视频资料数字化标准选择的探讨
闵友钢 李俊杰
（上海广播电视台媒资管理中心暨上海音像资料馆）
摘要：本文从当前视频数字化的现状入手，说明了采用MPEG-2进行编码的视频在实际应用中存在的问题，对新的视频编码方式Motion-JPEG2000进行了介绍，并分析了其对媒资管理系统和新媒体服务的意义。最后结合国外大型图书、档案、音像资料机构的数字化实践，指出Motion-JPEG2000将会是下一代视频数字化的编码标准，并对其面临的挑战进行了说明。
关键词：视频数字化 编码方式 Motion-JPEG2000 MPEG-2
1 引言
广电系统拥有大量的电视节目和素材，进入21世纪后，逐步开始了数字化转存，同时也开始建设媒资管理系统，用于管理数字化后的视频资料的使用。 在早期开始数字化时候，可达到广播级的视频压缩编码标准也没什么其他的选择，都使用DVB组织采用的MPEG-2标准作为我们数字化的标准。MPEG-2采用的是帧内和帧间冗余压缩相结合的技术，因此压缩率较高，能达到的清晰度也较高，能满足广播级的要求。但随着应用需求的不断增长，MPEG-2的局限性也逐渐显现出来了，因此各种新的编码标准也纷纷被提出，作为视频资料保存、管理和提供再利用的音像管理机构，在面对新应用需求不断涌现的情况下究竟应该选择哪种新的编码标准来满足这些需求呢？这就是本文要探讨的内容。
2 传统媒体资料的现状及MPEG-2编码方式问题分析 传统媒体一般历史比较长远，所以它积累的视频资料也比较丰富，这些丰富的资料----即媒体资产，就是传统媒体在当今各种媒体争雄时代的竞争优势。就以上海广播电视台（SMG）这样的一个机构为例，其保存着1958年上海电视台建台以来所有的广播电视节目，并且通过收录、购买、拍摄、交流等多种渠道，采集海内外各类音像资料。截止2012年12月，SMG各库房共藏有电视节目资料多达85万个小时。 随着时日的流逝，传统媒体的许多老资料都有不同程度的损伤，随着数字化技术的发展，国内外的电视台、音像资料馆在进入21世纪后都开始进行数字化转存，把磁带载体的模拟图像进行计算机采样、编码，最后以数字文件的形式保存，供查询和调用。为了管理和方便使用这些数字化资料，大多数的电视台都建设了媒资管理系统，提供有效的存储管理、准确的查询和方便的调用手段。但我们在进行数字化保存时采用的是MPEG-2格式标准，而MPEG-2的文件较为庞大，在查询调看画面时要下载MPEG-2文件显然是不现实的，因此一般在数字化采样时通过二个通道分别产生高码流版本和低码流版本二类文件，或者通过对高码流的文件进行转码产生低码流文件。当用户查询调看时，系统下载的是低码流的文件，这样就减少了网络的传输开销，缩短用户的等待时间。不过，面对网络媒体和新媒体大量涌现的新应用时，我们要从高码流的文件进行转码输出符合要求的不同码流文件，这个工作量显然是很大的，但如果我们仅提供为查询调看制作的低码流文件，可能它的清晰度无法满足网络媒体和新媒体用户的需求，所以在目前以MPEG-2标准保存的文件的条件下，转码的过程是无法避免的。 如何经济有效地解决数字化保存和查询调看，同时又能方便提供给网络和新媒体用户使用，我们建议选择Motion-JPEG2000压缩编码标准来作为我们数字化工程的参考标准。
3.Motion-JPEG2000简介 Motion-JPEG2000是JPEG2000系列标准的第三部分，由联合图像专家组（JPEG）制定，在2001年10月正式成为国际标准。JPEG2000标准体系的内容如表1所示。
表1：JPEG2000系列标准
| 组成部分 | 名称 | 成为国际标准时间 |
| 1 | JPEG2000图像编码系统：核心编码系统 | 2000年12月 |
| 2 | JPEG2000图像编码系统：扩展部分 | 2001年10月 |
| 3 | Motion-JPEG2000 | 2001年10月 |
| 4 | 一致性测试 | 2002年03月 |
| 5 | 参考软件 | 2001年11月 |
| 6 | 复合图像文件格式 | 2002年05月 |
JPEG2000是用于静态图像的编码标准，而Motion-JPEG2000是用于运动的图像编码标准，但二者在图像的编码压缩算法上是一致的，都放弃了帧间编码，只采用帧内编码，使各帧数据独立。在压缩编码上，它不同于MPEG-2采用的离散余弦变换（DCT）为主的区块编码方式，而是用离散小波变换（DWT），这种算法是将图像转换为一系列小波系数的编码方式。一般认为DCT算法对平稳过程有很好的效果，但对于在非平稳过程中的图像压缩，效果就比较差。而我们面对的大多数图像中的细节都是非平稳的，因此采用DWT算法可以得到更好的效果。 与MPEG-2相比，Motion-JPEG2000有以下优点： 1） 支持渐进式传输 由于小波变换在时域-空域上对高频成分采用由粗到细的渐进式取样，所以Motion-JPEG2000支持渐进式传输（Progressive Transmission），也就是说，可以做到先传输图像轮廓，然后再逐步传输其他数据来逐步提高图像的清晰度。这一过程可以是连续的，并且允许用户控制所期望的分辨率的级数。低清晰度图像可用于大概浏览，高清晰度图像用于观看细节。无论在屏幕上按怎样的清晰度浏览图像，不同清晰度级别的数据都包含在一个单一的Motion-JPEG2000的文件中，用户可以根据需要和网络情况，选择不同清晰度级别下载，以控制数据的下载量，减少用户等待时间和网络传输的开销。 2） 支持不同区域采用不同的压缩率，实现交互压缩 由于Motion-JPEG2000是帧内压缩，每一帧的数据是独立的，并且小波变换算法对一个变换系数而言所涉及到的图像空间范围是局部的，所以Motion-JPEG2000还提供了一种ROI（Region of Interest）的功能，它支持对感兴趣的区域指定压缩级别，或在恢复时指定特定的解压缩要求。如果我们对图像中的某一部分感兴趣，那么就可以在这一部分采用低分辨率压缩，以取得该部分清晰的画面质量，而对于其他部分仍采用高分辨率压缩，这样可节省存储空间。这一ROI功能还为编辑提供了很大的便利，由于我们可以直接指定区域操作，因此也可以对某帧的某个区域进行翻转、缩放等几何操作，这是MPEG-2无法做到的。 3） 支持网络环境不良的图像传输 对经过Motion-JPEG2000编码的视频进行传输时，具有良好的误码稳定性（Robustness to Bit Error），能得到很好的传输效果。
由于Motion-JPEG2000只采用帧内编码，而没有帧间预测编码，因此错误只会对单一帧有影响，另外在设计中有嵌入式编码机制，还有一些标记再同步机制，因此在同样的环境下，Motion-JPEG2000与MPEG-2相比，具有更强的容错性（峰值信噪比比较高），端对端延迟要比MPEG-2要少得多。据有关文献介绍，在对MPEG-2、Motion-JPEG和Motion-JPEG2000在单个比特误码（Bursty）和突发性误码（Single-bit）情况下，不同误码率得到的图像质量（由峰值信噪比PSNR表示）对比测试表明，综合两种误码情况，Motion-JPEG2000 具有比Motion-JPEG，MPEG-2 都要优越的容错能力，能获得比较好的图像质量，因此在干扰比较大的传输通道中进行码流传输，Motion-JPEG2000是首选的。
4） 提供可扩展的元数据功能 Motion-JPEG2000码流的文件，将视频、音频和元数据都打包在一个文件中。元数据是描述数据的数据，在这里主要是指它对图像压缩编码的数据以及对编解码设备的数据、摄录数据等进行描述的数据，这些描述数据对图像的编辑和使用非常重要。Motion-JPEG2000还提供了元数据的扩充性能，允许附加信息，这一性能构成了一个非常灵活的，且具有高度适应性的图像文件格式。我们可以利用这一性能加入对图像内容描述的元数据，方便检索时迅速定位。
终上所述，Motion-JPEG2000提供了在压缩模式、容错能力、编辑手段、元数据扩展等方面的良好性能，弥补了目前MPEG-2所显现的不足，满足了运动图像在某些新领域的应用需求。
4 Motion-JPEG2000对媒资管理系统高效运行和新媒体服务的意义 如果我们采用Motion-JPEG2000作为今后数字化的压缩编码标准，那么我们只要保存一个版本的文件，这就可以节省许多存储空间。 在以后设计的媒资管理系统中，我们可以利用Motion-JPEG2000的渐进式传输下载图像这一特点，在媒资检索时可提供连续分级的分辨率码流下载。我们对图像内容进行检索时，一般只需要浏览图像的大概，不需要很清晰的画面，那么我们就可利用Motion-JPEG2000的特性选择低码率下载图像，这样就可大大缩短显示等待时间，降低网络传输的带宽。当选定图像资料后，我们就可以选择提高分别率下载，用于编辑制作。在检索浏览时，如果我们对图像的某一局部细节感兴趣，可利用ROI功能，对感兴趣的部分提高分辨率下载，以增加局部清晰度，无需将整个图像都提高分辨率下载，可以在不太增加传输带宽的情况下，达到了解局部细节的目的。这是目前使用的MPEG-2编码标准所做不到的。 在编辑上，也将一改我们传统编辑的观念，大大拓展编辑的手段。我们同样可以利用ROI功能，对图像的某一帧的局部在不解压的情况下进行翻转、缩放等几何操作。另外，由于Motion-JPEG2000的帧与帧之间没有关联，每一帧的数据都是独立的，因此我们还可以对图像的帧进行操作，实现帧的插入、移动、删除和修改。 在面对不断崛起的网络媒体和新媒体时，我们可以直接提供不同分辨率的Motion-JPEG2000文件供其使用，而无需在进行专门的针对性转码。由于Motion-JPEG2000的文件与MPEG-4具有良好的兼容性，因此在客户端的播放问题也变得简单。 另外，Motion-JPEG2000还支持无损压缩，这对要求高清晰图像的广播级的用户是很好的选择。 最后，我们可以把标引、简单的编目信息作为元数据的扩展，一同打包到Motion-JPEG2000的码流中，便于用户查找内容时快速、准确的定位。 典型的媒资管理系统包括内容数字化、内容编目、内容存储、内容检索、文件回调利用（观看、编辑制作）几个阶段。经过分析，我们认为在从内容数字化及存储到最终内容使用的过程中，Motion-JPEG2000主要对三个阶段有着积极的作用：在数字化阶段，产生一版多用的文件，避免了保存用途不同的多种版本文件，可以节约存储空间，简化系统管理；在检索浏览过程，可以下载低分辨的码流或者仅下载局部区域的码流，有效地节约了传输带宽；在编辑制作阶段，由于可直接对帧进行增、删操作和对帧及帧的的局部进行几何操作，大大拓展了编辑手段。对新媒体服务而言，只要用户终端有Motion-JPEG2000解码器，由于Motion-JPEG2000码率的可变性，它无需经过转码就可满足多种媒体的应用需求，体现了一版多用优势。在图1中，我们对上述做了示意。
图1：Motion-JPEG2000对媒资管理系统及新媒体的意义
5 Motion-JPEG2000在国外的应用 笔者在2012年10月份考察了法国国家音像档案馆（INA），他们已经在2012年7月开始对图像数字化全部采用Motion-JPEG2000的标准，并且已有计划，将过去做的其他标准的数字化文件逐步转换成Motion-JPEG2000标准。根据我们检索，国外其他的主流图书、档案、音像资料机构，像美国国家档案馆（The U.S. National Archives）、美国国会图书馆（The U.S. Library of Congress）、澳大利亚档案馆（The National Archives of Australia）等，也都已经采用Motion-JPEG2000作为他们视频数字化长期保存的文件标准。具体使用状况，如表2所示。
表2：国际大型图书、档案、音像机构视频数字化编码标准
| 组织名称 | 动态分辨率 | 编解码器 | ||
| 美国国家档案馆 | 720*486,30帧/S | 无损 | Motion-JPEG2000、HuffyUV | |
| 有损 | Motion-JPEG2000、MPEG-2、MPEG-4、DV | |||
| 澳大利亚档案馆 | 720*576,30帧/S | Motion-JPEG2000 | ||
| 法国国家音像馆 |
| Motion-JPEG2000 | ||
| 美国国会图书馆 |
| Motion-JPEG2000 | ||
| 英国国家档案馆 | 720*486,30帧/S | 存储 | MPEG-2 | |
| 在线 | MPEG-4 | |||
| 美国视频发展协会 | 352*240,30帧/S | MPEG-1 | ||
| 720*480,30帧/S | MPEG-2 | |||
6 小结 由于Motion-JPEG2000是具有颇多优点的视频压缩编码标准，其对网络的传输容错能力、渐进式传输功能、同时具有有损压缩和无损压缩的功能、可扩展的元数据功能等，对视频资料的管理和利用有着独到的好处。当然，由一种编码标准向另一种编码标准转变不是一蹴而就的事，Motion-JPEG2000要得到普及，还有许多问题需要解决，主要问题还在于各主流设备厂商是否支持，从Motion-JPEG2000成为国际标准以后的12年的时间来看，支持的设备还比较少。另外当前MPEG-2还是主流的视频资料数字化及长期保存采用的编码方式，各机构都保存了众多用MPEG-2编码的视频，这对Motion-JPEG2000的普及应用也是不利的。但随着世界一些主流音像档案馆开始使用Motion-JPEG2000作为他们视频数字化的标准，我们有理由相信这一标准未来会在电视台、音像资料馆、档案馆等得到普遍的应用。 参考文献： 【1】 Majid Rabbani，Rajan Joshi. An overview of the JPEG2000 still image compression standard. Signal Processing: Image Communication, 2002; 17: 3-48. 【2】 Wei Yu，Ruibiao Qiu，Jason Fritts. Advantages of Motion-JPEG2000 in Video Processing. Visual Communications and Image Processing, 2002; 635-645. 【3】 罗明凤等. 新一代视频压缩标准——Motion-JPEG2000. 大众科技，2010; 12:57-63. 【4】 卢波等. 基于Motion-JPEG2000的视频处理. 电视技术，2003; 10: 42-45. 【5】 陈宁等. Motion-JPEG2000的特点和应用. 电视技术，2003; 10: 84-86. 【6】 李斌. JPEG标准的分析与评价. 电视技术，2001;10:22-25.
评论 点击评论