DV(数字视频)格式是使用基于磁带的数字录像机,它基于IEC 61834(25Mbps码率)和更新的SMPTE 314M和370M规范(25,50或100Mbps码率)的。压缩算法既不使用M-JPEG(运动-JPEG)也不使用MPEG,虽然MPEG的I帧有共同的东西。一个专有的压缩算法被使用,由于它是一种帧内技术,所以可以被编辑。

数字化的视频在压缩前被存入内存。两个相关场存储到缓存中进行测量。如果相关行指示了场间运动,两场就独立压缩。通常整帧压缩。两种情况的任何一种都是用基于DCT的压缩。

为了达到固定的25,50或100Mbps码率,DV使用自适应量化,它对每帧使用适当的DCT量化表。

图11.1显示了在磁带上写一首曲目的内容。ITI扇区(插入和跟踪信息)包括了跟踪状态和服务位置信息,作为视频编辑期间的一个传统控制轨道。

音频扇区,如图11.2所示,包括了音频数据和辅助音频数据(AAUX)。

视频扇区,如图11.3所示,包括了视频数据和视频辅助数据(VAUX)。VAUX数据包括记录日期和时间,镜片光圈,快门速度,彩色平衡和其它照相设置。

图11.1在一个轨道上一个480i系统的扇区分布

不包括覆盖的边缘,每个轨道的总比特数是134,975(134,850)。每帧有10(12)个这种轨道。576i的参数(如果不同)在括号中表示。

子码扇区存储多种信息,包括时间码,图文,多种语言的隐藏式字幕,字幕和多种语言的卡拉OK歌词,标题,内容,章节表等等。子码扇区,AAUX数据和VAUX数据使用5-字节块数据叫做包。

第六章回顾了在IEEE1394(IEC 61883)上传输DV,它是数字摄像机的通用接口。这章回顾在SDTI(SMPTE 321M和322M)上传输DV,它瞄准的是专业视频环境。

图11.2一个音频扇区的同步块结构

音频

一个音频帧开始于第1行(480i系统)或中间行623(576i系统)的-50个采样点处的音频采样。

每个轨道包括9个音频同步块,每个音频同步块包括5字节的音频辅助数据(AAUX)和72字节的音频数据,如图11.2所示。音频采样被填充到轨道和数据同步块到一帧。剩下的5个音频同步块被用于纠错。

2个44.1-kHz,16-比特通道所需的数据速率大概1.64Mbps。4个32-kHz,12-比特的通道所需的数据速率大概是1.536Mbps。2个48-kHz,16-比特的通道所需的数据率大概是1.536Mbps。

图11.3一个视频扇区的同步块结构

IEC 61834

IEC 61834支持多种音频采样速率:

48kHz(16比特,2通道)

44.1kHz(16比特,2通道)

32kHz(16比特,2通道)

32kHz(12比特,4通道)

音频采样可以锁定或者不锁定视频帧频率。

音频数据在帧内处理。对于一个锁定的48kHz采样速率,每帧包括1600或1602个音频采样点(480i系统)或1920个音频采样点(576i系统)。对于480i系统,连续5帧序列的每帧音频采样点数据是:

16000,1602,1602,1602,1602,1600,…

对于一个锁定的32kHz采样速率,每帧包括1066或1068个音频采样点(480i系统)或1280个音频采样点(576i系统)。对于480i系统,连续5帧序列的每帧音频采样点数据是:

1066,1068,1068,1068,1068,1068,1068,1066,1068,1068,1068,1068,1068,1068,1068,…

对于非锁定的音频采样,虽然制订了最小和最大的值,但是每帧没有确切的音频采样点数。

SMPTE 314M

SMPTE 314M支持一个更多的限制选项,音频采样锁定视频帧频率:

48kHz(16比特,2通道)——对于25Mbps

48kHz(16比特,4通道)——对于50Mbps

音频数据在帧内处理。对于一个锁定的48kHz采样速率,每帧包括1600或1602个音频采样点(480i系统)或1920个音频采样点(576i系统)。对于480i系统,连续5帧序列的每帧音频采样点数据是:

16000,1602,1602,1602,1602,1600,…

音频容量能够480i系统每帧1620个采样点或576i系统每帧1944个采样点。每帧最后未使用的空间填充任意数据。

辅助音频数据(AAUX)

AAUX信息被加到音频数据填充部分,如图11.2所示。AAUX包包括1-字节的包头和4字节的数据(负载),组成一个5-字节的AAUX包。由于每帧中包括9个AAUX,所以它们的编号从0~8。一个AAUX源(AS)包和一个AAUX源控制(ASC)包必须包括在压缩流中。虽然IEC 61834支持许多其它的包格式,但是现在只有SMPTE 314M支持AS和ASC包。

AAUX源(AS)包

这种包的格式如表11.1所示。

LF         锁定音频采样速率:“0”= 锁定视频;“1”= 没有锁定视频

AF        音频帧尺寸。指示每帧中的音频采样数目

SM              立体声模式:“0”= 多声道立体声;“1”= 集中音频

PA        指定CHI1(CH3)的音频信号记录是否于CH2(CH4)的音频信号记录是否相关:“0”= 一对通道之一;“1”= 独立通道

IEC 61834

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

0

1

0

0

0

0

PC1

LF

1

AF

PC2

SM

CHN

PA

AM

PC3

1

ML

50/60

ST

PC4

EF

TC

SMP

QU

STM 314M

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

0

1

0

0

0

0

PC1

LF

1

AF

PC2

SM

CHN

1

AM

PC3

1

1

50/60

ST

PC4

1

1

SMP

QU

表11.1    AAUX源(AS)包

CHN     一个音频块中音频声道数目:“00”= 每块一个声道;“01”= 每块两个声道;“10”= 保留;“11”= 保留

AM       指定每个声道中音频信号的内容

ML       多语言标志:“0”= 记录多种语言;“1”= 没有记录多种语言

50/60    50-或59.94-Hz视频系统:“0”= 59.94-Hz场系统;“1”= 50-Hz场系统

ST         对于SMPTE 314M,它指定每帧中的音频块数目:

“00000”= 2个音频块

“00001”= 保留

“00010”= 4个音频块

“00011”“11111”= 保留

对于IEC 61834,它指定视频系统:

“00000”= 标准清晰度

“00001”= 保留

“00010”= 高清晰度

“00011”“11111”= 保留

EF         音频加重标志:“0”= 开启;“1”= 关闭

TC        加重时间常数:“1”= 50/60μs;“0”= 保留

SMP     音频采样频率:“000”= 48kHz;“001”= 44.1kHz;“010”= 32kHz;“011”~“111”= 保留

QU              音频量化:“000”= 16比特线性;“001”= 12比特非线性;“010”= 20比特线性;“011”~“111”= 保留

AAUX源控制(ASC)包

这种包的格式如表11.2所示。

IEC 61834

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

0

1

0

0

0

1

PC1

CGMS

ISR

CMP

SS

PC2

REC S

REC E

REC M

ICH

PC3

DRF

SPD

PC4

1EF

GEN

SMPTE 314M

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

0

1

0

0

0

1

PC1

CGMS

1

1

1

1

EFC

PC2

REC S

REC E

FADE S

FADE E

1

1

1

1

PC3

DRF

SPD

PC4

1

1

1

1

1

1

1

1

表11.1    AAUX源控制(ASC)包

CGMS  拷贝生成管理系统:“00”= 允许无限制地拷贝;“01”= 保留;“10”= 允许拷贝一次;“11”= 不允许拷贝

ISR       前级输入源:“00”= 模拟输入;“01”= 数字输入;“10”= 保留;“11”= 无信息

CMP     压缩的次数:“00”= 1次;“01”= 2次;“10”= 3或更多次;“10”= 无信息

SS         源和记录的环境:“00”= 加扰源,观众受限和记录不解扰;“01”= 加扰源,没有观众受限和记录解扰;“10”= 观众受限的源或观众解扰源;“11”= 无信息

EFC      音频加重标志:“00”= 加重关闭;“01”= 加重开启;“10”= 保留;“11”= 保留

REC S  记录开始点:“0”= 在记录开始点;“1”= 不在记录开始点

REC E  记录结束点:“0”= 在记录结束点;“1”= 不在记录结束点

REC M 记录模式

“001” = 原始

“011”= 1CH插入

“100”= 4CHs插入

“101”= 2CHs插入

“111”= 无效记录

PADE S       录制开始点衰落:“0”= 衰落关闭;“1”= 衰落开启

PADE S       录制结束点衰落:“0”= 衰落关闭;“1”= 衰落开启

ICH      插入音频通道

“000”= CH1

“001”= CH2

“010”= CH3

“011”= CH4

“100”= CH1,CH2

“101”= CH3,CH4

“110”= CH1,CH2,CH3,CH4

“111”= 无信息

DRF      方向标志:“0”= 后向;“1”= “前向”

SP         回放速度。这定义了一个3-比特的粗调值和一个4-比特的微调值。对于普通记录,它被设置为“0100000”。

GEN     指示音频源的分类

视频

如表11.3所示,IEC 61834对于720×480i视频使用4:1:1 YCbCr(图3.5),对于720×576i使用4:2:0 YCbCr。

SMPTE 314M对于两种25Mbps视频标准的实现都使用4:1:1YCbCr。50Mbps和100Mbps视频标准的实现都使用4:2:2YCbCr。

参数

480i系统

576i系统

有效分辨率(Y)

720×480i

720×576i

帧刷新率

29.97Hz

25Hz

YCbCr采样结构

IEC 61834

SMPTE 314M

4:1:1

4:1:1,4:2:2

4:2:0

4:1:1,4:2:2

YCbCr编码格式

均匀PCM量化,每采样点8比特

有效行数目

23~262,285~524

23~310,355~622

表11.3    IEC 61834和SMPTE 314MYCbCr参数

注意:有效行数目和那些MPGE使用的略有不同

DCT块

一帧中的Y,Cb和Cr采样点被分成8×8的块,叫做DCT块。除了4:1:1模式中最右边的Cb和Cr DCT块之外,每个DCT块8采样×8行的视频数据。DCT块的行1,3,5,和7处理场1,而行0,2,4和6处理场2。

对于480i系统,每帧视频有10,800(4:2:2)或8,100(4:1:1)个DCT块。

对于576i系统,每帧视频有12,960(4:2:2)或9,720(4:1:1,4:2:0)个DCT块。

宏块

如图11.4所示,在4:2:2模式中,每个宏块包含4个DCT块。如图11.5和图11.6,在4:1:1和4:2:0模式中,每个宏块包含6个DCT块。

对于480i系统,一个4:1:1和4:2:2YCbCr帧的宏块分布分别如图11.7和11.8所示。每帧有2,700(4:2:2)或1,350(4:1:1)个宏块。

对于576i系统,一个4:2:0,4:1:1和4:2:2YCbCr帧的宏块分布分别如图11.9,11.10和11.11所示。每帧有3,240(4:2:2)或1,620(4:1:1,4:2:0)个宏块。

图11.4    4:2:2宏块分布

超级块

每个超级块包括27个宏块。

对于480i系统,对于一个4:1:1和4:2:2YCbCr数据的帧的超级块分布分别如图11.7和11.8所示。每帧有100(4:2:2)或50(4:1:1)个超级块。

对于480i系统,对于一个4:2:0,4:1:1和4:2:2YCbCr数据的帧的超级块分布分别如图11.9,11.10和11.11所示。每帧有120(4:2:2)或60(4:1:1,4:2:0)个超级块。

图11.5    4:1:1宏块分布

图11.6    4:2:0宏块分布

压缩

跟MPEG和H.263一样,DV使用基于DCT的视频压缩。然而,在这种情况下,DCT块有两场组成,每场提供4个扫描行和8个水平采样点。

对于传输处理,可用两种DCT模式,叫做8-8-DCT和2-4-8-DCT,它取决于一个视频帧两场之间内容的变化程度。8-8-DCT是普通的8×8DCT,当两场之间有高程度的相关性时(小的运动)被使用。2-4-8-DCT使用两个4×8DCTs(每场一个),当两场之间有低程度的相关性时(多的运动)被使用。使用哪种DCT由存储于DCT系数区域的一个比特来标志。

DCT系数悲凉化成9比特,然后再处以一个量化数,以限制一个视频段的数据的量到5个压缩宏块。

每个DCT块基于量化噪声和AC系数的绝对值分类到4个类中的一类。2比特的分类码存储在DC系数区域。

一个区域吗被用于量化步长的选择。区域号码,其中有4种,是基于水平和垂直频率的。

量化步长有类号码,区域号码和量化号码(QNO)决定。量化信息通过视频块中的DIF头。

可变长编码将AC系数转换成可变长的码字。

图11.12和11.13显示了压缩宏块的分布。

图11.7超级块和宏块之间的关系(4:1:1YCbCr,720×480i)

图11.8超级块和宏块之间的关系(4:2:2YCbCr,720×480i)

图11.9超级块和宏块之间的关系(4:2:0YCbCr,720×576i)

图11.10超级块和宏块之间的关系(4:1:1YCbCr,720×576i)

图11.11超级块和宏块之间的关系(4:2:2YCbCr,720×576i)

图11.12  4:2:2压缩宏块的分布

图11.13  4:2:0和4:1:1压缩宏块的分布

视频辅助数据(VAUX)

VAUX信息被加到视频填充数据如图11.3所示。VAUX包包括1-字节的包头和4字节的数据(负载),组成一个5-字节的VAUX包。由于每个视频帧有45个这种数据包,所以它们从0~44编号。一个VAUX源(VS)包和一个VAUX源控制(VSC)包必须包含在压缩的视频流中。虽然IEC 61834支持许多其它的包格式,但是现在只有SMPTE 314M支持VS和VSC包。

VAUX源(VS)包

这种报格式如表11.4所示。

TVCH   电视频道的编号,从0~999。一个EEEH的值是为预录磁带或一行输入保留的。一个FFFH的值是为“无信息”保留的。

B/W      黑和白标志:“0”= 黑白视频;“1”= 彩色视频

EN        CLF有效标志:“0”= CLF有效;“1”= CLF无效

CLF      彩色帧标识码

对于480i系统:

“00”= 彩色帧A

“01”= 彩色帧B

“10”= 保留

“11”= 保留

对于576i系统:

“00”= 第1,2场

“01”= 第3,4场

“10”= 第5,6场

“11”= 第7,8场

SRC      定义视频信号的输入源

50/60    和AAUX中的一样

ST         和AAUX中的一样

TUN     高频头分类,包括3-比特的区域序号和5-比特的卫星序号。“11111111”指示没有信息可用。

VISC

“10001000”= -180

“00000000”= 0

“01111000”= 180

“01111111”= 无信息

其它值 = 保留

IEC 61834

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

1

0

0

0

0

0

PC1

TVCH(十位单位,0~9)

TVCH(个位单位,0~9)

PC2

B/W

EN

CLF

TVCH(百位单位,0~9)

PC3

SRC

50/60

ST

PC4

TUN

SMPTE 314M

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

1

0

0

0

0

0

PC1

1

1

1

1

1

1

1

1

PC2

B/W

EN

CLF

1

1

1

1

PC3

1

1

50/60

ST

PC4

VISC

表11.4    VAUX源(VS)包

VAUX源控制(VSC)包

这种包的格式如表11.5所示。

CGMS  和AAUX中的一样

ISR       和AAUX中的一样

CMP     和AAUX中的一样

SS         和AAUX中的一样

RES S   和AAUX中的一样

RES M  和AAUX中的一样

BCS      广播系统。和DISP一起指示信息类型的显示格式

“00”= 类型0(IEC 61880,EIA-608)

“01”= 类型1(ETS 300 294)

“10”= 保留

“11”= 保留

DISP     长宽比信息

FF         帧/场标志。指示一帧周期内两场是否按顺序输出或者只输出其中一场两次

“0”= 一场输出两次

“1”= 两场按顺序输出

FS         第1/2标志。指示在第一场周期中应该输出哪一场。

“0”= 场2

“1”= 场1

FC        帧改变标志。指示当前帧是否和它之前的一帧相同。

“0”= 相同的图像

“1”= 不同的图像

IEC 61834

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

1

0

0

0

0

1

PC1

CGMS

ISR

CMP

SS

PC2

REC S

1

REC M

1

DISP

PC3

FF

FS

FC

IL

SF

SC

BCS

PC4

1

GEN

SMPTE 314M

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PC0

0

1

1

0

0

0

0

1

PC1

CGMS

1

1

1

1

1

1

PC2

1

1

0

0

1

DISP

PC3

FF

FS

FC

IL

1

1

0

0

PC4

1

1

1

1

1

1

1

1

表11.5    VAUX源控制(VSC)包

IL          隔行标志。指示构成一帧的两场是隔行的或者是非隔行的。

“0”= 非隔行

“1”= 隔行或未配置

SF         静止场图像标志。指示一帧中两个场之间的时间差。

“0”= 0秒

“1”= 1.001/60或1/50秒

SC        静止照相图像标志

“0”= 静止照相图片

“1”= 非静止照相图片

GEN     指示视频源的类别。

数字接口

IEC 61834和SMPTE 314M都指定了通用数字接口的数据格式。例如,这种数据格式可以在IEEE 1394或SDTI接口上发送。图11.14显示了帧数据结构。

每个720×480i 4:1:1 YCbCr帧压缩到103,950个字节。包括头和音频流增加的数据量为120,000个字节。

压缩的720×480i帧被分成10个DIF(帧内数据)序列。每个DIF序列包括150个DIF包,每包80字节,使用如下:

135个DIF块用于视频

9个DIF块用于音频

6个DIF块用于头,子码和视频辅助(VAUX)信息

图11.14显示了DIF序列的详细结构。每个视频DIF块包括80字节压缩的宏块数据:

3字节用于DIF块ID信息

1字节用于头,包括量化序号(QNO)和块状态(STA)

每个Y0,Y1,Y2,Y3各14字节

每个Cb和CbCr各10字节。

720×576i帧可以使用4:2:0YCbCr格式(IEC 61834)或4:1:1YCbCr格式(SMPTE 314M),需要12个DIF序列。每个720×576i帧压缩到124,740个字节。包括头和音频流增加的数据量为144,000个字节,需要300个包用于传输。

注意,由于数字传输不需要纠错,所以接口上的传输数据组织不同于显示应用的DV记录格式。此外,虽然在图11.15中视频块按编号的顺序排列,但是视频数据没有对应从左到右,从上到下的发送块。压缩的宏块被填充以减少误差响应和帮助隐藏错误。数据以相同的填充顺序记录传输。

为了表示视频数据填充,DV帧被组织成超级块,每个超级块融合27个压缩的宏块,如图11.7~11.11所示。一个5个超级块的组(一个超级块的列)组成一个DIF序列。表11.6和表11.7显示了DIF块的传输顺序。

图11.14  25Mbps 4:1:1 YCbCr 720×480i系统的块格式

图11.15详细的DIF序列

对于50Mbps的SMPTE 314M格式,每个720×480i或720×576i帧被分成两个通道。每个通道使用或者10个(480i系统)或者12个(576i系统)DIF序列。

DIF序列编号

视频DIF块编号

压缩的宏块

DIF序列编号

视频DIF块编号

压缩的宏块

超块编号

宏块编号

超块编号

宏块编号

0

0

2,2

0

1

6,1

0

n-1

0

1,2

0

2

8,3

0

1

5,1

0

3

0,0

0

2

7,3

0

4

4,4

0

3

n-1,0

0

4

3,4

0

133

0,0

26

134

4,4

26

133

n-1,0

26

1

0

3,2

0

134

3,4

26

1

7,1

0

2

9,3

0

3

1,0

0

4

5,4

0

133

1,0

26

134

5,4

26

注:1.对于480i系统n = 10,对于576i系统n = 12。

表11.6    25Mbps(4:1:1或4:2:0 YCbCr)的视频DIF块和压缩宏块

DIF序列编号

视频DIF块编号

压缩的宏块

DIF序列编号

视频DIF块编号

压缩的宏块

超块编号

宏块编号

超块编号

宏块编号

0

0,0

4,2

0

0,1

5,2

0

n-1

0,0

2,2

0

1,0

12,1

0

0,1

3,2

0

1,1

13,1

0

1,0

10,1

0

2,0

16,3

0

1,1

11,1

0

2,0

14,3

0

134,0

8,4

26

134,1

9,4

26

134,0

6,4

26

1

0,0

6,2

0

134,1

7,4

26

0,1

7,2

0

1,0

14,1

0

1,1

15,1

0

2,0

18,3

0

134,0

10,4

26

134,1

11,4

26

注:1.对于480i系统n = 10,对于576i系统n = 12。

表11.7    50Mbps(4:2:2 YCbCr)的视频DIF块和压缩宏块

IEEE 1394

使用IEEE 1394接口传送DV信息已经在第6章中讨论过了。

STDI

SDTI的基本概念已经在第6章中讨论过了。

SMPTE 314M数据

SMPTE 221M详细描述了SMPTE 314M DV数据在SDTI上的传输。图11.6显示了它的基本实现。

IEC 61834数据

SMPTE 222M详细描述了IEC 61834 DV数据在SDTI上的传输。

图11.16使用SDTI传输DV数据

100Mbps DV的差异

100Mbps SMPTE 370M格式支持1920×1080i和1280×720p源。

1920×1080i30和1920×1080i25源分别被缩放到1280×1080i30和1440×1080i25。1280×720p60源被缩放到960×720p60。使用4:2:2YCbCr采样。

每个压缩的帧被分到4个通道,每个通道或者使用10个(1080i30或720p60)或12个(1080i25)DIF序列。

参考资料

1. IEC 61834–1, Recording—Helical-scan digital video cassette recording system using 6.35mm magnetic tape for consumer use (525-60, 625-50, 1125-60 and 1250-50 systems)–Part 1: General specifications.

2. IEC  61834–2, Recording—Helical-scan digital video cassette recording system using 6.35mm magnetic tape for consumer use (525-60, 625-50, 1125-60 and 1250-50 systems)–Part 2: SD format for 525-60 and 625-50 systems.

3. IEC 61834–4, Recording—Helical-scan digital video cassette recording system using 6.35mm magnetic tape for consumer use (525-60, 625-50, 1125-60 and 1250-50 systems)–Part 4: Pack header table and contents.

4. SMPTE 314M–1999, Television—Data Structure for DV-Based Audio, Data and Compressed Video–25 and 50 Mbps.

5. SMPTE  370M–2002, Television—Data Structure for DV-Based Audio, Data and Compressed Video at 100 Mb/s 1080/60i, 1080/50i, 720-60p.

6. SMPTE 321M–2002, Television—Data Stream Format for the Exchange of DV-Based Audio, Data and Compressed Video Over a Serial Data Transport Interface.

7. SMPTE 322M–1999, Television—Format for Transmission of DV Compressed Video, Audio and Data Over a Serial Data Transport Interface.

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