主要的视频格式简介:

数字视频格式的分类是一个较易混淆的问题,根据划分的标准不同,可得到不同的分类方法。

比如,从使用阶段来划分,可将众多格式划分为记录、制作、发行以及放映格式等;

从是否压缩来划分,可分为压缩格式与非压缩格式;

从用途来划分,可分为互联网、电视广播系统以及具有更高分辨率和更高画质的电影所使用的视频格式;

从存储介质划分,又可分为磁带格式、硬盘格式等。

(以SONY HDCAM为例,按照使用阶段来划分,HDCAM属于一种记录格式;按照是否压缩来划分,HDCAM属于压缩类型;按照用途来划分,HDCAM更多使用于高清电视系统,在数年前也被广泛应用于数字电影的拍摄;从存储介质划分,HDCAM属于一种磁带记录格式。)

接下来,我们将对各主要视频格式进行简要介绍:

一、国际电信联盟定义的视频标准

1、Rec.601

Rec.601制定于1982年,是ITU-R Recommendation BT.601的缩写,有时也写做BT.601或CCIR601,最初是国际电信联盟的无线电通信部(InternationalTelecommunication Union – Radiocommunications sector)为了对模拟隔行扫描视频信号,进行数字视频编码而专门制定的,所以可将该标准理解为 关于标准清晰度的数字视频标准。

该标准规定了525/60i和625/50i的采样方法,即每行均对亮度采用720个采样点,同时对两个色度分量(Cb和Cr)采用360个采样点,即我们通常所说的YCbCr4:2:2方式。对于同一行中两个相邻像素,亮度及色度信息以Y : Cb : Y : Cr的顺序排列。

Rec.601是模拟标清分量视频的数字编码标准,该标准同时也规定了水平与垂直同步信号以及消隐等相关内容。不论采用何种行数及场频,其亮度采样频率恒为13.5MHz。亮度采样的量化位深最低为8比特,色度采样的量化位深最低为4比特。

最初制定的Rec.601仅对并行传输接口进行了定义,串行传输标准是在之后添加进来的。Rec.601中的8比特串行格式,曾经使用于D1数字录像带,9比特和10比特格式则被用于更远距离的传输。10比特串行数字接口(之后被SMPTE采纳,成为SMPTE 259M)是最常用的一种格式,被大多数标清数字专业设备所采纳,成为行业内的一项重要标准。此格式最早被D5数字录像带所使用,码率为270兆比特/秒。

Ree.601的8比特版本具有165.9兆比特/秒的码率,亮度信号的码值从16到235为有效范围,小于16为黑,大于235为白,而0至255只被同步信号使用。

Rec.601的像素排列结构 及 亮度与色度的排列方式被众多其他标准所采纳,比如MPEG等。

2、Rec.709

Rec.709是ITU-R Rercommendation BT.709的缩写,也写作BT.709。Rec.709是最通用的一种高清数字视频标准,画面宽高比为16:9。该标准被绝大多数专业视频设备制造厂家所接受,其最初的版本发布于1990年。

Rec.709主要规定了以下一些内容:

①Rec.709所规定的视频画面像素数目约为200万个。

不论以隔行还是逐行方式扫描,其总行数均为1080行。实际上Rec.709也包含1035和1152行的定义,但是在实践中被绝大多数使用者所放弃。

②Rec.709所定义的像素宽高比为 1:1,即正方形。

为了将1080行的高清标准统一起来,Rec.709对通用图像格式(common image format,简称CIF)做了定义,将每一帧画面的参数与视频影像的帧速率及扫描方式分离,不论视频影像以何种方式扫描以及具有何种帧速率,其每一帧画面的行数及总像素数目都是一致的。

③Rec.709定义了以下几种帧速率:

60Hz、50Hz、30Hz、25Hz和24Hz,以及这些帧速率所对应的59.94Hz、29.97Hz、24.98Hz,后者与前者相差千分之一。

在视频的获取阶段,可以采用逐行或者隔行的扫描方式。在视频的传输阶段,以逐行扫描方式获得的视频影像可以用逐行方式传输,也可以用逐行分段帧(progressivesegmented frame,简称PsF)方式传输,前提是场频必须是帧频的两倍。以隔行扫描方式获得的视频影像可以用隔行的方式进行传输。

与Rec.601一样,Rec.709也具有8比特和10比特两种形式的量化位深。8比特形式一般用于民用领域,而10比特形式更多是被专业设备所使用。

Ree.709所定义的色彩空间已经被各类视频格式广泛采纳,所以它是一项非常重要的定义。Rec.709规定的白点、纯色红、纯色绿以及 纯色蓝 的 色度值 见下↓表:

Rec.709基色色度值

这里需要注意的是,Rec.709所定义的白点和红绿蓝三色值与sRGB相同,它们的伽马值均为2.2,其中白点的色温为D65。

二、数字视频记录格式

1、Digital Betacam

Digital Betacam也写为DigiBeta或D-Beta,由索尼公司于1993年发布,是专业数字标清视频制作过程中 使用的主要记录格式。Digital Betacam是模拟格式Betacam的数字版本。Digital Betacam磁带的时长从40分钟到124分钟不等。

Digital Betacam在记录时采用为DCT(离散余弦变换)压缩算法、720×480(NTSC制)或720×576(PAL制)分辨率以及分量方式,每通道的量化位深均为10比特,采样比为4:2:2。其视频码率为90Mbit/s。

Digital Betacam具有4路数字声轨,采用无压缩PCM编码,采样频率为48kHz,量化深度为20比特。同时还提供一条模拟声轨和专用时码磁迹。

Digital Betacam得以迅速广泛应用的一个重要原因是,它所使用的视频缆线与原有模拟系统兼容,这一点对专业制作机构非常重要,演播室或后期制作部门在从模拟设备升级到Digital Betacam的过程中并不需要重新布线,原有同轴缆线网络完全可以使用,省去了很多工作。

2、DV

DV是民用领域曾经被广泛使用的一种标清数字视频格式。由于采用帧内压缩的算法,所以这种格式比较便于剪辑。DV采用DCT对每一场进行单独压缩,其音频是非压缩的。

DV格式基本上遵循Rec.601标准,扫描方式为隔行扫描。其亮度信息采样频率为13.5MHz,帧速率采用60i和50i两种形式,如果是60i,每一帧画面的实际有效行数为480,如果是50i,其有效行数为576,以上两种帧速率及其对应的水平行数,实际上就是模拟NTSC制与PAL制的数字版本。不论采用哪一种制式,其每一行内的水平亮度采样数目均为720。

DV同时支持4:3和16:9的画面宽高比,不同的画面宽高比需要由不同的像素宽高比来实现。

PAL制DV采用4:2:0的色彩采样方式,而NTSC制DV采用4:1:1的色彩采样方式。

理论上,4:2:0采样方式的色彩分辨率在水平方向与垂直方向上更加均衡。较低的色彩采样率造成对影像进行抠像处理时会经常出现错误,当然也不乏大量成功抠像的例子。

DV支持以下几种音频格式:

2路16bit/48kHz PCM编码,每路带宽768kbit/s;

4路12bit/32kHz PCM编码,每路带宽384kbit/s;

2路16bit/44.1kHz PCM音频编码,每路带宽706kbit/s。

在实际生产过程中,最常使用的是48kHz的立体声轨。

3、DVCPR(D7)

DVCPRO也称作DVCPRO25,其中25表示25Mbit/s的码率,这一码率与DV基本相同。该格式是松下公司于1995年提出的,其目的主要是与索尼等公司的DV格式争夺市场份额。

DVCPRO是一种数字标清视频格式,也支持50i与60i两种场频,但是松下选择的色彩采样方式只有4:1:1一种,虽然普遍认为4:1:1采样方式的色彩水平分辨率是垂直分辨率的四分之一,造成了两个方向上色彩分辨率的不均衡,但是有研究表明,4:2:0采样所使用的滤波方式更容易造成视觉上的瑕疵。

同时,4:2:0采样方式经过反复录制压缩后,其衰减也要大于4:1:1。这里值得注意的是,采用数字技术的录制过程并没有对视频影像本身造成任何损失,但是反复编码压缩会对影像造成不可挽回的严重损失。

4、DVCPRO50

DVCPRO50是DVCPRO的专业版本,由松下公司于1997年发布,其码率是DVCPRO的两倍,与DVCPRO使用相同的磁带,但是录制时长是DVCPRO的一半。

DVCPRO50将色彩采样提高到4:2:2这一专业级别,同时,其压缩比 由DVCPRO的5:1提高到3.3:1。

DVCPRO50的质量与索尼的Digital Betacam相当,属于标清级别的专业格式,曾经被大量电视节目所采用,(如2005年由BBC制作的纪录片《太空竞赛》(Space Race)就使用了DVCPRO50格式)。

5、DVCPRO100

DVCPRO100也写作DVCPRO HD,是松下的高清专业级格式,其最高码率是DVCPRO的4倍,是DVCPRO50的2倍。

DVCPRO100的码率取决于帧速率,在24p的情况下,其最低码率是40Mbit/s,在50/60p的情况下,达到最高100Mbit/s的码率。同样,其色彩采样方式为4:2:2。

在记录时,DVCPRO100的分辨率低于Rec.709标准,即没有达到真正意义上的高清标准。

在逐行扫描模式下,其实际分辨率是960×720;在60i情况下,其分辨率是1280×1080。为了与HD-SDI接口兼容,DVCPRO100在回放时将分辨率上变换到1920×1080的高清分辨率。

DVCPRO100可支持从4p到60p的不同帧速率。同时,DVCPRO系列具有向下兼容性,既支持DVCPRO100的设备也可以兼容DVCPRO50和DVCPRO格式。

DVCPRO100除了可以记录在磁带上,也可以记录于P2闪存。DVCPRO100格式最有力的竞争对手是索尼公司的具有更高码率的HDCAM。

6、HDV

HDV格式是将高清数字视频存储于原有标清DV磁带上的一种过渡格式,被索尼、佳能、JVC和夏普四家公司所采用,曾于本世纪初占领了大量市场份额。

其主要特点是成本低,凭借较低的设备成本和远优于DV的影像质量,在民用领域得到广泛认可。

HDV的码率与DV码率基本相同,采用的是相对效率较高的MPEG2压缩算法。

HDV主要分为两个类型: HDV720p和HDV1080i。前者又称为HDV1,被JVC采用,后者又称为HDV2,主要被索尼采用。

7、AVC–Intra

AVC-Intra是除DVCPRO系列之外松下推出的又一视频格式系列。松下于2007年宣布支持AVC-Intra格式。

该格式采用H.264/MPEG-4AVC帧内压缩编码。AVC-Intra格式视频可以存储于松下的P2系列固态存储卡,同时也支持其他的存储形式。

由于采用了较先进的压缩算法,在相同码率情况下,AVC-Intra格式的影像质量明显高于DVCPOR100及其他同级别格式。特别是它采用了更便于编辑的帧内压缩算法,而且众多后期设备生产厂家也支持该格式,所以AVC-Intra不仅仅被用作一种记录格式,也被广泛应用于后期制作阶段。

AVC-Intra具有: AVC-Intra 50、AVC-Intra 100以及AVC-Intra Ultra三种类型。

AVC-Intra 50的码率为50Mbit/s,AVC-Intra100的码率为100Mbit/s, AVC-Intra Ultra的最高码率可达到440Mbit。

8、DNxHD

DNxHD是Avid公司推出的一种视频格式,在Avid公司的各类后期制作软件中被广泛应用。DNxHD具有220Mbit/s、145Mbit/s和36Mbit/s三种类型。

9、HDCAM(D11)

HDCAM由索尼公司于1997年发布,可以将其视为Digital Betacam的高清版本。

HDCAM的量化位深为8比特,采用了非常独特的3:1:1采样比。

在一行中,其亮度采样数目为1440,而两个色彩分量Cb、Cr的采样数目为480。在回放时,将其分辨率上变换到1920×1080的标准。

由于采用了更高的码率,其压缩比为4.4:1,小于DVCPRO100的6.7:1。为了兼容电影拍摄,HDCAM增加了24p和23.976PsF两种形式的帧速率。其视频码率恒为144Mbit/s,音频采用4路20bit/48kHz数字声轨。HDCAM在市场上取得了巨大成功,一度成为高清视频领域的最主要格式。

10、HDCAM SR(D16)

HDCAM SR由索尼公司于2003年推出,复合SMPTE 409M标准。

HDCAM SR磁带的密度更大,能够达到600Mbit/s的高码率,其中视频码率为440Mbit/s。HDCAM SR量化位深为10比特,色彩采样支持4:2:2和4:4:4两种方式。采用4:2:2方式时,HDCAM SR视频压缩比为2.78:1;采用4:4:4方式时,其压缩比为4.2:1。HDCAMSR的压缩编码采用更新的MPEG4。

由于存储带宽较高,HDCAM SR使得索尼在专业产品中首次实现真正意义上的1920×1080高清分辨率。具有HQ模式的HDCAM SR录像机可以实现高达880Mbit/s的带宽,从而能够录制两路4:2:2的全高清视频影像。

在固态硬盘和闪存等半导体存储系统还未广泛使用之前,HDCAM SR录像机是拍摄高清3D影片的主要设备。HDCAM SR具有12路48kHz/24bit非压缩数字声轨。

11、D5 HD

D5 HD是松下公司推出的视频格式,符合SMPTE D5标准,并且采用了相同的名称。松下推出D5 HD的主要目的是与索尼公司的HDCAM SR分享高端市场。

D5 HD采用M-JPEG帧内压缩算法,视频压缩比为4:1。在采用60p和59.94p的帧速率时,其水平扫描行数为720,采用24p、25p和30p时,其水平扫描行数为1080。

D5 HD可支持4路48kHz/24bitPCM音轨或8路48kHz/20bit音轨。对于不同的扫描方式及帧速率,D5HD具有不同的码率,最高可达223Mbit/s。

由于松下推出的数字摄影机主要采用DVCPRO100或P2等格式,截至2010年,还没有一台数字摄影机可以直接拍摄D5 HD格式。D5 HD格式主要应用于电影或电视后期制作领域,在胶转磁及数字母版制作等领域被大量使用。

2007年松下专门为DS HD录像机提供了一种附件(型号为AJ-HDP2000),该附件使D5 HD录像机录制2K(4:4:4)分辨电影画面成为可能,其压缩编码为JPEG2000。

12、RroRes

ProRes是苹果公司推出的一种同时适用于高清和标清的视频编码格式,推出之始将其定位于一种后期制作格式,也是苹果Final Cut Studio家族的制作格式。ProRes的压缩编码基于离散余弦变换,与较先进的H.264等编码相比,在解码过程中占用的资源更少。

ProRes家族分为ProRes422和ProRes444两种主要类型,每种类型的码率都根据其分辨率、帧速率及压缩质量而不同,下图↓所示为,ProRes422的码率表:

ProRes422码率表

13、DCI

数字电影倡导组织(DCI)于2005年发布了“数字影院系统规范1.0版”(digitalcinema system specification, version 1.0),简称为“DCI规范”。“DCI规范”详细制定了所有与数字影院系统相关的设备规范及技术标准。

该组织于2007年和2008年先后发布了“DCI规范1.1版”和“DCI规范1.2版”。从1.1版本开始,“DCI规范”开始对3D(立体)数字电影放映技术制定详细的标准。所有版本的“DCI规范”均可以从http://www.dcimovie.com网站下载。

基于SMPTE和ISO标准,“DCI规范”采用JPEG2000技术对图像进行压缩。“DCI规范”详细描述了从数字电影发行母版(digital cinema distribution master,简称DCDM)到数字电影包(digital cinema package,简称DCP)的全部制作流程规范以及版权保护等内容。

“DCI规范”同时也对数字电影放映制定了详尽的标准,比如 影院环境光强度、银幕亮度、白光色温、银幕宽高比及像素宽高比等内容。“DCI规范”中并没有制定影像、声音数据以及其他信息,以何种形式存在于数字拷贝中,这一部分内容需要参照SMPTE中的数字影院相关标准。

“DCI”规范技术标准摘要如下:

①2D影像:

2048×1080(2k)/24 fps

或48 fps, 4096×2160(4k)/24 fps

2.39:1银幕宽高比时的图像分辨率为2048×858(2k)

1.85:1银幕宽高比时的图像分辨率为1998×1080(2k)

2.39:1银幕宽高比时的图像分辨率为4096×1716(4K)

1.85:1银幕宽高比时的图像分辨率为3996×2160(4k)

量化位深为12比特,传输接口为双路HD-SDI,传输过程中进行加密,当帧速率为48fps时量化位深可以降低为10比特,采用CIE XYZ色彩空间。

以TIFF6.0格式封装(每帧画面以独立文件方式封装),JPEG 2000压缩。

4.71比特/像素(2K/24fps时)

2.35 比特/像素(2K/48fps时)

1.17比特/像素(4K/24fps时)

最高码率250 Mbit/s

②立体3D影像:

双眼2048×1080(2K)/48fps(不支持3D4K)

2.39:1银幕宽高比时的图像分辨率为2048×858(2k)

1.85:1银幕宽高比时的图像分辨率为1998×1080(2k)

在仅以HD-SD1为传输接口时,单眼影像量化位深为10比特,采样方式采用4:2:2。

③声音:

24 bit/48kHz或24bit/96kHz

最高支持16路声轨

采用WAV封装,采用无压缩PCM编码

三、视频文件的封装

视频数据必须以某种具体的文件格式储存。文件格式规定了视频影像数据以及其他元数据(metadata)存储时的结构,也称为封装器(container),视频数据流转换为特定格式文件的过程称为封装。

这里需要特别注意的是,封装过程并不是压缩编码过程,封装器本身并没有对视频影像进行压缩。有时,同一种封装器可以对不同压缩编码的视频影像进行封装,同一种压缩编码的视频影像 也可以以不同格式的文件存储。

例如,AVI格式是微软公司发布的一种非常流行的封装器,可以封装以MPEG、MPEG4、M-JPEC、Cinepk和Real Time等形式进行压缩编码的视频文件,甚至还可以封装无压缩视频文件。

一个可以读取AVI视频文件的视频播放器并不一定能够播放所有合法AVI视频文件,因为该播放器不一定具有全部解码器(decoder)。

广义上的封装器可以将不同形式的数据以特定的结构存储下来。视频封装器则可将视频数据、音频数据、字幕信息、时码信息、同步信息以及各类元数据等以特定的结构存储下来。多数情况下,封装器的文件头(header)存储了各类元数据及同步信息。封装器的功能越强,其文件头的内容也就越丰富。

以下是部分主流视频封装器分类及简介:

①静态图像封装器:

TIFF:标签图像文件格式(tagged image file format),对静态图像及合法元数据进行封装,文件后缀为tif或tiff。

②多媒体封装器:

AVI:微软视窗操作系统的标准封装器。

Flash Video: Adobe公司发布的封装器,具有很强的交互功能,文件后缀名为FLV或F4V。

VOB(Video Object): DVD视频的通用封装器,该封装器将视频、音频、字幕、菜单以及导航功能等内容集于一体。

Quick Time:苹果公司发布的封装器,文件后缀名为MOV。该封装器可封装多路视音频数据流,同时可封装各种转场特效。

Real Media:在互联网上非常流行的一种封装器,由RealNetworks发布。

③电影制作常用封装器:

REDCODE RAW:由“红数字电影摄影机公司”(Red Digital Cinema Camera Company)发布的视频文件格式,文件后缀名为R3D。其视频为有损压缩,音频为无损压缩。该格式的视频文件可在电影拍摄时由REDONE数字摄影机直接记录于硬盘或闪存卡上。

MXF (material exchange format):SMPTE为专业视频定义的封装器。MXF具有非常完善的时码及元数据支持功能,其设计具有较强的前瞻性,可跨系统运行。

DPX(digital picture exchange):SMPTE为电影制作流程中的数字中间片及特效所专门制定的无压缩封装器。DPX支持电影伽马,每一帧图像独立封装。

最后这篇文章主要介绍了视频的标准格式都有哪些,以及对这些视频标准格式的简单介绍。

随着时代的不断发展,其实文章中提到的视频的标准格式很有限,现在无论是互联网还是电影制作中都涌现了新的视频格式,其中在电影制作中都已经出现了8K乃至16K的高清标准视频格式,我们顺应时代发展的同时,也应该了解一下最初始的一些东西。

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