基于PC平台的非线性编辑系统的硬件技术

“非线性编辑”这个名称是与传统的“线性编辑”相区别而产生的。通常把基于磁带编辑的传统编辑方法称为线性编辑，而把基于磁盘的编辑方法称为非线性编辑。在非线性编辑系统中，视音频素材存放在电脑硬盘中，硬盘磁头对其进行定位和读写。对于不同位置的素材，磁头仅用毫秒级的时间就可以找到。由于非线性编辑系统的信息存储位置与接受信息的顺序不相关，盘上所存任何文件均可随时调用或修改，大大提高了编辑效率。不仅如此，它还有许多线性编辑不具便利的功能，可灵活处理诸如文字、图形、图像、动画等多种形式的素材，极大丰富了影视制作的手段。

1、基于工作站平台的系统。该系统大多建立在SGI图形工作站基础上，功能较强，但价格昂贵，软硬件支持不充分。

2、基于MAC平台的系统。该系统在非线性编辑发展的早期应用得比较广泛，未来的发展在一定程度上受到苹果硬件平台的制约。

3、基于PC平台的系统。这类系统以Intel及其兼容芯片为核心，型号丰富，性价比高，装机量大，发展速度也非常快，是当今的主导型系统。基于PC平台的这类非线性编辑系统正在向网络化发展，大大提高了电视台制作播出效率。

下面浅谈一下基于PC平台建设非线性编辑系统的硬件技术。

非线性编辑系统技术的重点在于对视频和音频素材的处理。这两类素材，特别是视频素材，具有数据量大的特点，要实现对视音频素材的实时处理，需要有高速的处理器、宽带数据传输装置、大容量的内外存等一系列的硬件环境支持。普通的PC机须采取一些措施，才能胜任非线性编辑工作。这些措施包括采用信号处理器DSP、串行的视音频处理芯片及附加电路板等，以增加系统运算速度和数据处理能力。借助当前的超大规模集成电路技术，传统编辑系统中的帧同步机、数字特技发生器、数字切换台、字幕机、磁带录像机和多轨数字录音磁带（DAT）诸般功能都已可以在标准板卡上实现。非线性编辑系统的板卡能直接进行视音频信号的采集、编解码、播放，甚至直接管理素材硬盘，而计算机则提供GUI（图形用户界面）、字幕、网络等功能。同时，计算机本身也在迅速发展，普通PC机软硬件已日趋能使操作系统直接支持视音频操作。下面主要介绍非线性编辑系统的视音频子系统的硬件结构。

视音频处理子系统通常是以板卡的形式实现的。相关板卡分有单通道、双通道和多通道等形式。在非线性编辑系统中，通常采用双通道系统，其视音频子系统包括：外部视音频输入模块、压缩采集和解压缩重放模块、图文产生模块、二位数字特技模块、三位数字特技模块、多层叠加模块、预览输出及主输出模块等。视频信号输入后有一路进入数字混合器，可有一路活动背景信号在数字混合器中与其它存储在硬盘中的视频文件混合。需要压缩保存的视频信号进入压缩和解压缩通道，经压缩后变为符合标准格式的视频文件，存放在磁盘中。音频信号经A/D（模/数）变换后存入硬盘。使用应用程序将视音频文件从硬盘中调出，可有两路视频信号通过解压缩进入视频混合器，由视频效果控制DSP运行，对进入混合器的视频信号进行二维、三维数字特技变换，在混合器中完成叠加、键控等特技效果。当重放时由32bitRGB&Alpha图文帧所产生的图文在混合器中做实时混合处理，完成图像和图文字幕的叠加。音频信号经数字音频处理后输出。

非线性编辑之所以能够完成上述诸多功能，主要在于各种硬件技术的应用。这些技术主要有：视频压缩技术、数据存储技术、数字图像处理技术和图文字幕叠加技术等。

（一）视频压缩技术

在非线性编辑系统中，数字视频信号的数据量非常庞大，必须对原始信号进行必要的压缩。常见的数字视频信号的压缩方法有M-JPEG、MPEG和DV等。

1.M-JPEG压缩格式

很长时间内非线性编辑系统大都采用M-JPEG图像数据压缩标准。1992年，ISO（国际标准化组织）颁布了JPEG标准。这种算法用于压缩单帧静止图像，在非线性编辑系统中得到了充分的应用。JPEG压缩综合了DCT编码、游程编码、霍夫曼编码的算法，即可以做到无损压缩，也可以做到质量很好的有损压缩。在录入素材时，M-JPEG编码器对活动图像的每一帧进行帧内编码压缩，在编程过程中可以随机获取和重放所要视频的任一帧，很好地满足了精确到帧的后期编辑要求。M-JPEG虽然曾大量应用于非线性编辑系统中，但M-JPEG与前期应用的DV及其衍生格式（DVCPRO25、50和Digital-S等），以及后期在传输和存储领域广泛应用的MPEG-2都无法进行无缝连接。因此，在非线性编辑网络中应用的主要是DV体系和MPEG格式。

2.DV体系

1993年，包括索尼、松下、JVC以及菲利浦等十几家公司组成的国际集团联合开发了具有较好质量、统一标准的家用数字录像机格式，称为DV格式。DVCPRO格式是日本松下公司在家用DN格式基础上开发的一种专业数字录像机格式。其用于标准清晰度电视广播制式的模式有两种，称为DVCPRO25模式和DVCPRO50模式。在DVCPRO25模式中，视频信号采用4:1:1取样、8bit量化，一帧记录576行，每行有效样点为：Y为720，CR、CB各为180，数据压缩为5:1，视频数据率为25Mbps。在DVCPRO50模式中，视频信号采用4:2:2取样、8bit量化，一帧记录576行，每行有效样点为：Y为720，CR、CB各为360，采用帧内约3:1数据压缩，视频数据率约为50Mbps。DVCPRO25模式可记录两路数字音频信号，DVCPRO50模式可记录四路数字音频信号，每路音频信号都为48kHz取样、16bit。DVCPRO格式带盒小、磁鼓小、机芯小，这种格式的一体化摄像机体积小、重量轻，在全国各地方电视台都被广泛采用。因此，在建设电视台的非线性编辑系统网络时，DVCPRO是非线性编辑系统硬件必须支持的数据输入和压缩格式。

3.MPEG压缩格式

MPEG是Motion Picture Expert Group（运动图像专家组）的简称。开始时，MPEG是视频压缩光盘（VCD、DVD）的压缩标准。MPEG-1是VCD的压缩标准，MPEG-2是DVD的压缩标准。现在，MPEG-2系列已经发展成为DVB（数字视频广播）和HDTV（高清晰度电视）的压缩标准。非线性编辑系统如果采用MPEG-2压缩格式，将给影视制作、播出带来极大便利。MPEG-2压缩格式与Motion-JPEG最大的不同在于它不仅有每帧图像的帧内压缩（JPEG方法），还增加了帧间压缩，因而能够获得比较高的压缩比。在MPEG-2中有I帧（独立帧）、B帧（双向预测帧）和P帧（前向预测帧）三种形式。其中B帧和P帧都要通过计算才能获得完整的数据，这给精确到帧的非线性编辑带来了一定的难度。现在，基于MPEG-2的非线性编辑技术已经成熟，对于网络化的非线性编辑系统来说，采用MPEG2-IBP作为高码率的压缩格式，将会极大减少网络带宽和存储容量，对于需要高质量后期合成的片段可采用MPEG2-I格式。MPEG2-IBP与MPEG2-I帧混编在技术上已经成熟。

（二）数据存储技术

由于非线性编辑要实时地完成视音频数据处理，系统的数据存储容量和传输速率也非常重要。单机的非线性编辑系统需要应用大容量硬盘、SCSI接口技术。对于网络化的编辑，其在线存储系统还需要使用RAID硬盘管理技术，以提高系统的数据传输速率和安全性。

1.大容量硬盘

硬盘的容量大小决定了它能记录多长时间的视音频节目和其它多媒体信息。以广播级PAL制电视信号为例，压缩前，1秒视音频信号的总数据量约为32MB，进行3:1压缩后，1分钟视音频信号的数据量约为600MB，1小时视音频节目需要约为36G的硬盘容量。近年来硬盘技术发展很快，一个普通家用电脑的硬盘就可以达到300GB左右，通常专业的硬盘容量在1TB以上，因此现有的硬盘容量完全能够满足非线性编辑的需要。

2.SCSI接口技术

普通硬盘的转速还不能满足实时传输视音频的节目需求。为了提高数据传输率，计算机使用了SCSI接口技术。SCSI是Small Computer System Interface（小型计算机系统接口）的简称。目前8位的SCSI最大数据传输率为20MB/s，16位的Ultra Wide SCSI（超级宽SCSI）为40MB/s，最快的SCSI接口Ultra320最大数据传输率能达到320MB/s。SCSI接口加上与其相配合的高速硬盘，能满足非线性编辑系统的需要。

3.RAID硬盘管理技术

网络化的编辑对于非线性编辑系统的数据传输速率提出了更高的要求。处于网络中心的在线存储系统通常由许多硬盘组成磁盘阵列。系统要同时传送几十路甚至上百路的视音频数据就需要应用RAID硬盘管理技术。该技术把每一个字节中的位元分配给几个硬盘同时读写，提高的速度使其整体上等效于一个高速硬盘。这种RAID管理方式不占用计算机的CPU资源，也与计算机的操作系统无关，传输速率可以做到100MB/s以上，并且安全性能较高。

（三）数字图像处理技术

在非线性编辑系统中，我们可以制作丰富多彩的“数字视频特技”（Digital Video Effects, DVE）效果。数字视频特技有硬件和软件两种实现方式。软件方式是以帧或场为单位，经计算机的CPU运算获得结果。这种方式能够实现的特技种类很多，成本低，但速度受CPU的运算速度限制。硬件方式制作数字视频特技采用专门的运算芯片，每种特技都有大量参数可以设定和调整。在质量要求较高的非线性编辑系统中，数字视频特技是硬件或软件协助硬件完成的，一般能实现部分特技的实时生成。电视节目镜头的组接可分为混合、扫换、键控、切换四大类。多层数字图像的合成，实际上是图像的代数运算的一种。它在非线性编辑的应用有两大类，即全画面合成与区域选择合成。在电视节目后期制作中，前者称为“叠画”，后者在视频特技中用于“扫换”和“抠像”。多层画面合成中的层是随着新型数字切换台的出现而引入的。视频信号经数字化后在帧存储器中进行处理才能使层得到实现。所谓的层实际上就是帧存，所有的处理包括划像、色键、亮键、多层淡化叠显等数字处理都是在帧存中进行的。数字视频混合器是非线性编辑系统中多层画面叠显的核心装置，主要提供叠画、淡入淡出、扫换和键控合成等功能。

（四）图文字幕叠加技术

字幕是编辑中不可缺少的一部分。在传统的电视节目制作中，字幕总是叠加在图像的最上一层。字幕机是串接在系统最后一级上的。在非线性编辑系统中插入字幕有硬件和软件两种方式。软件字幕是利用作图软件原理把字幕作为图形键处理，生成带Alpha通道的位图文件，将其调入编辑轨对某一层图像进行抠像贴图，完成字幕功能。硬件字幕的硬件结构通常有一个图形加速器和一个图文帧存组成。图形加速器主要用于对单个像素、专用像素和像素组等图形部件的管理，它具有绘制线段、圆弧和显示模块等高层次图形功能，因而明显减轻了由于大量的图形管理给CPU带来的压力。图形加速器的效率和功能直接影响的图文字幕的速度和效果。叠加字幕的过程是将汉字从硬盘的字库中调出到计算机内存中，以线性地址写入图文帧存，经属性描述后输出到视频混合器的下游键中，将视频图像合成后输出，完成电视的图文字幕叠加。以上就是基于PC建立非线性编辑系统的关键硬件技术。