數(shù)字視頻類電子文件存儲技術(shù)研究

數(shù)字視頻類電子文件存儲技術(shù)研究

對于數(shù)字時(shí)代的數(shù)字視頻電子文件，它們具有便于加載、體積大、易受攻擊性強(qiáng)、交互式支持的特點(diǎn)，并且逐漸取代了傳統(tǒng)的vhs、beacon、v2000和3mm視頻存儲文件。大量數(shù)字視頻電子文件誕生。然而數(shù)字視頻技術(shù)復(fù)雜多樣,相繼產(chǎn)生了各種不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ｓ没蛲ㄓ玫囊曨l格式,作為檔案歸檔保存的數(shù)字視頻格式需要遵循開放性、通用性以及標(biāo)準(zhǔn)化原則。我國早在2001年行業(yè)規(guī)章《檔案管理軟件功能要求暫行規(guī)定》和2002年國家標(biāo)準(zhǔn)《電子文件歸檔與管理規(guī)范》(GBT18894-2002)均明確提出電子文件類檔案應(yīng)“盡量采用通用文件格式”并建議“視頻和多媒體電子文件以MPEG、AVI為通用格式”的規(guī)定,但實(shí)際工作中依然存在一些問題。首先,根據(jù)數(shù)字視頻格式技術(shù)構(gòu)成,數(shù)字視頻格式可分編碼格式和文件格式,二者共同決定了數(shù)字視頻的歸檔特性,上述國家標(biāo)準(zhǔn)中描述的“MPEG、AVI”僅從文件格式(也稱封裝格式)的角度給出了視頻類電子文件的存檔通用標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定不夠全面。其次,數(shù)字視頻在不同行業(yè)領(lǐng)域不斷更新?lián)Q代且有著各自專屬視頻格式,存檔格式是否應(yīng)該考慮格式的專用性和先進(jìn)性?最后,為方便數(shù)字類檔案的網(wǎng)絡(luò)利用與信息公開,數(shù)字視頻類電子文件在存檔時(shí)是否有必要考慮結(jié)合不同視頻格式的可利用性?對此,筆者認(rèn)為有必要從數(shù)字視頻類電子文件各種歸檔格式的特性出發(fā)考慮存檔格式選擇問題。1數(shù)字壓縮編碼技術(shù)數(shù)字視頻是由數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備直接采集,或是對傳統(tǒng)模擬影像信號采集后進(jìn)行采樣、量化、壓縮編碼等數(shù)字化處理過程形成的一種具有平臺依附性的文件格式。上述數(shù)字化編碼過程既包括原始數(shù)據(jù)的壓縮過程和圖像、聲音、文字等不同類數(shù)據(jù)信息封裝過程,其過程分別對應(yīng)產(chǎn)生了各種數(shù)字視頻的編碼格式與文件格式。1.1錄像視頻編碼格式未經(jīng)壓縮的原始視頻信號數(shù)字化后由于數(shù)據(jù)量龐大而不利于存儲共享,因此需要一種規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范其壓縮,即數(shù)字視頻編碼格式,也叫壓縮標(biāo)準(zhǔn)。壓縮標(biāo)準(zhǔn)指運(yùn)用特殊的編碼手段對視頻中不影響人們聽覺、視覺體驗(yàn)的冗余數(shù)據(jù)有效刪減的一種計(jì)算機(jī)處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),使用不同標(biāo)準(zhǔn)壓縮的數(shù)字視頻將表現(xiàn)為不同的編碼格式。國際上音視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)主要是由ISO/IEC和ITU分別制定的MPEG和H.26x兩大系列標(biāo)準(zhǔn)。此外我國數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(AVS)工作組及微軟(如WMV9、WMV-HD)、Google(如VP8、VP9)、Apple(OGGTheora)、RealNetworks(如RV40、RV50、RV60、RealVideo8/9/10)等公司也根據(jù)自身的技術(shù)與行業(yè)優(yōu)勢發(fā)布了一些音視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),表1列出了10種目前常用視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn),并分別從發(fā)布時(shí)間、機(jī)構(gòu)、特性、標(biāo)準(zhǔn)類型、專利與開放情況和應(yīng)用領(lǐng)域六方面分類描述。按時(shí)間順序各種標(biāo)準(zhǔn),不難發(fā)現(xiàn)隨著技術(shù)發(fā)展,數(shù)字視頻編碼格式的制定機(jī)構(gòu)主要還是ISO、IEC、ITU-T等專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定組織,標(biāo)準(zhǔn)化程度打破國際標(biāo)準(zhǔn)類型的局限性,各種國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)產(chǎn)生,國際標(biāo)準(zhǔn)的普及與通用程度明顯高于其他標(biāo)準(zhǔn);壓縮性能向可變碼率、可選清晰度、高度交互性等方向發(fā)展;不同編碼格式在設(shè)計(jì)之初便有應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)定,如MPEG-1用于VCD、MPEG-2用于DVD/SVCD,H.264/MPEG-4AVC在藍(lán)光視頻、高清DVD、網(wǎng)絡(luò)視頻、安防監(jiān)控、會議視頻等領(lǐng)域均有出色應(yīng)用。1.2錄像視頻格式語匯數(shù)字視頻的文件格式,也稱容器格式或封裝格式,即將已壓縮的視頻流、音頻流、字幕及其他內(nèi)容描述附加數(shù)據(jù)混合封裝在一個(gè)文件中的一種標(biāo)準(zhǔn)。不同封裝格式可封裝不同編碼格式壓縮的數(shù)字視頻,最終形成不同后綴名(或擴(kuò)展名)的視頻文件用于存儲與播放。視頻文件格式眾多且特點(diǎn)各異,如AVI是最早的音頻視頻交錯(cuò)格式,軟硬件支持優(yōu)勢突出,但DVD及高清應(yīng)用上不如MPEG格式,在網(wǎng)絡(luò)播放和封裝體積上弱于RM、MOV、MP4、MKV等新型流媒體文件格式。表2匯總統(tǒng)計(jì)了目前流行的數(shù)字視頻文件格式,分析可得數(shù)字視頻文件格式的發(fā)展逐漸趨于流媒體、多軌道、支持元數(shù)據(jù)、多操作系統(tǒng)與應(yīng)用平臺、多壓縮方式兼容等方向。2紙質(zhì)文件為單一載體的原始性與載體內(nèi)容為一標(biāo)準(zhǔn)和紙質(zhì)文件相比,電子文件的非人工識讀性、系統(tǒng)依賴性、信息易變性、載體可分離等特性給其歸檔帶來了新的挑戰(zhàn),紙質(zhì)文件的載體原生性在電子文件時(shí)代不再適用,電子文件的“原始性”需要被重新界定,電子文件“僅以文件中所含信息的真實(shí)、準(zhǔn)確,即內(nèi)容的原始性為唯一標(biāo)準(zhǔn)”2.1原址(1)視頻質(zhì)量分析壓縮前的數(shù)字視頻是直接由電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號表達(dá)的視頻文件,是最清晰、最高質(zhì)的視頻文件,但考慮到長期保存與利用,壓縮過程必不可少,壓縮后數(shù)字視頻文件的質(zhì)量主要取決于其壓縮標(biāo)準(zhǔn)即編碼格式。筆者通過對表1中各種編碼格式的性能分析,認(rèn)為從保證視頻質(zhì)量的角度,綜合考慮到各種編碼格式的標(biāo)準(zhǔn)化程度、通用性、發(fā)展現(xiàn)狀及適用領(lǐng)域,建議優(yōu)先選取H.264、MPEG-4、MPEG-2/H.262、MPEG-1這幾類國際標(biāo)準(zhǔn)編碼格式作為數(shù)字視頻的歸檔編碼格式。目前我國檔案部門采集和保存的視頻檔案仍以標(biāo)清為主,2010年國家檔案局《數(shù)字聲像檔案著錄規(guī)則(征求意見稿)》中,也僅對視頻檔案格式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)清級規(guī)定(2)數(shù)字視頻的電子文件的封裝格式數(shù)字視頻類檔案由于其豐富的網(wǎng)絡(luò)交互與共享性可分為本地存儲和利用存儲兩種存儲類型,此處考慮的數(shù)字視頻檔案不可編輯性主要針對需要長期完整保存的本地存儲類視頻電子文件而言。對于這類文件一方面可以設(shè)計(jì)專門視頻類電子文件歸檔系統(tǒng)來進(jìn)行格式的選擇與修改權(quán)限控制,這是目前國內(nèi)外普遍采用的一種前端及全局控制的電子文件管理辦法;另一方面從數(shù)字視頻的文件格式本身出發(fā)考慮,在制作有存檔需求的視頻時(shí)應(yīng)盡量選取以存儲為設(shè)計(jì)原理的視頻封裝格式,而非傳輸或可編輯等具有中間和緩存性質(zhì)的格式。具備此類特性的視頻封裝格式主要有AVI、MPEG、MP4、VOB(DVD/SVCD)、DAT(VCD)、MKV、MOV。其中AVI作為較早的數(shù)字視頻文件格式,有較好的技術(shù)環(huán)境支持、兼容大部分編碼方式且易于轉(zhuǎn)換;MPEG、VOB(DVD/SVCD)、DAT(VCD)則是更多地運(yùn)用于聲像檔案數(shù)字化后的磁盤及光盤存儲;MKV、MOV則是由CoreCodec及Apple公司開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低但封裝方式先進(jìn)、功能強(qiáng)大的新生格式;相比之下MP4格式在清晰度、標(biāo)準(zhǔn)化及支持本地、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)在線多種播放形式有明顯優(yōu)勢。2.2可讀性(1)視頻格式編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可識讀是視頻類檔案長期保存的基本要求,對于數(shù)字視頻,軟硬件支持是實(shí)現(xiàn)視頻格式可識讀的基礎(chǔ),因此產(chǎn)生了視頻編解碼技術(shù)及其相應(yīng)的編解碼軟硬件。目前開源的視頻編解碼器主要有ffmpeg、Xvid、X264、ffdshow、CoreAVC等(2)非專利性法規(guī)中的封裝格式數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)化程度可從其格式標(biāo)準(zhǔn)化程度直接反映,表4匯總了各類視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)和封裝格式的發(fā)布機(jī)構(gòu),從中可以看出,由國際ISO/IEC、ITU-T、SMPTE等組織規(guī)定的壓縮標(biāo)準(zhǔn)已具備了廣泛的使用范圍和行業(yè)口碑,而封裝格式的普及并沒有受標(biāo)準(zhǔn)化程度的影響,除了標(biāo)準(zhǔn)化程度高的MPEG-PS、MPEG-TS、MP4格式之外,由其他非專門標(biāo)準(zhǔn)制定組織發(fā)布的MOV、MKV、AVI、RealMedia等封裝格式則占據(jù)了一定的市場。但若用于歸檔,由于公司定義的非國際化標(biāo)準(zhǔn)易受操作系統(tǒng)、兼容性等方面的限制,建議盡量使用國際標(biāo)準(zhǔn)化程度高的MP4、MPEG格式和提供標(biāo)準(zhǔn)源代碼開源的格式MKV進(jìn)行封裝。3在選擇圖形格式時(shí)，需要注意以下問題3.1視頻格式的選擇隨著數(shù)字時(shí)代來臨,數(shù)字?jǐn)z像、數(shù)字電視廣播、網(wǎng)絡(luò)視頻、數(shù)字視頻監(jiān)控、數(shù)字視頻會議、移動數(shù)字視頻及模擬視頻數(shù)字化等數(shù)字視頻技術(shù)不斷發(fā)展與完善,各個(gè)視頻應(yīng)用領(lǐng)域形成了適合其領(lǐng)域的常用視頻格式,因此有必要區(qū)分不同行業(yè)對視頻文件的需求與使用程度,選擇適合本行業(yè)的視頻歸檔格式。歐洲廣播聯(lián)盟EBU在其2010年研究報(bào)告3.2motion-pge-mpeg-2檔案編碼格式英國BBC技術(shù)總監(jiān)RichardWright曾在《WhatArchivesWant》中將數(shù)字時(shí)代檔案需求概括為長期保存(Persistence)與流通利用(Currency),其中長期保存是基礎(chǔ),有效利用是發(fā)展從世界范圍看,英國國家檔案館中建立的數(shù)字化指導(dǎo)項(xiàng)目《MovingHereProjectDigitisationGuidelines》中規(guī)定,視頻檔案的利用和存儲需要使