非线性视频网络的基本组成及关键技术#e#

　　[提要]本文着眼解决当前电教工作中电视教材和多媒体制作中视频素材的共享以及非线性处理，重点探讨了利用当前先进的FibreChannel网络技术以及MPEG-2、MPEG-4压缩技术组成的视频网络，以及该组网方式的优点。

　　[关键词]非线性视频网络、数字压缩技术、FibreChannel技术

　　随着多媒体计算机技术和数字压缩技术迅猛发展，以及FibreChannel(FC)技术走向成熟，近一年多来非线性视频网络系统迅速倔起，已成为电视技术数字化进程中新的亮点，显示出强大的生命力。它的出现改变了电视以及多媒体制作与传输的传统理念和格局，迫使我们不得不更加深入地认识和了解它，以便于重新思考和审视数字化过渡方案。

1、非线性视频网络的基本组成及关键技术

　　首先是网络的速度问题。由于广播级高品质画面与声音带来的大数据量和高速同步传输要求是通用计算机网络无法满足的,必须建立以FibreChannel等关键技术为基础的高速网络。FibreChannel是美国国家标准协会(ANSI)为网络各通道I／O接口建立的一个标准集成，支持HIPPI、IPI、SCSI、IP、ATM等多种协议，具有高性价比、高可靠性、千兆位级的带宽、网络拓朴结构多样化、兼容多种协议、组网方式灵活等优点。它的最大特性是将网络和设备的通讯协议与传输物理介质隔离开，这样多种协议可在同一个物理连接上同时传送，高性能存储体和宽带网络使用单一I／O接口使得系统的成本和复杂程度大大降低。FibreChannel使用全双工串行通讯原理传输数据，传输速率高达1062．5Mb／s。它的最大数据传输速度为100Mb／S，双环可达200Mb／s。FibreChannel不仅仅是高速网络，而且是高速网络和高速存储体接口的结合，FibreChannelArbitratedLoop(FC―AL)的拓朴结构使得它更象存储子系统，它采用光纤作为传输介质，通过网络共享的阵列硬盘系统提供超大容量数据共享，传输速率高达1．6Gb／s。它可以提供SGI工作站、PC机和APPLE机之间的完全的数据共享，使得在通过网络实时编辑不压缩视频成为可能，还可以实现网络视频实时无压缩输入／输出，彻底解决了网络速度的瓶颈和数据共享的问题，而且阵列硬盘提供冗余能力并可以集中管理，相对于单机的存储设备，提高了数据的可靠性和安全性。FibreChanne1支持点对点，ArbitratedLoop，交换等多种拓朴结构，单环最大站点数为126个，站点间距离可达10km；FC―AL交换逻辑分配给网上的独立端口几乎和一个正常设备端口一样，可以实现环上操作，显然在数据传输速度、节点数、传输距离等方面具有明显的优势。

　　视频制播网络另一个关键技术是数字压缩技术。按照CCIR6014：2：2标准，视频图像信号为(13．5M十6．75M十6．75M)×8b＝216Mb／s，而我国PAL制标准的电视图像信号为720×576×24×25＝248Mb／S。对于如此庞大的数字视频数据量来说，要实现无压缩数字视频信号的非线性制作，必须使用昂贵的计算机工作站。显然，以非线性编辑系统站点构造的数字视频网络不仅造价高，而且网络带宽和存储体速度等技术难点也难以解决。目前非线性编辑网络的视频格式90％都是采用M―JPEG算法。这种压缩算法对活动的视频图像通过实行实时帧内编码过程单独地压缩每一帧，可精确到帧的后期编辑。由于算法不太复杂，可以用很小的压缩比(2：1)进行全帧采集，从而实现广播级指标所要求的无损压缩。然而，M―JPEG仍存在一些缺点，尤其是M―JPEG压缩方案不灵活，由于缺少帧间压缩，其数码率仍然很高。若按广播级指标所要求的2：1压缩，其数码率仍有108Mb／s，其带宽仍然很难满足；其次是由于存在着众多的专用格式，M―JPEG不容易分配，为了分配视频信号，必须将M―JPEG再压缩成为MP(IPB)，这使得M―JPEG成为一种难用的压缩格式。另外，在未来的全数字电视系统中，没有一种压缩的数字摄录系统采用M―JPEG的压缩算法，无法与采用M―JPEG压缩算法的非线性编辑系统进行直接的兼容。另外依赖于硬件的M-JPEG压缩算法无法应用在多媒体课件制作上，因此我们必须寻求其它更灵活的图像压缩技术。  

    随着数字图像压缩技术的发展，MPEG―2压缩技术不断完善和成熟，近来更是出现了技术更为先进的MPEG―4压缩技术。这两种压缩技术为非编网络提供了另一种很好的格式选择。实际上，MPEG―2、MPEG―4与M―JPEG具有相同的压缩概念，都用DCT处理压缩，以减少分类及打包图像上的资料，使其整体文件缩小，不同之处在于MPEG―2、MPEG―4还可同时计算出帧与帧之间的变化及只存储帧间变化的资料。由于信号源中存在一定的冗余，一帧图像的数宇化离散信号的大部分瞬间信息可以利用它前后的信息进行预测而获得，其次是人眼对图像的反应存在着冗余，并不能反应所有传来的信息，对于空间频率高的信息，人眼对它并不敏感。PAL制电视图像的帧间间隔是40ms，并非所有帧与帧之间的信息都有变化，MPEG―2、MPEG―4信号压缩的基本原理就是只传送帧与帧之间有变化的那部分信息。在一个被压缩的图像信号中，包含三种帧信号，一是用I表示的原帧信号，二是用P表示的前向预测帧信号，三是用B表示的双向预测帧信号。由I、P和B组成一个独立的编辑单元，即图像组(GOP)，具有GOP结构的MPEG压缩技术比M―JPEG的文件小，压缩比更大，可减小存储硬盘的需求，也可更有效地在网络中实时传送素材，实时播出；同时，在节目制作中，由于引入动态I帧技术，也可实现精确到单帧的非线性编辑。此外，MPEG―2和MPEG―4具有足够的灵活性、扩展性和开放性，未来将取代M―JPEG。此外，用MPEG―4压缩的视频能够以AVI的文件形式存储，因此能够支持当前流行的Director、Authorware、方正奥思等多媒体制作软件，极大地方便了多媒体制作的应用。