家庭影院基本技術與標準大全之視頻

中國視聽網(wǎng)資訊更新時間：2009-8-5 13:31:34　編輯：溫情　[ 大中小 ]

內(nèi)容導航：

影院視頻編碼國際標準及多功能測試軟件

無論是HQV還是isf，它們都是規(guī)范顯示器材的標準和認證，這是相對硬件而言的，而對于軟件的規(guī)范，世界上就有一個完整的視頻標準格式記錄的體系。同時分為兩大標準板塊，首先是國際電信聯(lián)盟(ITU-T)里面的VCEG，它主要制定了H.26x標準的低比特流的視頻技術，還有就是國際標準化組織(ISO)內(nèi)的活動圖像專家組（IEC），它定義了一系列的MPEG圖像壓縮標準。我們在這里介紹目前高清視頻所使用的視頻編碼格式，它們包括：MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4 AVC/H.264、VC-1。

●家庭影院系統(tǒng)視頻編碼的相關國際標準

• ITU-T(國際電信聯(lián)盟)

ITU-T VCEG是Video Coding Experts Group的簡稱，也可直接稱為VCEG，中文可以翻譯成視頻編碼專家組。VCEG的官方頭銜為ITU-T SG16 Q.6。VCEG開發(fā)制定了一系列視頻通信協(xié)議和標準，包括H.261視頻會議標準，和其后續(xù)版本H.263等，當然還有目前最受重視的H.264視頻編碼格式。

•ISO(國際標準化組織)

國際標準化組織(International Organization for Standardization)簡稱ISO，是一個全球性的非政府組織，是國際標準化領域中一個十分重要的組織。而IEC是國際電工委員會（International Electro Technical Commission）的縮寫。它也是非政府性國際組織，是聯(lián)合國社會經(jīng)濟理事會的甲級咨詢機構。ISO與IEC同時定義和開發(fā)了一系列的視頻編碼標準，分述如下：

•MPEG-2

MPEG-2開發(fā)于90年代初期，目前市場上所銷售的DVD影碟在視頻記錄上面都是統(tǒng)一使用MPEG-2編碼格式的（也就是DVD碟片內(nèi)文件擴展名為vob的文件），MPEG-2同時也在一些HDTV高清晰電視廣播和一些高要求視頻編輯、處理中得到應用。使用MPEG-2這種編碼格式，并且使用720×480的分辨率壓縮制作一部 120 分鐘長的電影（原始視頻文件），可以把文件的占用空間控制在4GB到8GB大小左右。進入全高清影碟時代，由于MPEG-2對于播放硬件的要求不高，而且授權費用也比較低，所以早期的藍光影碟都是使用MPEG-2格式進行視頻制作的。

•MPEG-4

MPEG-4是由國際標準化組織（ISO）的活動圖像專家組（IEC）制定的，第一版在1998年10月通過，第二版在1999年12月通過。MPEG-4格式的主要用途在于網(wǎng)上（串流媒體）及光碟分發(fā)、語音傳送（視像電話）以及電視廣播。MPEG-4包含了MPEG-1及MPEG-2的絕大部份功能及其他格式的長處，并加入及擴充了對虛擬現(xiàn)實模型語言(VRML for Virtual Reality Modeling Language)的支援，面向?qū)ο蟮暮铣蓹n案（包括音效、視訊及VRML物件），以及數(shù)碼權限管理及其他互動功能。

•H.264/AVC

MPEG-4 AVC/ H.264是國際電信聯(lián)盟(ITU-T)和國際標準化組織(ISO/IEC)共同開發(fā)的視頻處理標準，國際電信聯(lián)盟把這種編碼格式稱作H.264，而國際標準化組織(ISO /IEC)將其定義為14496-10（MPEG-4 第10部分）高級視頻編碼（MPEG-4 AVC，簡稱AVC）。這種格式不僅比H.263和MPEG-4節(jié)約了50％的碼率，而且對網(wǎng)絡傳輸具有更好的支持功能。它引入了面向IP包的編碼機制，有利于網(wǎng)絡中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡中視頻的流媒體傳輸。H.264具有較強的抗誤碼特性，可適應丟包率高、干擾嚴重的無線信道中的視頻傳輸。

•VC-1

與H.264并稱為兩大高清視頻壓縮技術，VC-1是最后被認可的高清編碼格式，是由微軟公司主導提出、基于Windows Media Video 9 (WMV9)格式而開發(fā)出來的。相對于MPEG-2，VC-1的壓縮比更大，對播放硬件的要求更高。目前華納和環(huán)球等影業(yè)公司最新推出的藍光影碟大部分都是使用VC-1作為視頻編碼格式。另外，它也是提供網(wǎng)上音樂與視頻預訂服務與視頻流的主要格式。

●兩種主流格式H.264/AVC與VC-1在細節(jié)上的不同之處：

1、動作補償技術

在動作補償(motion composition)技術上的差異，H.264具有7種不同的動作補償模式，而VC-1只有4種，動作補償?shù)膮^(qū)塊越小，就越能找到誤差值越小的參考點，進而節(jié)省紀錄誤差值所需的位元數(shù)，不過區(qū)塊也不可能無限制地縮小切割下去，因為區(qū)塊越小，同一畫面中所需紀錄的矢量也越多，例如以1個16×16大小的區(qū)塊來說，只需要紀錄一個矢量；如果區(qū)塊切割的大小縮為4×4，那么矢量將會增加為16個。雖然動作矢量也可以透過預測的方式來進行壓縮，但是過小的區(qū)塊將會使得壓縮的效益變得不明顯。另外，編碼器必須在壓縮過程中隨時對畫面進行偵測與判斷，從多種模式中選用最佳的方式來進行壓縮。

2、不同的量化方式

H.264中的Base Profile以及Main Profile具有多個量化質(zhì)量切割方式，但是并不具有量化矩陣，這與VC-1采用類似MPEG-2的量化矩陣的方式不同，但是H.264在之后的FRExt中，重新采用了可選擇的量化矩陣方式，不過由于H.264設計方式的特殊，可以非常高的壓縮比達到幾近于無損壓縮的高質(zhì)量表現(xiàn)，這點要明顯比VC-1優(yōu)秀，不過換來的是非常久的壓縮時間，如果沒有特殊的加速芯片或強大的硬件支持，有不少人可能會改而選擇壓縮時間較短但是質(zhì)量仍在可接受范圍的VC-1。

3、區(qū)塊濾波器

H.264具有區(qū)塊濾波器，而VC-1 沒有區(qū)塊濾波器。VC-1采用不同的濾波方式，稱為重迭平滑(Overlap Smoothing)，雖然H.264的區(qū)塊濾波可以有效降低區(qū)塊效應，但是區(qū)塊濾波是在解壓縮還原之后才會進行的步驟，而不是在壓縮階段就會進行的過程，因此經(jīng)過區(qū)塊濾波處理之后，就已經(jīng)不是原本的影像信息，有可能會導致影像中的細節(jié)丟失。而區(qū)塊濾波器的演算復雜度相當高，除了考慮到播放裝置的性能以外，在某些簡單應用中也不適合使用。VC-1對以內(nèi)部模式壓縮的區(qū)塊則提供了另一種重迭轉(zhuǎn)換技術，用來彌補沒有區(qū)塊濾波器所可能產(chǎn)生的區(qū)塊問題。重迭轉(zhuǎn)換是在進行壓縮時利用在空間領域作前處理，并且在解壓縮時搭配進行后處理來達成�；旧�，重迭平滑方式需要搭配前置與后置處理，在理論上，可以兼顧去除區(qū)塊以及保持最大量的原始影片信息兩方面的需求，不過重迭平滑的步驟僅在區(qū)塊的型態(tài)為I時才執(zhí)行，無法應用到所有的區(qū)塊型態(tài)中。

4、其它差異

H.264的畫面間參考幀最多可由31張的之前重建畫面所組成，而VC-1畫面間參考幀僅可由前一張的之前重建畫面所組成。而在針對亮度的同畫面預測方面，H.264采用內(nèi)部4×4與內(nèi)部16×16兩種方式，VC-1則是使用傳統(tǒng)MPEG的作法，使用DC與AC方式的預測。雖然H.264與VC-1都采用了可變長度編碼設計，但是其余的技術差異仍然相當大，如果要實做到支持多規(guī)格播放的硬件電路中，所要考慮的層面相當?shù)亩唷?br>
●多功能測試軟件

《FPD Benchmark》

FPD是Flat Panel Display（平板顯示設備）的縮寫，其測試內(nèi)容包括解像度、對比度、色階過渡、色彩還原等部分。全片影像部分共有43段。同時還收錄了作曲家山下康介最新編寫的THE EARTH交響序曲Overture，格式包含有96kHz/24bit LPCM 7.1ch、Dolby TrueHD、DTS-HD Master Audio。
左邊的是FPD Benchmark軟件早期官方贈送片，是不對外銷售的版本，只可以通過特殊渠道取得。
中間的是FPD Benchmark軟件與日本AV REVIEWS雜志在今年1月隨書贈送的版本。
右邊的是最新版本的FPD Benchmark 軟件，這是FULL HD的測試軟件，增加了更多影像的測試圖片，還加上了LPCM 7.1、DTS-HD Master Audio、DOLBY TrueHD、無損壓縮的音樂測試。更重要的這是公開發(fā)售的版本。

《HD HQV Benchmark》

作為面向標清視頻的HQV Benchmark的升級版，HD HQV Benchmark可以測試各種高清設備上的視頻播放質(zhì)量，諸如高清電視、顯示器、藍光影碟機、HD DVD影碟機、A/V功放接收機、投影儀、PC顯卡等等。主要測試項目有四個部分，包括噪點處理、平滑反鋸齒、視頻分辨率損失、影片分辨率損失等。

新版的HD HQV Benchmark分為Blu-ray、HD DVD兩個版本，分別針對當前高清兩大播放平臺。

《HIVI CAST》

HIVI CAST是多功能的影音測試碟片，我們可以通過播放里面的視頻片段以及圖像細節(jié)調(diào)節(jié)的教程對設備進行調(diào)校設定。播放開始之后，菜單上會出現(xiàn)畫面調(diào)節(jié)、音頻調(diào)節(jié)、測試信號、示范片段、制作人員這5個選擇項目。而這里我們測試所需要的只有前面4個部分，通過這4個部分，我們可以對系統(tǒng)的每個部分進行細致的調(diào)校，然后通過實際觀看和收聽來感受影院調(diào)試之后的效果。

《Avia》

主要針對整套家庭影院系統(tǒng)的各個組成部分(Component)、器材連接(Connection)、調(diào)校與使用環(huán)境等方面進行介紹，采用圖文并茂的生動形式進行了詳盡的解說。碟片的主題菜單（Title Menu）包括“基本家庭影院”（Basic Home Theater）、“主菜單”（Main Menu）、“高級的”（Advanced）和“制作人員簡介”（Credits）四大項。主菜單呈現(xiàn)了上述六個章節(jié)的標題和一個附加章節(jié)，它們分別是“怎樣使用Avia”（How　to　use　Avia）、“家庭影院組件”（Home　Theater　Components）、“音響說明”（Sound　Advice）、“家庭影院使用環(huán)境”（Home Theater Environment）、“正確連接”（the Right Connections）、“聲壓計的使用”（Using a Sound Level Meter），再加上精彩的附加章節(jié)“音頻與視頻調(diào)�！保ˋudio & Video Calibrations）。

HDTV高清電視的標準

HDTV（高清晰數(shù)字電視）是高清視頻發(fā)展的產(chǎn)物，是視頻數(shù)碼化的具體表現(xiàn)，相對于舊式的模擬顯示技術，HDTV可以實現(xiàn)更高的顯示分辨率和更大的顯示尺寸，同時也可以顯示更多的色彩。在這里我們會詳細介紹一下HDTV的一些基本資料以及傳輸與播放的標準。

•逐行掃描與隔行掃描

高清平板電視從發(fā)明的那一天起就使用了逐行掃描與隔行掃描兩種掃描方式。以前使用逐行掃描來進行拍攝和制作的原因是因為拍攝和顯示器材都是逐行化的。最近幾年，顯示屏的尺寸正在慢慢擴大，顯像管類的顯示設備正在慢慢被等離子（PDP）和液晶（LCD）顯示器所代替，這種自由的掃描尋址方式并不需要對每個像素進行驅(qū)動，因此既適用于隔行掃描也適用于逐行掃描的顯示方式。

逐行掃描是一種在顯示設備方面表示運動圖像的方法，這種方法將每幀的所有像素同時顯示。和逐行掃描對應的是隔行掃描，它常用于傳統(tǒng)的電視系統(tǒng)中(逐行掃描有時候被稱為非隔行掃描)。逐行掃描常被用在計算機顯示器上。通常的顯示器的掃描方法都是從左到右從上到下，每秒鐘掃描固定的幀數(shù)。掃描設備交換掃描偶數(shù)行和奇數(shù)行。在PAL制式和NTSC制式中，都是先掃描偶數(shù)行的，即是偶數(shù)場。

圖注：為了更細致地說明問題，我們來考慮一下標準電視機的掃描方式。通常，電視機的掃描方式被稱為隔行掃描，也就是說每一幀被分割為兩場，每一場包含了一幀中所有的奇數(shù)掃描行或者偶數(shù)掃描行。通常是先掃描奇數(shù)行得到第一場，然后掃描偶數(shù)行得到第二場。

奇數(shù)場圖

偶數(shù)場圖

和隔行掃描相對的逐行掃描每次顯示整個掃描幀圖

對NTSC制式的電視機來說，每1/60秒完成一場的掃描和顯示，即我們所說的60 Hz，對PAL制式的電視來說這一時間是1/50秒，即我們所說的50 Hz。由于視覺效應，人眼將會看到平滑的運動而不是閃動的半幀半幀的圖像。這時就不容易注意到閃爍的出現(xiàn)，也不會使人眼容易產(chǎn)生疲勞。

如果逐行掃描的幀率和隔行掃描的場率相同，在本例中即逐行掃描每秒掃描60幀圖像，人眼將看到比隔行掃描更平滑的圖像，相對于隔行掃描來說閃爍更小，在目前新推出的大部分電視機中也帶有了將隔行掃描轉(zhuǎn)化為逐行掃描來輸出的功能。

PDP、LCD、DLP的圖像顯示原理與顯像管完全不同，他們是有限像素的面陣列顯示器件，這種采用XY尋址的顯示方式需要逐一驅(qū)動每個像素單元，不論輸入信號是何種掃描方式也不論它們的清晰度高低都要被轉(zhuǎn)換成與顯示面板物理像素數(shù)量相同的清晰度顯示，因此這類新型的平板顯示器件可以很好地顯示逐行掃描信號。實際上，采用PDP、LCD、DLP等顯示設備都是逐行掃描圖像，即使輸入的是隔行掃描信號也會在顯示驅(qū)動電路中轉(zhuǎn)換成逐行掃描。因此，也可以把PDP、LCD、DLP等稱為逐行掃描顯示器件。如果在拍攝、制作和顯示等環(huán)節(jié)都采用逐行掃描方式，就可以避免信號的隔行、逐行轉(zhuǎn)換帶來的圖像質(zhì)量損失。

•為什么稱作24p

24p主要用于數(shù)字電影的拍攝、制作，通過24p拍攝的數(shù)字節(jié)目可以轉(zhuǎn)換成膠片放映，還可以轉(zhuǎn)為480/24p壓縮成逐行掃描的DVD規(guī)格的MPEG2文件。

由于每秒24次的刷新頻率太低，24p只適用于節(jié)目制作和交換而不能直接用于播出。在60Hz電源的國家和地區(qū)24p的節(jié)目可以通過3-2下拉變換和下變換得到60場的1080/60i和480/60i隔行掃描信號，這種下拉變換與把每秒24幅膠片畫面轉(zhuǎn)換成60場電視信號時的處理方式完全相同。實際上24p有兩種版本，一種是電影行業(yè)采用的24p，另一種是用于電視制作的23.976p。24p、25p逐行掃描主要用于拍攝數(shù)字電影或可能轉(zhuǎn)換成膠片放映的節(jié)目。此外，由于24p、25p已經(jīng)成為國際電視節(jié)目銷售和交換市場上的主要高清掃描格式，所以一些用于國際交流的高清節(jié)目也會采用24p或25p拍攝，只用于電視播出的節(jié)目采用50i或60i隔行拍攝。

(拿去年第9期藍光機和今年2月的先鋒等離子電視圖)

圖注：目前有為數(shù)不少的高清播放器和高清平板電視可以對應24p的視頻信號接入。
•HD-SDI（高清晰度串行數(shù)字分量接口）

自從 1998 年長野冬奧會以來，HD 串行數(shù)字接口 (HD-SDI) 傳輸設備的使用率不斷增長。高清晰度數(shù)字電視使用符合SMPTE 292M標準的串行數(shù)字分量接口傳輸數(shù)字分量電視信號及其內(nèi)嵌的多路數(shù)字音頻信號和輔助數(shù)據(jù)，其取樣頻率為74.25 MHz，量化電平10bit，碼率1485 Mbps，可以傳輸?shù)母咔鍞?shù)字電視信號格式如下表。與符合SMPTE 259M的標清串行數(shù)字接口SDI一樣，HD-SDI的通道編碼也采用了對相位不敏感的不歸零反相擾碼（NRZI），即在接收端檢測到信號電平變化時為1，信號電平不變時為0。HD-SDI使用75歐姆BNC連接器和75歐姆同軸電纜進行傳輸。HD-SDI能夠傳輸?shù)淖罡叽a率是1485 Mbps（1.5Gbps），因此1080/50p（2073.6Mbps）、1080/60p（2488.32Mbps）逐行掃描信號必須采用兩條HD-SDI電纜傳輸，這就是SMPTE 372M標準的“雙鏈接”傳輸方式。

目前，SMPTE已完成可以傳輸3Gbps碼率的HD-SDI串行數(shù)字接口的標準化文件SMPTE 424M，但目前還沒有該類型的產(chǎn)品面世。

圖表：各種不同的視頻制式在傳輸時的視頻碼率

Tips：所謂HD-SDI 信號發(fā)生器是一個復合結構，合并了標清電視 (SDTV) 系統(tǒng)與高清電視（HDTV）系統(tǒng)。因為在高清電視的發(fā)展史中，是先有SDTV再有HDTV的，所以HDTV系統(tǒng)最初是和SDTV分開獨立開發(fā)的。隨著數(shù)字電視廣播的發(fā)展，節(jié)目迅速從SDTV制作轉(zhuǎn)換為HDTV制作，現(xiàn)在的電視廣播營運商在某些情況用 HDTV 設備記錄 SDTV 視頻材料并將其向下轉(zhuǎn)換為 SDTV 進行廣播。在其他情況下，也將SDTV視頻材料向上轉(zhuǎn)換為 HDTV播放。因此，在信號格式和設備與系統(tǒng)之間的物理連接方面，HDTV和SDTV系統(tǒng)之間的結合變得日益重要。

在這些情況下，不同的場頻率會妨礙這兩個系統(tǒng)之間的平滑結合。由于這個原因，在美國，已向HDTV標準添加了使用59.94 Hz頻率和29.97 Hz頻率的HDTV標準。在日本，廣播衛(wèi)星 (BS) 模擬高保真廣播繼續(xù)使用60 Hz，從2000年12月開始將59.94 Hz頻率設置為廣播衛(wèi)星數(shù)字HDTV廣播使用，而地面數(shù)字的HDTV廣播是從2003年開始運營的。

關于高清與標清電視的差別我們在下面有詳細的解釋。

•HDTV與SDTV的區(qū)別

高清電視（HDTV）與標清電視（SDTV）的差別主要體現(xiàn)在寬高比、清晰度、色域以及亮度等方面。以下一系列的圖片將會跟大家詳細介紹它們來自不同電信組織的標準與差異。

ITU(國際電信聯(lián)盟)