MPEG-4 AVC压缩标准及其在高清摄像机中的应用 DV OnLine.数码视频在线数字摄像机数字视频处理视频采集卡编辑软件

来源：依马狮广电资讯网作者：张延贤韩振雷山东理工大学

    【摘要】 MPEG-4 AVC是目前压缩效率最高的最新一代数字视频编码标准，在通信、IT和消费电子领域正获得越来越广泛的应用。本文首先分析了MPEG-4 AVC的技术特点，然后对其在小型高清摄像机上的具体应用进行了简单介绍。
    【关键词】MPEG-4 AVC 压缩高清

    一. MPEG-4 AVC简介
    MPEG-4 AVC是ITU-T（国际电信联盟）和ISO/IEC（国际标准化组织/国际电工委员会）组成的JVT(Joint Video Team:联合视频专家组)共同开发的新一代视频压缩标准。这一新的数字视频标准在ITU-T叫做H.264，而ISO/IEC则将其叫做MPEG-4 AVC(Advanced Video Coding，高级视频编码)，简称AVC格式。
    MPEG-4 AVC是MPEG-4的第10部分，而我们平时所说的MPEG-4是指MPEG-4的第2部分，标准代号为ISO 14496-2(MPEG-4 Part 2)，压缩生成的是MPEG-4 ASP(Advanced Simple Profile，高级简单类)格式的视频文件。也就是说，MPEG-4通常是MPEG-4 ASP的简称。因此MPEG-4 ASP和MPEG-4 AVC分属于MPEG-4的不同子级标准，其压缩算法有所不同，后者的算法更为复杂，编/解码时需要更多的硬件资源，但同等画面质量下具有更低的数据码率。MPEG-4 AVC和H.264和是同一个概念，是分属于不同组织的不同名称，有时候采用MPEG-4 AVC/H.264或H.264/AVC这类混合名称，本文采用MPEG-4 AVC这一称谓。
    MPEG-4 AVC的压缩算法极为复杂，但压缩率极高，同等画质下，文件体积比MPEG-2小1倍以上，比DV格式更是小了一个数量级以上。图1给出了压缩1个小时的视频数据时，DV、MPEG-2和MPEG-4 AVC格式各自的文件大小，不难看出MPEG-4 AVC格式在数据压缩方面的巨大优势，这也是其最具商业价值的地方。
    MPEG-4 AVC格式在设计上有许多技术亮点，如支持多参考帧预测、小至4x4的矢量像块尺寸和4×4的整数变换、更精确的1/4像素的运动估计、更加高效的熵编码算法及增加了自适应环路去块效应滤波器等。这些设计上的改进以算法更加复杂为代价换来了压缩效率的极大提高。
    MPEG-4 AVC的应用领域之一是数字电视，包括卫星通信广播、地面数字电视、IPTV（网络电视）等。在CE（消费电子）领域，MPEG-4 AVC是下一代高清影碟机HD-DVD和BR-DVD（Blu-Ray DVD，蓝光DVD）的压缩格式之一。特别值得一提的是，MPEG-4 AVC还是高清摄像机采用最多的一种视频压缩格式，产品规格覆盖家用、专业及广播机型，存贮介质有磁带、微硬盘、8mm光盘及固体存贮等。本文重点以索尼和松下两家公司发布的以微硬盘、光盘或储存卡为存储介质的AVCHD格式的小型家用高清摄像机为例，谈一下MPEG-4 AVC格式在高清摄像机上具体应用。

    二. MPEG-4 AVC在AVCHD高清摄像机中的应用
    AVCHD（Advance Video Codec High Definition）是索尼和松下两家公司在前不久发布的涵盖摄像、回放和相关软件的高清视频标准。该标准面向家庭和普通商业用户，采用硬盘、光盘或SD储存卡作为存储介质，视频部分采用MPEG-4 AVC标准进行压缩编码，支持1080i和720P两种高清格式，同时向下兼容480i及576i等标清格式。
    目前采用AVCHD压缩标准的机型有索尼的HDR-SR1E、HDR-UX1E和松下的HDC-SD1、HDC-DX1几种，均为掌上宝机型。以索尼HDR-SR1E为例，表1给出了其部分配置和性能指标。
    HDR-SR1E 采用1/3" ClearVID CMOS传感器和增强型影像处理器EIP（Enhanced Imaging Processor），提供高质量画面。ClearVid CMOS传感器具有199万有效像素的高分辨率、高灵敏度、低噪音、无拖尾现象以及宽广的动态范围等优点。增强型影像处理器能够快速、准确地处理大量的来自CMOS传感器的像素数据，并具有400万像素(2304×1728)的高分辨率静态图像处理能力。
    HDR-SR1E采用了HDD智能保护系统保护存储的影像和图片。在拍摄过程中，如果摄像机遇到震动或者跌落等状态，这时硬盘停止写入数据，视频流会被暂时保存在机内缓存中，当震动或者跌落状况消失，摄像机可自动恢复到正常状态，硬盘再次运转，将缓存里的视频数据存储到硬盘上。
    HDR-SR1E的对焦、曝光、AE变换或白平衡变换等功能均以菜单方式指定到控制环上，当需要手动调节时，按下镜头侧面的按钮就可以激活控制环，大大地降低了镜头结构及操作的复杂程度。
    该机还具有一些非常人性化的功能，如双重记录功能（Dual Record）和流畅慢摄（Smooth Slow Record）功能。双重记录功能可以同时录制动态视频和静态画面，在HD摄像模式下可同时在记忆棒（Memory Stick）上记录230万像素、16:9画幅的静态图像，在SD摄像模式下可同时在记忆棒上记录170万像素、4:3画幅的静态图像。流畅慢摄功能可以4倍于正常帧速率速度拍摄3秒的动态画面，然后用12秒的时间进行慢动作重放。

    HDR-UX1E与HDR-SR1E几乎所有参数都是一样的，最大的区别是HDR-UX1E用DVD光盘作为存储载体，而不是用HDD微硬盘。HDR-UX1E支持数据容量更大的8cm DVD+R DL(双层)格式，在码率为5Mb/s的LP模式下可记录60分钟的视频数据，在码率为12Mb/s的HQ+模式下记录时间可达27分钟。除此之外也可用8cm的 DVD-R、DVD-RW和DVD+RW进行数据存储。
    松下HDC-SD1、HDC-DX1机型的视频部分也采用MPEG-4 AVC压缩标准，主要区别表现在存储介质、传感器、记录模式和记录介质几个方面。SD1和DX1采用1/4寸HD 3CCD传感器，有HF/HN/HE三种记录模式，最高质量的HF码流约13Mb/s，HN和HE则分别为9Mb/s和6Mb/s左右。DX1采用DVD光盘作为存储介质，在HF模式下可以记录约14分钟(单面)或28分钟(双面)的高清信号，而在HE双面模式下记录时间可达62分钟。SD1采用内附的4GB SDHC卡（High Capacity SD Memory Card，即高容量SD存储卡）作为存储介质，在13/9/6Mb/s的码率下，分别可以录40/60/90分钟的高清影像。
    记录到磁盘上的信号可通过HDMI(高清多媒体接口)与具有同种接口的彩电进行连接，实现高清画面的回放。如果没有HDMI接口，也可以用复合视频或S端子与电视相连，当然这样就失去了高清摄像机的清晰度优势，不过实践证明，仍然比普通的标清信号要清晰的多。
    另外，AVCHD格式的高清信号可以通过摄像机的USB接口在装有随机配备的专用AVCHD播放软件的电脑上进行播放，摄录好的光盘也可以通过兼容AVCHD的蓝光驱或独立的蓝光DVD播放，但是普通的DVD播放机，即使支持MPEG-4格式，也不能回放AVCHD 基于MPEG-4 AVC的压缩格式。除了播放环境相对比较苛刻外，因为目前缺少编辑软件的有力支持，AVCHD格式目前还无法像DV那样在PC上进行廉价、便捷的后期编辑。因此AVCHD高清摄像机的主要用途还主要表现为记录完毕后用高清电视进行回放观看，在PC平台上方便而流畅地作后期编辑尚需假以时日。