为什么选择了HDV制式、格式、磁带格式

　制式、格式、磁带格式，针对这三个问题中的每一个都可以写一本书。本文在这里不是要把三个问题从头讨论一遍，而是HDV包含和涉及了以上三个问题。

　　1、制式是电视的标准，有演播室标准，开路播出标准，闭路播出标准和卫星传输标准，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;数字电视也是一样，有垂直取样(相当于行频)，场/帧频，隔行或逐行扫描(i或p)，如1080/50i，还有宽高比，伴音方式等。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。从技术上来说，不同的电视制式规定了不同的技术质量，也决定了电视所携带的信息量和显示质量，如我们现在熟知的PAL与NTSC制。下面我们计算一下数字电视各种制式所携带的信息量(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即方形取样)。1080/50i原始信息的公式是:1920×1080×2×8×25=829 MbPS;对720/50p是:1280×720×2×8×50=737 MbPS。二种显示方式的信息量都大于当前标准电视的166MbPS(720×576×2×8×25)。实际应用中，为取得信息的相对平衡，1080被赋予了隔行扫描(1080i)， 720被赋予了逐行扫描和加倍的帧频(720p)。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2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467MbPS和553MbPS)，各有不同的优势。

　　需要非凡注重的是，电视制式对电视显示质量的影响实际体现在规定了电视质量的上限，是一个范围。一方面，低质量的节目也可以变换成高质量的方式进行显示，而实际质量并没有提高;另一方面，只要满足了制式的规定，就能在制式的系统里运行。比如1080/50i制式，上限(方形取样)是1920×1080，但1440×1080， 1280×1080也是同一制式;再比如电视机，能显示1080i制式的电视不一定就能达到1920×1080所要求的清楚度，对摄像机、录像机也是一样，虽然我国演播室制作标准是1080/50i，但很多广播级数字高清摄像机也不能达到1920×1080的上限标准。

　　在我们现在使用的电视制式中，规定了行、场频率和频带宽度(6MHz)，也是规定了电视质量的上限。当年的模拟复合录像机，有C格式，U-matic BVU和VO等，都符合广播制式的要求，但清楚度等指标却是不一样的。只有C格式可以达到400线的标准，BVU和VO都只有不到300线。

　　HDV格式的1440×1080和1280×720也是规定了质量的上限(分别被命名为HDV2和HDV1)，其中某一款机型能达到什么指标还要分析其它因素，如摄像机的像素和录像机的压缩。对于HDV格式选择以上哪一种方式也是普遍受到关注的问题，可以从几个方面分析。

　　A.从它们所代表的原始信息总量上，1440×1080i和1280×720p分别为467MbPS和533MbPS，基本相当。但它们所强调的信息密度分别在空间轴和时间轴。我们上面分析过，对电视显示，隔行扫描在一定程度上有更高的信息效率，同时也留下视觉的缺陷。

　　B.在空间方面的信息量轻易受到其它因素的影响如摄像机和显示器，比如1440×1080要求摄像机CCD的有效像素在156万以上为好，虽然像素不足可以通过插值运算来弥补，却是以牺牲图像质量为代价的。当前的显示器也普遍只支持到1280×768，支持1440×1080甚至1920×1080的很少且价格贵。1280×720的信息量偏向时间轴，比较轻易获得摄像机和显示器方面的支持，从这方面说，1280×720的信息效率更高。

　　C.1280×720真正体现了制式所规定的宽高比，每个像素都是方型的;1440×1080表面上不是16∶9，实际上1080i由于是隔行扫描，不能表现垂直分辨率1080行，而应该是1080的1/2到1080之间。假如按水平像素1440和16∶9去推算，垂直分辨率为787行，与720也没有多少差别了。所以只有当1080p逐行扫描的情况下，水平像素1920才有实际意义。在取样时，1440×1080方式的像素不是方型而是矩形，使整个图像还是16∶9，在以后文件编辑时要转换到1920×1080，本文暂不作讨论。

　　D.HDV的压缩方式对二种制式的影响也不一样，在本文的后面还有分析。

　　2、格式与制式有本质的不同，数字压缩格式是把电视信号，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，如4:2:0取样，8bit量化，MPEG-2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。

　　3、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。

　　在标清时代，产生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，同样可能产生多记录格式，HDV即不是第一个也肯定不是最后一个。

　　HDV:高清领域的DV

　　我们把HDV比喻成高清领域的DV，它们在技术上有共同也有不同。标清DV的技术特点:减少色差取样(4:2:0)，帧内压缩，较窄的磁迹(10μm)。25MbPS码率是高质量原始数据166MbPS的约1/6。高清的HDV的技术特点:减少色差取样(4:2:0)，MPEG-2帧间压缩，同DV一样的磁迹(10μm)。25MbPS码率是高清原始数据(后面有计算方法)的约1/40。

　　在取样和记录相同的前提下，压缩承担了提高成倍效率的主要任务。HDV使用MPEG-2压缩实现了高得多的压缩比(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5MbPS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。

　　那么，我们是否可以更大胆地比喻，HDV与高质量标清谁好谁差哪?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?既然是不严格的命题，就无法用准确、科学的方式回答，但我们可以提出以下几个概念:

　　Ⅰ HDV所代表的原始信息比标清大得多，有2倍以上。

　　Ⅱ HDV的摄像机和编辑环境还不能达到高标准高清的水平。

　　Ⅲ 仅从信息效率角度，HDV肯定大于高档标清。

　　Ⅳ HDV目前还不能满足高级广播制作工艺的要求。

　　Ⅴ 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。

　　Ⅵ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。

　　HDV压缩方式与它的适用范围

　　HDV使用MPEG-2 IBP帧的压缩方式，这是专业录象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，那么现在市场上又有如此多的编辑硬件和软件声称自己能做MPEG-2 IBP帧的编辑，到底行不行哪?这里我来引用原中心电视台技术副台长林景云先生二年前在世界广播电视杂志上的文章中关于MPEG-2 IBP帧压缩的一段:

　　在电视节目制作中，编辑精度和多代复制的质量是用户关心的首要问题。在此基础上，希望码率尽量低。MPEG-2 IBP帧方式由于采用帧间压缩，大大降低了码率，已在传输、播出中获得了广泛应用，并为国际所公认。其优越性对于节目制作也具有极大的吸引力。然而，MPEG-2的研发目标本不是面向节目制作应用，而是面向传输、播出应用，若将MPEG-2 IBP方式用于节目制作，就会出现切换问题。这些年来，一些研究机构和厂商都在探求解决办法。目前大体有三种办法:

　　一是所谓的朴素方式，即将MPEG-2码流解码为基带信号，经切换或混合、特技处理后，再编码为MPEG流。此方法的缺点是经多次解/编码后，图像质量损失太大，据介绍，损失有可能高达5dB。

　　二是所谓的有限方式，即Sony用于Betacam SX数字录像机的IB帧方式。按本人的理解，此方式名副其实，但效果尚难尽如人意。

　　第三种姑且称之为保留"历史数据"方式，即将第一次编码时的一些主要参数随主信号送出，供以后再次或多次解码、再编码用，以减小质量劣化。据介绍，采用这种方式，多次解码、编码的质量损失可以降低到0.0002dB，几乎可以忽略不计。据悉，这种方案已进入实用阶段。

　　还有很多专家的建议限于篇幅不能例举，笔者有幸与林台长一起参加了中心电视台对5大数字压缩格式的测试，根据自己的经验谈几点体会。

　　1、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。比较公认的MPEG-2编码对标清图像(720×576，8bit量化)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20MbPS;

　　对4:2:2 MPEG-2 IB帧(SX方式)为30MbPS;

　　对4:2:2 MPEG-2 I帧为50MbPS;

　　对4:2:0 MPEG-2 IBP帧为15MbPS;

　　假如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12-14MbPS;

　　对4:2:0 MPEG-2 IBP帧为8-11MbPS。

　　可以看出，GOP越长，色差取样少，复制次数少，对码率要求就低。

　　2、HDV是使用4:2:0 MPEG-2 IBP帧编码方式，25MbPS编码，比刚刚提到的对标清图像8-11MbPS的编码显然高了，但相对于比DV原始数据大近4倍的HDV原数据来说，25MbPS一点也不高，尤其是HDV采用了6/12帧的GOP结构，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，先甩掉一部分不敏感的数据，如降低清楚度。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。

　　3、同样的MPEG-2压缩方法对不同制式的影响是不同的，MPEG-2对图像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，再可以引申为，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方式是比较实惠的。

　　4HDV究竟是高清，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，6/12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。假如编辑点过于密集，在一个GOP内有多个，则帧间的相关性很差，HDV压缩对图像的损失就很大。所以编辑的时候就应当注重，首先注重在什么文件环境下编辑，在MPEG-2IBP帧环境下，编辑尽量少;在下载为"中间"文件(当前HDV非编普遍采取的文件形式，AVI格式)环境下虽然可以做连续单帧的编辑，但要注重编辑后的节目以什么方式输出，假如输出到高档高清的录像机或以帧内压缩的文件输出，则没有明显的质量问题。假如是回到HDV格式或到其它MPEG-2IBP帧方式，对编辑点密集的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。

　　HDV的后期制作与周边环境

　　HDV录像机不具备进行线性编辑的基本条件，所以HDV没有编辑录像机。HDV的后期制作有其它的解决方案。

　　1解码下载到高档的高清编辑录像机再进行编辑，这种方法基本上保留了HDV的原始质量。这种方式要求HDV录像机具有HD-SDI信号的输出能力，目前所了解的HDV摄像机没有这种输出能力，寄希望于未来HDV的录像机了，或者是其它厂商的1394到HD-SDI转换器了。(最近的信息显示生产HDV的厂商都配套生产了有HD-SDI信号输出的录像机)

　　2HDV摄像机的信号接口有1394接口和下变换的Y/C和复合视频输出接口，有些摄像机具有模拟分量信号输出。当前的高档高清编辑录像机和非编系统都没有标配的模拟分量输入接口，所以摄像机的模拟分量输出只有到高清监视器的实际意义。目前，HDV到非编只有依靠1394接口，HDV摄像机磁带上的MPEG-2文件以TS流的形式下载到非编。非编通常把TS流转换成便于编辑的"中间"文件，从MPEG-2文件到"中间"文件的重要变化是从帧间压缩方式到帧内压缩方式，占用空间从25MbPS扩大到100MbPS以上，增加了约4倍。这样的"中间"文件的压缩水平是什么样的量呢?我们可以对比标准清楚度环境下的DV文件， 是5倍压缩;100MbPS的"中间"文件相对于HDV原始信号(467和553)也压缩了约5倍，假如考虑到HDV的高清信号进行了予压缩，压缩比可能小于5。所以，这样一个编辑平台比DV在标清的编辑平台略好。但不同的是，DV格式非编可以以DV文件的形式输出到磁带，对文件质量是无损的，而HDV非编的"中间"文件输出到HDV摄像机要经过再次的MPEG-2压缩到TS流，是有损的。所以，这样的转换不益多次进行。

　　HDV给我们带来的机会和挑战

　　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，这说明了什么哪?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楚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。收看的满足度受多种因素影响，清楚度只是一个方面，逐行扫描的应用，帧频的提高都是对收看满足度的提高，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，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。笔者有幸观看了中心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，好的监视器价格几十万元之巨。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200万(1920×1080)，在这个大范围中存在中间的状态和内容是很正常的。这里，既有制式所规定的因素，也有技术和价格上的因素。HDV正是这中间的某个部分，也是一个范围，它比标准清楚度电视规定的范围大大提高了。

　　由于数字电视的多样性特征，在高清领域出现比标清更多的数字格式是一点不希罕的。那么为什么选择了HDV呐?有DV的存在是最重要的一个原因，由于记录数据都是25MbPS，机芯的结构基本相同，减少了开发和生产的成本。HDV相比广播级高清，价格的差别是非常明显的，刚推出的机型的价格几乎和标清的DVCAM一样。HDV对DV向下兼容有利于从标清到高清的过渡。非编的发展是第二个原因，在传统编辑时代，根本无法想象如何对MPEG-2IBP帧方式文件进行编辑。计算机速度的提高使MPEG2 IBP帧方式编解码完全摆脱了依靠硬件的束缚，非线性无卡编辑已经成为现实。因为使用了MPEG2 IBP帧方式压缩，HDV庞大的数据量可以压缩到和DV文件同样大小，记录到同样的DV磁带上。1394接口成为HDV到非线性编辑的桥梁，数据流的传输对信号质量没有影响，保证节目传输质量。1394接口还可以搭载HDV文件到D-VHS录像机和兰光盘，作为节目保存和传播的媒介。

　　HDV作为低成本的高清，摄像机方面也与之同步，首先进入市场的是3×1/3寸CCD的手持摄像机，像素在130万左右。这个水平与标清的手持摄像机相比，像素有所提高，可以达到1280×720的水平，但对满足1920×1080还明显不足，即使是对应1440×1080略有差距。镜头方面，为避免增加太多的重量和价格，还没有应用真正的高清镜头，只是采用了16:9的规格。由于HDV摄像机的镜头和寻像器的体积较DV摄像机更大，当前手持HDV摄像机的体量还是偏大，完全不是一个掌中宝摄像机。在保证高清图像的前提下，HDV摄像机还有很多的上升空间，如采用真正高清规格的镜头，增加CCD的面积，提高像素达到200万左右水平等。这样的条件下，摄像机的体积和重量肯定会增加，预见 HDV摄像机会发展成一个产品系列，有手持的，更多是肩扛式的产品，技术规格也会相应提高，直到与高标准高清摄像机衔接。