从HDV看视频信息的效率
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作者： 何克成 来源： 依马狮网 发布日期： 2005-05-12 点击次数： 543
【摘要】从高清问世到HDV出现，技术一直在等待市场，市场却在等待技术的效率更高；数字视频的多样性体现了对视频信息利用的效率；HDV方式体现了信息效率的提高；压缩是提高信息效率的工具；高效率不等于高质量；在质量和效率的权衡中还会有新的格式出现。
【关键词】数字高清与HDV 多样性与效率 效率与质量 格式与压缩
一. 从高清问世到HDV出现，技术一直在等待市场
对高清这个命题，普遍认为是技术在等待市场。早在十几年前，日本就开始了模拟高清电视广播，我国也从国庆50周年开始了中国的数字高清试播，又是5年过去了，高清的技术已经更趋成熟，但应用还是不能普及，普通观众对高清还是要等待。在当前技术革命的大潮中，技术更新的速度更快，在很多领域，我国应用新技术的时间也大大提前，与世界是基本同步的。但在高清领域却还是跟不上世界的步伐，成熟的技术在等待市场。
HDV的出现给沉寂的高清市场一股新鲜的气息，这种称为低成本高清的技术将高清节目的制作成本降低到与我们今天的标清的成本相当。人们期望和等待这个新的技术进步带动整个电视市场的发展。HDV能起到推动这个市场的作用吗?
在进入数字高清的前沿，我们提出一个信息效率的问题，所谓信息效率是接收到信息与原始信息的比例。我们把信息传递的过程分为制造信息、传输信息、接收信息几个环节，接收信息对信息的效率是最重要的。我们提出接收信息的概念不只是电视解码接收的图像质量，而是人对节目质量的实际感受。我们的摄像机成倍地提高清晰度，我们建立了新的数字传输系统，我们还更新了高清的电视机，但我们人对信息的实际感知是否能成倍地增加?
人对电视信息的接收受人的行为活动的影响，也与人的专业训练有关。在接收信息的层次上，人对内容信息的接收优先于对质量信息的接收。所以，制作信息的增加与接收信息的增加不是等比例的。当技术的进步不能被市场所消化或认同，谁为增加的成本埋单?这就是技术等待市场的原因。
二. 数字视频的多样性体现了对视频信息利用的效率
在数字电视的范畴里，高清、标清、电影和其它显示媒体共存。高清的出现是为了提高人们对电视收看效果的满意度，人们希望在电视里看到的画面像真实景物那样逼真，像在电影院欣赏电影的感觉一样。在今天的多媒体时代，人们对电视显示的期待完全超出了传统电视的范畴，是一个多功能的信息显示屏。在这个基础上，人们开始制定数字高清的标准。我们从美国FCC数字广播规格的图表中可以看到数字电视和数字高清是一个很大的范畴，它即要体现人对视觉的要求，也要体现人对信息资源利用的合理性。
不同应用环境造成了数字电视的多样性。人的视觉感受是多方面的，清晰度是最首要的，相对于标准清晰度电视的720×576（PAL制），数字高清电视的标准为1080i（水平像素按宽高比16∶9推算上限为1920）和720p（水平像素按宽高比16∶9推算上限为1280），大大提高了电视清晰度水平。电视诞生以来，一直采用限定技术质量来保持较高的信息效率，降低制作、传输和接收的成本。如，电视使用隔行扫描技术用以节约频带资源，同时也留下画面垂直细节闪烁和垂直运动图像模糊的问题；在25帧50场/秒（PAL制）的方式下，观看的闪烁感是显而易见的，显示运动图像明显模糊，尤其在慢放和静帧时更加突出。数字电视要兼容多种显示环境，在不同的环境下人对电视信息的接收效率是有差别的，比如人在观看静止图像时对画面的闪烁非常敏感；人在安静的环境下欣赏电影对画面的清晰度和声音质量要求高；在新闻节目中人对内容更加关注。所以数字电视标准中即要提高清晰度也采用了逐行扫描和提高帧频到50帧技术，改善这方面的收看效果。
像图1中FCC表那样的许多标准就是针对不同应用采取不同技术以保证一定的信息效率和低成本。我国的数字电视肯定不会那么复杂，但逐行扫描和提高帧频是应当要采用或兼容的。
图1 FCC标准一览
不同的方式各有优势，有品质的优势也有价格的优势。如果即考虑高清晰度，又满足逐行扫描和高帧频，把它们都包含在一种制式里（如1920×1080/50p），对资源的占用的效率就低，技术复杂，且价格高，市场难以接受。所以，数字高清还是多种制式并存，针对不同的需求采用不同的制式。对我国的具体情况来说，应该是标准清晰度的720×576/50i，高清的1080/50i和720/50p。在众多的标准中，1920×1080/i无疑是清晰度指标最高的，也是我国的数字高清电视演播室标准；1280×720p在清晰度方面介于1920×1080与标清之间，但采取了逐行扫描和2倍的帧频，观看效果在另一方面得到改善，总体的信息量与1920×1080i相当。从信息的效率来说1080/i对一般电视类节目更高，720/p对特殊类电视节目和电影、多媒体更有优势。对当前的HDV来说，当前摄像机和显示器还不支持1080的上限1920×1080，而比较容易达到1280×720，普通电视和显示器普遍支持逐行扫描和2倍的帧频。所以在当前技术环境下，1280×720/p的信息效率明显更高，在目前来说是比较实惠的。
三. HDV方式体现了信息效率的提高
我们把HDV比喻成高清领域的DV，首先在技术上看一看它们的共同点和不同点。标清的DV采用减少色差取样（4:2:0），帧内压缩，较窄的磁迹（10μm）。25Mb/s码率是DV原始数据125Mb/s的约1/5。高清的HDV采用减少色差取样（4:2:0），MPEG-2帧间压缩，同DV一样的磁迹（10μm）。25Mb/s码率是HDV原始数据1/20。HDV在记录信息与DV相同的条件下，却传送了更多的原始信息，提高了电视节目信息的效率。
HDV出现了，如何看待以前的DV甚至高质量的标清设备?有人更大胆地比喻，HDV与高质量标清谁好谁差呢?这虽然是一个很不严格的命题，却有很大的代表性，对用户来说，是买今天低档的高清还是买昨天高级的标清?我们在这里强调几个概念：
a.HDV的原始信息比标清大得多，有明显的区别。
b.HDV的摄像机和编辑环境还不能达到高标准高清的水平。
c.仅从信息效率角度，HDV肯定大于高档标清。
d.HDV目前还不能满足高级广播制作工艺的要求。
e.压缩对图像造成的损失不仅取决于压缩方式和压缩比，还取决于图像本身。比较HDV和其它格式不能忽略图像本身的因素。
f.标清领域已经发育完全了各个档次的产品，有非常完美的产品，HDV在高清领域还是远不完美的。
四. 压缩是提高信息效率的工具
HDV在色差信号取样率和记录码率与DV相同的前提下，压缩承担了成倍提高信息效率的主要任务。HDV使用MPEG-2压缩实现了高压缩比（约20倍），是否对图像有大的损伤呢?在标清领域，DVD也是使用MPEG-2压缩，可以到5Mb/s甚至更低的码率，也有25倍左右的压缩比。所以，就压缩对图像质量的影响来说，HDV对高清的压缩与DVD对标清的压缩相当。这仅仅是一种比喻。
HDV使用MPEG-2 IBP帧的压缩方式，这是专业录像格式中唯一使用这种方式的。如此之大的原始数据记录在如此小的磁带上，还要达到一小时的记录时间，也只有使用这样的压缩方式。那么专业录像机为什么不宜使用MPEG-2 IBP帧的压缩方式呢?简单地说是后期编辑的原因，帧间压缩不能保证精确到帧的编辑精度，解码后的编辑虽然能保证编辑精度，但再次压缩编码会对图像造成额外的损失。
MPEG-2是有损压缩，随着压缩次数的增加损失加大，但只要保持码率在一定水平以上，损失是较小的，我们称这个水平是透明图像的门限。根据有关资料，MPEG-2编码保持透明图像质量（累计编码8次）的码率是：
对4:2:2 MPEG-2 IBP帧为20Mb/s；
对4:2:2 MPEG-2 IBP帧(SX方式)为30Mb/s；
对4:2:2 MPEG-2 I帧为50Mb/s；
对4:2:0 MPEG-2 IBP帧为15Mb/s；
如果考虑编码的累计次数不超过3次，则可以考虑码率降低为：
对4:2:2 MPEG-2 IBP帧为12-14Mb/s；
对4:2:0 MPEG-2 IBP帧为8-11Mb/s。
HDV是使用4:2:0 MPEG-2 IBP帧编码方式，25Mb/s编码，比刚刚提到的对标清图像8-11Mb/s的编码显然高了，但HDV原始数据约500Mb/s是DV原始数据125Mb/s的4倍，所以25Mb/s一点也不高。尤其是HDV采用了6帧的GOP结构比通常的12帧短，对码率的要求更高。采用什么方法再降低一点压缩对图像的损失风险呢，一般是采用予压缩，即在有损的编码之前，先对数据进行处理，降低参与有损编码的数据量，先甩掉一部分效率较低的数据，如降低清晰度。采用1440×1080代替1920×1080的取样也有类似的效果，也是出于同样的考虑。所以对HDV而言，未必是取样越多越好。具体是如何采用予压缩技术的，在哪里做了手脚，这可是厂商的核心机密，用户只能通过测试进行检测。但真正规范有说服力的检测，一般用户是不可企及的，只有寄希望于国家级的检测机构。
同样的MPEG-2压缩方法对不同制式的影响是不同的，MPEG-2的压缩损失与图像的相关性有关，对同样内容的图像，帧的相关性越好则对图像压缩损失越小。那么可以说，帧频越高则帧的相关性越好，也可以引申为，同样的HDV压缩方式，对720/50p的压缩损失要小于1080/50i。从这个方面理解，720/50p方式又占了点便宜。
HDV毕竟是高清，它代表了比标清多几倍的视频原始信息。我们有理由相信，HDV的第1代质量是不错的，3代以内的编码也是完全可以接受的。对于编辑，我们应考虑到，HDV是4:2:0 MPEG-2 IBP帧间压缩方式，6帧一个GOP，对帧间的相关性要求高，不像DV是帧内压缩。这是与DV差别最大的。如果编辑点过于密集，则帧间的相关性很差，HDV压缩对图像的损失就很大。在下载为“中间”文件环境下可以做连续单帧的编辑，损失也相对低，但要注意编辑后的节目以什么方式输出，如果输出到高档高清录像机或以帧内压缩文件输出，则没有明显的质量问题。如果是回到HDV格式或到其它MPEG-2 IBP帧方式，对图像是有明显损失的，可能出现的故障有马赛克、图像分裂、跳帧等。
五. 高效率不等于高质量
HDV相对其它高清格式信息效率明显提高，但却是以牺牲信息本身为前提的，只不过，是主动地丢失一些在其它环节也可能丢失或被屏蔽在外而不能最终成为有效信息那些信息。不可避免地也会丢失一些有用信息，这种丢失在实际信息损失中所占的比例或造成的影响要看整个信息通道的其它环节的情况。如果其它环节的质量很高、损失很小，那么HDV引起的信息损失就是主要的损失；反之，如果其它环节的质量低或与之相当，HDV所引起的损失就相对小或可以忽略。在电视制作的链路中，从摄取图像、简单编辑、复杂编辑、包装合成，到播出、转播、接收，图像质量是逐步损失、缓慢下降的。图像源的质量是最高的，如果按照接收端的标准来制定图像源的标准，反而因为链路的损失而得不到预计的接收质量。数字高清的源编码很高，即使是压缩的录像格式也在300Mb/s，或100Mb/s以上，播出环节降低到20Mb/s左右，在链路中逐步地主动丢失掉效率相对低的信息。HDV格式则直接以播出环节的质量去摄取图像，当然信息的效率高，但是图像质量也没有再损失的本钱了，节目制作的方式就受到严格的限制，整个环节的稳定性也是比较脆弱的。所以高效率不等于高质量，但价格的优势和获取节目的广泛性是其它格式望尘莫及的，这就是HDV的价值。
从另一个角度看，标清到高清信息量相差几倍之巨，信息的损失的空间是很大的。相对高清巨大的原始数据，HDV经历了少取样，予压缩和高压缩比的MPEG-2压缩和编辑、制作、传输的信息损失，但还是有可能保存比标清大得多的电视信息，所以还是比较容易看到与标清图像的明显区别。所以在标清与高清之间存在“半高清”或“1/3高清”也是很正常的。
六. 在质量和效率的权衡中还会有新的格式出现
正是因为高清在应用领域的多样性产生了多种制式。在不同制式的基础上，因为性能和价格的因素又有多种记录格式和磁带格式，HDV就是其中的一种。
制式是电视的播放标准，是以国家的权威规定的。今天的电视制式包含了行频、场频、伴音载频和彩色副载波等具体的内容。制式还是国家主权的象征，冷战时代，不同的电视制式可以阻碍不同意识形态的入侵。今天，不同的高清制式也可以成为阻挡外来经济入侵和保护自身利益的武器。当前电视制式的主要技术特征是行频、场频、隔行扫描、宽高比，决定了电视所携带的信息量和显示质量。下面我们计算一下各种显示方式所携带的信息量：
以4:2:2作色差取样标准和8bit作为量化标准水平像素按制式规定的上限（方型像素取样）：
1080/50i原始信息的公式是：1920×1080×2×8×25=829 Mb/s；
对720/50p是：1280×720×2×8×50=737 Mb/s。
两种显示方式的信息量都远大于当前标准电视的166Mb/s（720×576×2×8×25）。实际应用中，为取得信息的相对平衡，1920×1080被赋予了隔行扫描（i），1280×720被赋予了逐行扫描和加倍的帧频(p)。在HDV领域，综合其它技术因素，没有应用1920×1080/50i，而是以1440×1080/50i和1280×720/50p代替。这两种制式在信息总量相当的前提下（以4:2:0取样，信息总量分别为467Mb/s和553Mb/s），各有不同的优势。
格式与制式有本质的不同， 数字压缩格式是把符合制式要求的电视信号，处理、压缩成方便记录和传输的数据，也称为三要素，即取样、量化和压缩。在以前标清压缩方式的讨论中已经详尽地探讨了取样、量化和压缩三个基本问题，高清信号与标清信号在这方面是基本相同的。
磁带格式关系数据是如何记录在磁带上的，格式的内容有记录频率，磁带宽度，磁迹宽度，方位角，磁迹角度，磁带速度等。磁带格式原理上对信号质量没有影响，但会影响录像机的稳定性和工作性能，对图像质量产生间接的影响。HDV使用了和DV一样的磁带格式，工作稳定性和操作性与DV是相当的。但因为HDV数据的压缩较DV更大，在发生同样问题（如磁带）产生误码时，对HDV造成的图像损失比对DV更严重。所以HDV应配合更精确耐用的机芯和使用更高质量的磁带。
在标请的范畴里有多种数字记录格式，何况高清。在标清的范畴里出现了不下十种数字格式录像机，在几乎同样的行场频率和取样、量化规格条件下，只是压缩方式、压缩比和色差信号取样不同就分成了如此多的不能互换的记录格式，那么在高清领域，比标清大得多的领域里，由于制式不同，取样、量化和压缩方式不同以及记录媒体不同所产生的记录格式会有多少呢?HDV即不是第一个.
美国的调查公司发现，有一大半民众分辨不出HDTV与普通DTV的画质差异，这说明了什么呢?我们前面谈到数字电视的多样性正是显示了当代数字电视时代的特征。首先，数字电视播出使标准清晰度电视的收看效果得到提高，消除了重影、噪波这类由于传输造成的严重影响画面质量的因素，普通电视节目更清楚、更好看了。收看的满意度受多种因素影响，清晰度只是一个方面，逐行扫描的应用，帧频的提高都是对收看满意度的提高，数字电视的多种规格如1080i，720p等使HDTV本身存在收看效果的差异。HDTV的最终收看质量取决于拍摄制作质量、传输质量和显示质量，也和拍摄对象有关。电视台制作高清，传输公司播高清，电视机能显示高清，观众才能看到高清。且不说电视台制作和传输设备的差别，收看端电视机的质量差别就太大了。走进现在电器商场，号称能接收各种HDTV信号的接收机比比皆是，价格从3000元到几万元，好的监视器价格几十万元之巨。真正使用标准信号源信号显示真正1920×1080图像质量的一台也没有看到。笔者有幸观看了中央电视台对各种高清监视器的测试，专业的监视器也存在明显的差异（如图2所示）。所以不同的用户看到的高清也是不同的，在这种情况下，哪一个是高清哪一个是标清呢?
数字高清时代带有明显的多样性特征，像素从标清的44万（720×576）像素提高到高清的最大200（1920×1080）万，在这个大跨度中存在中间的状态和内容是很正常的。这里，取得信息质量和效率的平衡是决定的因素。由于需求的多样性，这个平衡点是在变化的，HDV就是一种需求的体现。由于数字高清的多样性特征，在高清领域出现比标清更多的数字格式是一点不希奇的。 (DVOL本文转自：中国DV传媒 http://www.dvol.cn)
