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。

　　需要特别注意的是，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所要求的清晰度，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，但清晰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容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，比较容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。如果按水平像素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?这里我来引用原中央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央电视台对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;

　　如果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。