使用。
AVC在数字高清电视制作中的应用
两种AVC流程在高清电视制作中覆盖着不同的应用面。P2HD的AVC-Intra流程以其高图像质量、高可靠性、高速度的优势，主要应用于电影、广告、电视剧以及专题、综艺等高端制作。而AVCCAM流程则以其长记录时间、高效率、低成本的特点，广泛应用于追求高性价比的新闻、纪录片等纪实制作，政务、商务等业务制作，以及教育、婚庆等制作中。
相信AVC/H.264压缩方式和半导体卡的组合将进一步充实丰富，得到迅猛的发展，将扩充出多条更先进更成熟的高清制作流程、设备产品线以及周边产品，其应用也将更为广泛。
AVC/H.264的推出，使视频压缩技术有了一个质的飞跃。该软件的两个标志性特点：基于H.264的压缩和基于IT类介质的存储，结合P2HD AVC-Intra和AVCCAM两个不同的应用界面的基点，使原来一些信息量大的视频得以处理，从而获得了从未有过的高清图像效果，学生制作在视屏节目时能更随心自如地进行编辑、加工、剪辑。