固阳音箱协会

专业视频格式转换大作战

影视制作2018-12-05 14:08:59

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在使用同一厂家的设备和后期系统配套使用时,并没有视频的转换成本,比如过去我们一直使用松下的DVCPRO的磁带来进行采编,从采、编、播都是同一套系统,几乎从来不需要进行视频转换。然而如今,我们都是许多不同厂家的设备和系统混杂在一起使用,比如SONY、RED一起拍摄视频产生不同的视频格式,比如将视频给音频后期使用、给现场LED大屏使用、给电影院的放映系统使用,这都需要不同的转换格式,一旦处理不当,必然在衔接的过程中浪费很多时间,笔者就遇到很多次看到LED大屏工作人员在现场转换视频,笔者几乎每次收到剪辑师发来的视频都要做转换才能导入DAW中。


01

 关于视频压缩 

不经任何压缩的视频需要极大的带宽来传输,比如我国使用PAL制式的视频格式为1920x1080 50i颜色取样为4:2:2 10Bit,仅传输图像就需要1.04GBit/s的带宽,HDSDI 采用1.5GBps的带宽,这是任何一个NLE系统都难以承受的,因此需要昂贵的硬件来处理。实际上广播级领域采用的画面,某种意义上已经进行了一些“压缩”,摄像机将传感器上的色彩抽样丢弃一部分降低至4:2:2 10Bit,这样实际上已经是降低了一半的带宽。即使是422格式,无压缩的视频依然会占用大量的空间,这给视频存储带来极大的难题。因此,人们发明了各种各样的视频压缩方式,民用方式有MPEG1/2/4、XVID等等,专业领域有DVCPRO、XDCAM、ProRes、DNxHD等等。


最常用的民用编码方式是MPEG、MPEG-2、H.264,他们通常使用在VCD、DVD、蓝光电影或者在线视频网站上,包括手机、数码相机的拍摄也基本是压缩为H.264 + AAC。其优点是占用空间小、画质不差,但编解码速度慢。随着这几年芯片技术的更新换代,H.264的软硬件压缩速度也比5年前提高了10倍不止,因此H.264是目前最常用的压缩方式。


遗憾的是,这些压缩方式使用IPB帧的方式进行压缩,尤其是H.264,由于大量使用前后参考帧。在对视频进行Seek(快速定位)时,需要进行前后搜索相关帧,导致解码的效率和速度变慢,但连续播放时又没有这种问题。也就是说,在民用压缩领域,为了最大限度地减小视频的体积以便于存储和传输,所采取的压缩方式中,视频的一些帧,只有画面的一部分,必须参考其他帧才能解码,尤其是H.264,甚至需要向前回溯十几帧才能解码当前帧。


而在专业领域,并不采用IPB的压缩方式,只压缩I帧,即不存在需要前后参考才能解码的帧。换句话说,专业领域所使用的压缩方式,它的每一帧都是“有效”帧,不需要参考其他帧来解码,这种方式可以随时精确地定位到视频中的任何一帧,Seek的速度非常快。

图1 IPB帧

02

 专业视频记录方式 

2.1 索尼Sony

Sony许多产品采用AVCHD方式存储视频,这是一种符合MPEG-4标准的H.264,拥有很高的压缩率,其画质也非常好,但不适用于后期编辑。这种格式在存储声音时,使用的是AAC 的压缩方式


Sony的专业产品中,高清磁带机使用HDCAM 格式,这是Betacam的高清版本,记录的码率是144Mbit/s,可以记录4个声道的PCM音频。HDCAM诞生于1997年,其分辨率只有1440x1080,在播放时插值到1920x1080,已不符合如今的高清标准,但摄像机本身可以通过SDI输出1920x1080的图像。


目前广播级常用的是XDCAM,也就是Sony的蓝光高清,专业领域的蓝光高清,是Tapeless 的,完全基于文件方式存储,最高质量的模式是HD422,采用MPEG-2 1080 50i 方式编码,码率是50Mbit/s,可以记录8 个通道的PCM音频。


对于专业领域而言,50Mbps的码率并不是一个很高的码率,画质还达不到电影拍摄的要求。因此Sony在对画质要求更高领域,如微电影、纪录片等有更高画质的摄像机,如常见的4K摄像机FS7,采用XAVC-I记录时,码率可达600Mbps。


2.2 松下Panasonic

松下的民用产品现在使用和Sony一样的AVCHD格式。松下的专业产品一直使用大家耳熟能详的DVCPRO,DVCPRO是基于磁带的,现在仍然广泛用于新闻领域。DVCPRO只支持标清格式,按照国内PAL的标准分辨率是720x576i,由于PAL 并不采用方形像素,这里还涉及一个像素高宽比的问题,在计算机上播放如果SAR(像素宽高比)设置不对会导致画面变形。DVCPRO 有25Mbit/s 和50Mbit/s 两种码率。50Mbit/s 在标清领域画质相当不错。


松下曾推出过DVCPRO HD的格式, 但是和HDCAM一样,码率高,分辨率达不到高清标准,同样是1440x1080。后来在高清领域,松下开发过一种叫做AVC-Intra的编码格式,这种格式本质仍然是一种H.264


2.3 佳能Canon

所谓无心插柳,当年“无敌兔”的横空出世,无意间使得佳能的民用产品EOS 5D2、5D3首次进入专业视频领域,大量使用5D2、5D3 拍摄的微电影、纪录片出现在人们的眼前,甚至电影中的某些镜头也使用5D拍摄,性价比非常高。


佳能的官方固件视频格式可选择两种,一种是IPB方式压缩的,占用空间小,另一种是只压缩I帧的,相信这是佳能为了打入专业市场特意开发的压缩格式。如今的5D3还可以通过HDMI输出422无压缩视频,已基本达到广播级标准,唯一的遗憾是其逐行扫描的CMOS不可避免地会产生果冻效应。


佳能的单反相机还可以使用第三方魔灯固件,这种固件可以让5D3直出RAW格式,遗憾的是,受Canon CMOS工艺的影响,除了果冻效应之外其宽容度也较差,目前只能达到12 档光圈的宽容度,在一些大光比的场合暗部细节保留太少,RAW格式对存储卡要求也过高,并不如使用单独外置的SSD录像机方便。


2.4 电影领域

由于电影领域对画质要求极高,基本已进入4K-8K 时代。因此,这些摄像机基本都支持直出RAW格式,或采用ProRes的压缩格式,这些格式对存储的要求都非常高,基本都直接支持SSD存储,电影领域已经实现真正的从前期到后期,到播出的完全数字化。当然,也有不少导演依然坚持用胶片来进行拍摄,但这已经不是趋势,这些胶片会第一时间用胶片扫描仪将其数字化。


03

 民用视频编码格式 

3.1 Win dows Media Video

(WMV/WMV-HD)

曾几何时,微软的WMV 也是有着相当竞争力的编码格式,在步入高清时代,也曾推出VC-1 与MPEG-4进行竞争,最终,败给了以SONY主导的H.264格式,蓝光成为了市场的主流。


3.2 Real Media(RM/RMVB)

在网络带宽极其匮乏的年代,Real Media凭借超高的压缩率,一度统领了我国的网络视频领域,在拨号上网的时代,Real是唯一可以在拨号上网的56Kbps带宽下观看视频的格式。随着更加先进编码方式的出现,Real Media现今已基本淡出人们的视野。这是一种伴随时代而生的产物。


3.3 H.264

MPEG-4是一个标准, 它的第十部分ISO/IEC14496-10,定义了一种高级视频压缩方式AVC,Advanced Video Codec,这种标准被称为H.264 AVC。许多厂家都对H.264有着不同的实现方式,比如民用领域中大名鼎鼎的X264 编码器就是对标准的一种实现。X264 有着极其优秀的画质,网络上流传的大量盗版电影大多采用X264编码。除此之外,各种民用相机、摄像机产品所使用的编码格式,也是H.264中的一种实现,本质也是H.264。


3.4 XVID/DVIX

在标清时代,在还没有H.264的时代,那一个DVD-Ray的年代,XVID曾经处于霸主地位,它的开发者觉得这是一个赚钱的好时机,于是离开XVID的开发小组,成立了一个公司,继续开发闭源的DVIX,而XVID则留给开源社区。时至今日,XVID也逐步地淡出了我们的视野,如今已经是H.264的时代了。


3.5 MPEG

习惯上我们把MPEG仅仅当成是VCD或者DVD的格式,其实MPEG是一个标准,或者说是一系列的标准,从MPEG-1、2到4,经过了十几年的发展,现在已经非常完善,基本上,无论是手机还是电脑,系统都会自带解码器,许多设备都可以硬件解码,是非常常见的编码格式,我们几乎每天都在使用它们,甚至连我们自己都没有察觉,它们无处不在。


3.6 H.265/HEVC

这是民用领域最新的视频压缩格式,是为了解决低码率下4K视频的压缩和传输而产生的一种视频压缩格式,在同样画质下,H.265标准的倡导者宣称可以节省50%左右的码率,这也就意味着,这是一种算法更加复杂的编码方式,根据笔者的测试,H.265压缩之后可以比H.264节约30%左右的空间,但压缩时间是H.264的5倍以上。遗憾的是,由于笔者的手机没有H.265硬解功能,因此H.265压缩的视频并不能顺利地在笔者的手机上播放。因此无论是用于民用还是专业用途,目前采用H.265 都还时机未成熟。


04

 视频文件的封装格式 

使用硬件设备时,我们并不关心视频是如何存储的,然而一旦进入后期环节,尤其是面对后期的第一步:上载/采集,我们就需要面对两个至关重要的问题:编码格式及封装格式。编码格式前面已经介绍了很多,下面我们来探讨一下什么是封装格式。


在计算机上,我们经常面对各种格式,如:AVI、MPG、MP4、MOV、MKV等等。不同的文件格式可以说代表了不同的时代,AVI是Microsoft发明的文件格式,应用在早些年的Windows中,MOV是Apple发明的格式,应用在苹果系统中。MPG 是伴随着VCD的发展而出现在人们的眼前,而MP4是第3代MPG等等。


原本这样分是没有任何问题的,我们一看到文件格式,就能想到文件可能采取的编码方式,然而随着时代的发展,不规范的格式越来越多。比如,我们可以将一个.mpg的文件名改为.mp4,我们发现播放器依然可以播放,我们甚至也可以把一个mp3文件的后缀改为mp4,依然不会有任何问题,这是为何?播放器不会从文件名来识别文件采取何种编码方式,而是通过读取文件头来识别文件,因此挂羊头卖狗肉的情况非常多。我们要想知道一个视频文件究竟采用何种编码,可以使用Media Info这样一个软件。


换句话说,靠文件扩展名来识别视频编码方式是一件不靠谱的事情,比如说曾经走进千家万户的VCD和DVD,VCD的视频文件是以XXXXXXXX.DAT的文件保存,而DVD则是XXXXXXXX.VOB的文件,这些文件看起来都是计算机无法识别的格式。然而,我们知道,其实VCD是符合MPEG-1的标准的,而DVD则是符合MPEG-2的标准,因此我们仅仅只需要将其扩展名改为.mpg,计算机就可以将其识别为一个视频文件,顺利打开。


05

 视频文件的转换 

我们会经常面临视频文件的转换,比如,有时候我们需要占用空间更小的视频,以方便传输,有时候我们需要将其导入到NLE 系统中,可以说视频格式的转换无所不在。


5.1 转换视频会导致质量逐步劣化

转换视频的过程中一个严重的问题是,视频质量会逐步劣化,原因就在于,我们日常所使用的这些常见的压缩方式,全是有损压缩!每一次进行转换就是一个再次压缩的过程,既然是再次压缩,必然就会导致视频的质量劣化。一两次转换可能并不明显,在进行多次转换之后,我们会发现视频中的色块越来越多,色彩也变得暗淡等等。如果是采用高压缩率的民用格式,那么一两次转换之后,视频质量就会严重劣化,看起来就像非常低端的手机拍摄的视频。


一个更致命的问题是,当我们从专业格式转为民用格式时,会进行一次色彩空间的转换。在民用领域,为了节省空间都是用YUV420的方式对色彩进行取样,我们知道专业领域都是YUV422,从YUV422到YUV420,会再次损失一半的色彩取样,视频的色彩进一步劣化,而且这个过程是不可逆的,丢失的色彩信息不可能找得回来。


有什么方法可以避免视频质量的劣化呢?在我们常见的后期流程中,很少会涉及将原始素材进行转换的情况,比如,松下的磁带和P2是DVCPRO,后期也会采集为DVCPRO,然后就用DVCPRO进行剪辑,最后成片再输出DVCPRO,从头至尾都没有变过,这种情况只是涉及视频文件的拷贝,不涉及转码。


那什么时候会转码呢?对于NLE 而言,如果使用各种不同编码的视频进行混编,是会有问题的,软件公司都声称它们的NLE 是兼容一切的,不需要进行转换。但结果是,我们发现,各种不同编码的视频混在一起编辑,会导致许多问题,比如一些软件会在编辑过程中频繁的进行后台渲染,一些软件会变得很不稳定等等。因此很多时候我们都需要将不同的片源转换为统一的视频格式再进行后期编辑。


5.2 专业格式

在专业视频领域,目前就两个阵营,一种是Apple开发的ProRes,一种是Avid开发的DNxHD,SONY的XDCAM,前面已经探讨过,其实就是MPEG-2。DNxHD 是Avid专有的并不开放的格式,只有Avid自己用,因此在专业领域,用得最多的其实是更加开放的ProRes。ProRes支持Alpha通道,即ProRes4444,这是视频后期特效非常重要的一种视频格式,支持透明通道,在特技叠加的时候是必不可少的,这也是AE的默认输出格式。关于ProRes详细信息,请参考苹果的官方文件,内容非常详尽。


如果你没有时间去看苹果的官方文件,这里给大家一个参考, 给LED视频用的, 请使用标准的ProRes422,给音频参考编辑用,请使用ProRes-422Proxy,标清视频用原始分辨率,高清视频可将其降低为720p,以节省空间。


5.3 转换软件

网络上有琳琅满目的编码软件,比如格式工厂、Media Coder、狸窝全能视频转换器等等,这些转换软件基本都是基于一个叫做FFMpeg的开源项目,FFMpeg是一个免费开源、跨平台的软件,这个项目已经走过了15个年头,可以解码几乎我们所能见到的任何一种视频格式,无论在Win、Mac 还是Linux都可以使用,是一个非常便捷的视频转换工具,各种视频转换软件几乎都有它。

图2 Adobe Media Encoder 参数设置

原本的FFMpeg是一个CUI,基于命令行的软件,需要手工输入命令和参数,使用起来并不方便,但是这种特点又非常利于与其他软件集成,很多转换软件都包含FFMpeg。


在对专业视频进行转换时,应该使用专业的转换软件,比如Adobe Media Encoder、Apple Compressor等等,这些软件内置的编码器是可以兼容专业设备的,比如对于SONY的专业蓝光盘,我们常用的方法是找一台蓝光播放器,一边播放视频,一边进行录制,这需要1:1 的时间来进行下载。


SONY 专业蓝光盘是一种基于文件的存储格式,所以我们可以使用专业视频转换器,直接将视频转换为XDCAM 1920x1080 50i,就可以将转换好的文件直接像U盘那样拷贝进蓝光盘中,不必1:1的进行下载,这样可以节省很多时间,也不用专门去找一台下载机,还可以提高视频的质量。


下面介绍几种常见视频格式转换,以Adobe Media Encoder为例,软件的设置界面是一成不变的,笔者这里只做一张截图,对于其他格式,其实都是大同小异的。


(1)松下的标清磁带,这种格式不是基于文件的后期流程,因此只能1:1的进行上载下载,采集时,我们只需要使用原本的DVCPRO就可以了。


(2)SONY XDCAM,文件格式选择MXF OP1a,按照我国的视频标准,视频编码器选择XDCAM HD 50 PAL(4:2:2)即可,转换之后的文件可以直接复制进蓝光盘中,可以直接用蓝光播放器播放。


(3)转换给LED大屏用,如果LED大屏使用苹果电脑,则文件格式选择QuickTime,视频编码器选择Apple ProRes 422。如果LED大屏电脑使用Windows系统,则选择MPEG2 即可。


(4) 转换给音频后期使用, 文件格式选择QuickTime,视频编码器选择Apple ProRes 422。


(5)转换给特效或合成软件使用,可以使用Apple ProRes 422 (HQ),或者直接拷贝原片,以获得较高的合成质量。


(6)转换给网络视频或者降低至民用领域,可以使用H.264,甚至干脆就用基于FFMpeg 的软件,或者在Windows 下使用MeGUI 或者StaxRip,以便获得更小文件体积,方便进行传输。

(文 / 贵州广播电视台 李理)


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