視頻粘滯現象的自動解除

尹 旭，孫海民

（1.河北省盧龍縣廣播電視臺，河北 盧龍 066400；2.河北民族師范學院，河北 承德 067000）

責任編輯:任健男

0 引言

隨著科學技術的發展和數字化攝錄制播設備的日新月異，大量數字化設備已經被廣泛地應用于數字電視節目的制播領域中。數字化、網絡化、自動化是當前電視業最流行的三個詞匯，也是各個電視臺的奮斗目標[1]。節目數字化是指實現無損存儲，制作網絡化是指實現無帶編輯，播出自動化是指實現無人值守。目前數字化、網絡化都已完全實現，缺少的就是具有真正意義上的自動化了。

在節目播出過程中出現視頻粘滯現象、計算機發生死機等中斷或異常時往往也同樣離不開人的參與。視頻粘滯現象的自動解除從理論上來講可以分為事前解除、事中解除和事后解除。若能夠事前解除是最理想不過的，那樣就能夠徹底地將視頻粘滯現象消滅于無形之中，而事后解除除了對視頻粘滯現象的產生與解除具有一定的研究價值之外，沒有太大的存在意義。事中解除即視頻粘滯現象，已經發生或正在進行之時將其解除（以下稱為“視頻粘滯現象的自動解除”），有著相當的現實意義的。本文僅就如何自動解除視頻粘滯現象的問題發表一下自己的拙見。

1 硬盤播出系統中的“時碼線”

在不改變原有硬盤播出系統的原則下，將非線性編輯系統的時碼線引入到硬盤播出系統中，再在播出時碼線上配以碼率檢測程序，用這個檢測程序來自動地檢測緩存是否溢出和出現靜幀現象。如果緩存溢出，且出現靜幀時間已超過0.3s（借鑒大導演新貴版DN2000PLUSSDI的做法），它就自動地將播出時碼線上的播出標尺實施暫停處理，暫停之后再幀進，最后再解除暫停進行正常播放。如果緩存沒有發生溢出，它就不會影響正常的播放了。這個策略不但能自動地實現暫停、幀進與播放的轉換，還能準確、及時地將視頻粘滯現象轉化為視頻粘滯效應，從而將視頻粘滯現象徹底地消滅在萌芽狀態[2]。

1.1 硬盤自動播出系統工作原理及組成

硬盤自動播出系統（HardDiskAutoPLAYSystem），簡稱自動播出，其工作原理是:首先將要播出的電視節目信號通過采集系統進行數字化采集，即將節目源的模擬視音頻信號格式轉換成標準的MPEG-2格式，通過節目上載軟件，將壓縮后的節目存儲在計算機的硬盤中；然后通過自動播出控制軟件編排節目播出表，通過審查后控制硬盤自動播出服務器進行播出。該系統主要由視頻服務器、數據庫服務器、上載控制站、播出控制站、上載矩陣等組成。現行的硬盤自動播出系統使用的大多數數字視音頻文件都是MPEG-2格式的。

1.2 MPEG-2中ES，PES，TS和PS之間的關系

在MPEG-2中，模擬視音頻信號是經過抽樣、量化及壓縮編碼形成不分段的、連續的基本碼流ES（Elementa?ryStream），每個ES由若干個存取單元AU（AccessUnit）組成。然后再把ES流分割成段，并在每個AU中插入PTS（PresentationTimeStamp）/DTS（DecodingTimeStamp）標志，加上相應的頭文件打包變成打包基本碼流PES（PacketizedElementaryStream）。每個PES包內只能存在一種性質的ES。在傳輸時將PES包再分段打成有固定長度188byte的傳輸流TS（TransportStream）或可變長度的節目流PS（ProgramStream）。從ES到PES的示意圖見圖1。傳輸流TS和節目流PS兩者的區別如表1所示。從圖1和表1可知，PS和TS是可以相互轉換的，PES只是PS轉換為TS或TS轉換為PS的中間步驟或橋梁，是MPEG-2數據流互換的邏輯結構。

1.3 MPEG-2系統的構成

就MPEG-2系統而言，該系統又是由視音頻編碼器、編碼緩存器、系統編碼器及復用器、信道網絡編解碼器及存儲環境編解碼器、系統解碼器及解復用器、解碼緩存器和視音頻解碼器構成，是將視頻、音頻及其他數據基本流組合成一個或多個適宜于存儲或傳輸的數據流的規范。其中，編碼緩存器和解碼緩存器延遲是可變的；信道網絡編解碼器及存儲環境編解碼器從視/音頻編碼器輸入到視音頻解碼器輸出，延遲是固定的。這表明，輸入視/音頻編碼器的數字圖像和音頻取樣，經過固定的、不能改變的點到點延遲后，應該精確地同時出現在視音頻解碼器的輸出端，使解碼緩存器無上、下溢出，無視頻粘滯效應或視頻粘滯現象的發生。

表1 TS流和PS流的區別

1.4 硬盤播出系統中也存在著一條潛在的“時碼線”

從MPEG-2系統的構成來看，非線性編輯系統和硬盤播出系統本身就是個完整的MPEG-2系統。在非線性編輯系統中，為了延續人們已經習慣的線性編輯系統的編輯思維方式，主要強調的是節目的編輯與制作，即編碼部分（合成節目），所以使用最多的就是MPEG-2系統的前半部分，在人機操作界面上采用了比較簡單、相對直觀的時碼線編輯方式，輸出合成的主要是節目流PS（數字化的視音頻文件）。在硬盤播出系統中，由于大量使用了各種節目的視音頻文件，強調的是節目的完整播出，而不是節目的編輯與修改，所以使用最多的就是MPEG-2系統的后半部分（解碼部分），在人機操作界面上廣泛采用的是圖形化的操作界面（表處理方式），僅用鼠標就可完成播出節目單的編制、刪減與合并等工作，可以實現節目的自動播出、定時切播、插播和循環播出、錄像機的手動控制、鍵混信號的鍵入和鍵出等，所輸出的節目信號主要是用于數字化傳輸的傳輸流TS。典型的播出系統（節目流解碼器）如圖2所示。圖中DSM為數字存儲媒介。所以，非線性編輯系統和硬盤自動播出系統在對視音頻文件處理的本質上都是完全一樣的，只是外在的表象方面有所不同。因此，那條潛在的“時碼線”是客觀存在的。

2 視頻粘滯現象的自動解除

2.1 對MPEG-2圖像組（GoP）幀間編碼結構的解讀

MPEG-2標準中定義了3種類型的幀:I幀，幀內編碼，提供壓縮數據流中的隨機存取點；P幀，前向預測編碼，利用前一個I幀或P幀作為參考幀；B幀，雙向預測編碼，利用其最近的前向和/或后向I幀或P幀作為參考幀，不能作為其他幀的編碼參考。

在MPEG-2中允許以相當靈活的方式組織I幀、B幀、P幀。MPEG-2典型的I幀、P幀、B幀間的預測關系如圖3所示[3]。

從圖3可以看出，在使用MPEG-2的視音頻文件進行編輯和播放（檢查）時，如果能夠人為地直接或間接地中斷P幀的前向預測和B幀的雙向預測關系，讓I幀實施暫停，然后再重新插入I幀，重新建立起P幀的前向預測和B幀的雙向預測關系，隨后再進行正常的視音頻編輯和播放（檢查），就可以完全而又徹底地將視頻粘滯現象轉化為視頻粘滯效應了，人們在監視器（或電視機）上所能看到的也就只能是畫面的略微一閃而已。就此而言，筆者在處理“金奇糖康”廣告中的視頻粘滯現象的做法也就得到了相應的驗證。它的具體做法是:在視頻粘滯現象出現時，馬上找到出現視頻粘滯現象的那幀畫面，果斷地將其刪除掉。刪完之后，視頻粘滯現象不但已經得到了解決，而且對視頻畫面沒有產生任何影響。究其原因就是，出現視頻粘滯現象的視頻粘滯點正好處在那個鏡頭內部運動的剪接點上（運動鏡頭的起始幀畫面），而緊隨其后的下一幀畫面卻又恰好是不存在任何問題的畫面。

2.2 能夠自動實現中斷與播出的靜止圖像檢測流程圖

在非線性編輯系統和硬盤播出系統中，要實現這種所謂的“中斷”還是比較容易的，那就是在播出軟件中再加上一個碼率檢測程序和一個能夠自動實現中斷與播出的檢測程序就可以了。這個能夠自動實現中斷與播出的檢測程序的檢測流程如圖4所示。

圖4 靜止圖像的檢測流程

2.3 MPEG-2解碼緩存的溢出

緩存的溢出是一種軟件中由于邊境條件、函數指針等設計不當而造成的址空間錯誤，它的發生原理是:向一個有限空間的緩沖區中拷貝或輸入了過長的字符串，這時就會有許多意想不到的事情發生，超過的那部分字符將會覆蓋與數組相鄰的其他變量的空間，使變量出現不可預料的值。在MPEG-2系統中，這種緩存的溢出往往直接表現為視頻粘滯現象的出現或視頻粘滯效應的發生。

目前標準數字電視采用的是MP@ML主類和主級，而HDTV采用的是MP@HL主類和高級。以MPEG-2 MP＠ML為例，它能夠提供720×576，25 f/s的ITU-R601建議圖像質量，最高碼率為15 Mbit/s，在壓縮比為30∶1以內時可提供廣播級質量的編碼圖像。這就是說，在編碼碼率大大高出15 Mbit/s之后，解碼器的緩存就容納不下那么多的數據而要發生溢出了，在監視器（或電視機）中就有可能表現為靜止畫面的出現（視頻粘滯效應或視頻粘滯現象）。然而，在MPEG-2 MP＠ML的實際應用中往往采用的都是恒定比特率CBR（Constant Bit Rate）和可變比特率VBR（Variable Bit Rate）進行傳輸的，在傳輸過程中當瞬時碼率超過恒定比特率或可變比特率的上限時，就完全可以認為解碼器的緩存已經發生了溢出。恒定比特率或可變比特率的上限都是已經人為設置好的一種系統參數。

2.4 MPEG-2瞬時碼率的提取

當MPEG-2的瞬時碼率遠遠大于恒定比特率或可變比特率的上限時，解碼器的緩存就會發生大量溢出，從而引發視頻粘滯效應或視頻粘滯現象。那么，在非線性編輯系統和硬盤播出系統中PS流的瞬時碼率又該如何提取呢？由于MPEG-2是在將視頻、音頻的PES流以及輔助數據按不同的格式經過再次打包之后再進行復用的，即分別生成了TS流和PS流。TS和PS是通過PES實現的彼此相容、相互依存、生死與共的關系的。所以，只要能夠檢測出它們之中的任何一種碼率也就可以了。借鑒ATM（Asynchronous Transfer Mode）或CATV（Community Antenna Television）網絡傳輸中對接收端MPEG比特率的測量算法。在恒定比特率MPEG-2傳輸流CBR中瞬時碼率的提取公式為

在可變比特率MPEG-2傳輸流VBR中瞬時碼率的提取公式為

式中:Rf為2個連續過程和更多的PCR之間的運行時間比特率，即瞬時碼率；ΔSTC為相鄰2個STC間的差值；ΔPCR為相鄰2個PCR間的差值；K為常量，恒定比特率；Δb為相鄰2個PCR間的比特數。當瞬時碼率大于或遠大于恒定比特率K或可變比特率的上限時，非線性編輯系統和硬盤播出系統就自動開啟靜止圖像檢測程序。

2.5 靜止圖像的檢測與視頻粘滯現象的自動解除

在播放（檢查）MPEG-2格式的數字化視音頻文件時，如果碼率檢測器一旦檢測到解碼緩存器已經發生了溢出，靜止圖像檢測程序就會馬上開始工作。先截取I幀圖像，詢問是否已經截取。如果還沒有截取，就將已截取的I幀圖像作為參考幀，再次進行截取；如果截取了，就將前后2次截取的的I幀圖像進行比較，看看它們是否一樣。如果2幅圖像完全一樣，程序中的計時器就開始工作，看看圖像一樣（靜止）的時間是否達到了0.3 s。如果沒有達到，就繼續截取；如果達到了，就對正在播出的MPEG-2格式的數字化視音頻文件實施暫停，從而中斷I幀、P幀、B幀的預測關系。暫停之后再繼續進行新的播放，重新建立起I幀、P幀、B幀的預測關系。

從上面的分析中還可以看出，筆者在曾經提到的、能夠自動解除視頻粘滯現象的應對策略（全自動方案）中還存在著一定的缺陷。在這個策略中，不但可以在不改變原有硬盤播出系統的原則下就可以完全實現視頻粘滯現象的自動解除，而且即使在播出時碼線上配好了碼率檢測程序，也不用將播出時碼線上的播出標尺在實施暫停處理之后再幀進，除非將前面提到的檢測程序變為事前檢測。正確的做法是在實施暫停之后馬上就可以直接進行正常播放操作。

3 結論

不管是在非線性編輯系統里，還是在硬盤播出系統中，都可以通過添加碼率檢測程序和靜止圖像檢測程序將MPEG-2格式的數字化視音頻信號在播出（檢查）過程中出現的視頻粘滯現象完全轉化為視頻粘滯效應。另外，在視音頻文件采集或導入過程中，如果沒有發生視頻粘滯現象（在采集或導入過程中直接發生視頻粘滯現象的幾率幾乎為零），采用上述方法就可以免去節目上載前的二次審查，從而有助于提高工作效率。

[1]卞德森.硬盤播出系統的數據安全技術[J].電視技術，2000，24（8）:58-60.

[2]尹旭.硬盤播出過程中出現的視頻粘滯現象及其應對策略[J].現代電視技術，2009（6）:130-133.

[3]張嫘，黃焱.一種壓縮域原始視頻資料的摘要方法[J].廣播與電視技術，2008（1）:55-58.