高清視頻技術在教學中應用

【摘要】高清視頻技術是電視技術發展的最新階段，和其他行業一樣，教育領域也面臨著如何應用高清視頻技術的問題。該文對HDV和AVCHD兩種高清視頻技術標準進行了理論分析和實驗論證，指出這兩種視頻技術標準是教育領域高清技術應用的合適選擇，并對兩種標準各自的應用對象作了闡釋。

【關鍵詞】高清視頻;教學;HDV;AVCHD

【中圖分類號】G432【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)08—0124—06

一 高清視頻與教育領域的牽手

高清視頻技術是電視技術發展的最新階段，是世界數字電視發展的趨勢，與傳統模擬標清視頻相比，高清視頻具有諸多優勢，接近于黃金分割比例的16:9寬屏幕，高達1920×1080的分辨率，可以實現7.1 路環繞聲，無論是從視覺效果或聽覺效果而言，都更具逼真感和震撼力。

進入二十一世紀以后，高清視頻加快了技術發展和市場應用的步伐，不少電視劇、廣告和紀錄片都開始采用高清設備進行拍攝和制作，電視臺、廣告公司和影視制作機構的攝制作設備逐步向高清系統升級。尤其是2008年奧運會全部采用高清信號進行轉播以及央視高清頻道的開播，極大地推動了高清視頻技術在中國的發展。然而，在教育領域中，高清視頻應用的步伐卻遲遲未能跟上。除了少數專業影視院校配備了個別高清攝制設備外，絕大部分高等院校和中小學都沒有條件拍攝和制作高清視頻。

阻礙高清視頻進入教育領域的主要門檻在于高昂的成本。傳統的高清電視技術HDTV主要有兩大標準，一是國際電信聯盟提出的ITU-R BT.709，視頻分辯率為1920×1080，包括逐行掃描的1080P和隔行掃描的1080i;另一種標準是美國電影電視工程師協會認可的SMPTE 296M，分辨率為1280×720，逐行掃描，稱為720P。無論哪一種標準，HDTV設備的價格都非常昂貴，一套完整的攝、錄、編系統價格在百萬元以上。這樣的價格即使對于專業的廣播電視機構而言，也是一筆高昂的開支，更不用說教育和其他一些事業性單位。

近年來HDV和AVCHD兩種高清技術標準橫空出世，這兩種技術標準接近HDTV的技術規范，而攝制設備價格和傳統的標清系統相差無幾，這使得阻礙高清視頻普及的最大障礙不復存在，高清視頻在教育領域的普及應用第一次成為可能，高清視頻與教育行業的牽手初現曙光。

二 選HDV還是選AVCHD?這是個問題

無論是HDV抑或是AVCHD，如果只出現一種新的低成本高清視頻標準，也許事情會簡單的多，但是，面對兩種新的技術標準，選擇成為必須。眾所周知，在視頻技術領域，設備的選擇從來不是一件容易的事情，原因如下:

1 視頻拍攝和制作設備價格昂貴，且必須成套購買，盡管HDV和AVCHD標準的高清設備和原有的標清設備價格相差不多，但一臺攝像機的價格也要在2-3萬元之間;加上制作視頻節目必須具備的錄像機和編輯電腦，全套設備也要在5-6萬之間。如果同時購置多套制作系統，更是一筆重大的開支，因此必須審慎地選擇合適的設備，確保經費投入的合理性。

2 視頻節目制作是一個系統工程，視頻內容的最終質量取決于多個環節，一般而言，某種技術標準的攝像機拍攝素材的畫質高低比較容易受到人們關注，但支持這種標準視頻格式的編輯軟件數量多少?兼容性是否良好?編輯過程的效率如何?這些都是在選擇設備時必須進行綜合評估的因素。

由于以上這些因素，當學校在考慮升級配備高清視頻制作設備時，往往面對設備采購的高昂經費支出，以及所獲得效果不確定性的雙重顧慮。

HDV和AVCHD，這兩種技術標準有什么特點?在實際應用中表現如何?究竟哪一種標準的設備制作出的視頻畫質更好?對于學校而言，綜合考慮成本和效果因素，應選擇配備哪種技術標準的高清視頻制作設備?面對這些問題，需要對HDV和AVCHD進行一次全面的分析和比較。

三 HDV和AVCHD的全面測試與比較

1 HDV和AVCHD的理論參數比較

HDV和AVCHD的基本情況對比如下[1] [2]:

兩者的區別主要有以下幾點:

a HDV主要支持兩種分辨率，1280×720和1440×1080，AVCHD除了支持這兩種分辨率以外，最高能支持1920×1080的全高清分辨率。

b HDV支持雙聲道音頻，AVCHD能支持更多的5.1和7.1聲道。

c HDV的數據碼率最高為25M Mbps(720P分辨率只有19M)，AVCHD的最高碼率只有18Mbps。

d HDV支持的存儲介質仍然是傳統的磁帶，AVCHD則支持光盤、硬盤和閃存多種存儲介質。

e HDV的編碼方式是MPEG-2，AVCHD的編碼方式是H.264。

2 HDV和AVCHD的實際操作應用測試

性能參數是了解HDV和AVCHD兩種高清標準的一個基礎，但是更重要的是考察兩者在實際操作環境中的真實表現，為此，筆者進行了專門的實驗。

視頻的拍攝和制作過程主要涉及三個環節——拍攝、采集、編輯，實驗參照視頻攝制的實際過程，對攝、錄、編三個環節進行相應的測試分析，以求得出全面可信的結論。

(1) 拍攝實驗

拍攝實驗采用兩臺攝像機同機位同步拍攝的方式，得到兩組近乎相同的素材，然后對兩組素材的各個方面內容進行比對。實驗選用了HDV格式的攝像機索尼 HVR-Z1C和AVCHD格式的松下AG-HMC153MC攝像機各一臺，這兩臺攝像機是兩種格式的代表機型，檔次相當，具有一定的可比性。

a 攝像機的設置:

為了獲得最高圖像質量，兩臺攝像機都選擇能記錄的最高格式質量，索尼 HVR-Z1C在1080i格式下，畫面分辨率為1440×1080，碼率為25M，松下 AG-HMC153MC在PH1080i格式下，畫面分辨率為1920×1080，碼率為21M(該攝像機定位專業級別，它的碼率高于AVCHD的標準)，同時，為了避免不同品牌場景模式設置的差異，兩臺攝像機都采取自動白平衡、自動光圈和自動對焦的設置。

b 鏡頭的設計

在校園中分別拍攝室內室外鏡頭各一組，使用推、拉、搖、移的基本拍攝技巧進行拍攝，拍攝的角度包括常用的近、中、遠景及特寫鏡頭，對象涵蓋靜物、運動物體、快速運動物體、人像，以及正、側逆光的狀況。共拍攝鏡頭30余個，挑選其中的14個典型鏡頭作為畫面比較的對象，鏡頭情況見表2。

c 拍攝實驗結果

兩者的畫質總體相當，尤其是在室外光線充足情況下的靜態畫面中，除了由于自動白平衡造成的色調不同，兩種格式的畫質沒有明顯區別。AVCHD的分辨率比HDV高，尤其在大屏幕播放時，高分辨率的優勢更容易體現，畫面清晰度略勝一籌。

室內光照不足情況下拍攝細微物體時，譬如文字內容，AVCHD的細節清晰度稍稍不及HDV。

動態畫面中，AVCHD有時存在一定的丟幀現象，表現為有拖影現象，HDV相對要好一些。

(2)采集實驗

HDV攝像機的存儲介質為磁帶，采用1394卡采集的方式導入素材，共采入HDV格式的視頻11分44秒，采集時間約為12分鐘，采集效率比約為1:1 ，文件大小2246366KB，平均碼率25526Kbs。

AVCHD攝像機的存儲介質為SD卡，采用讀卡器復制的方式導入素材，共采入AVCHD格式視頻約12分鐘，總大小約1899593KB。平均碼率21586Kbs，復制時間為35秒，采集效率比約為1:20。

雖然SD卡的復制時間受到SD卡讀取速度、讀卡器效率、USB接口速率等多種因素的影響，但毫無疑問，在數據采集階段，AVCHD明顯效率更高，操作也更為方便。

(3)編輯實驗

a 實驗硬件環境

CPU:Intel Core 2 Duo E6550;

顯卡:ATI 3600

內存:2G

硬盤:希捷 500G

b 實驗軟件環境

實驗在Windows XP SP3操作系統上進行，編輯軟件選取Adobe公司的Premiere Pro CS4，Premiere Pro在教育領域中應用非常廣泛，Premiere Pro CS4對HDV和AVCHD兩種格式都有較好的支持。

c 編輯操作項目

實驗選取了實際編輯過程中的一些常見操作，包括時間線瀏覽、改變速度、添加單個和多個濾鏡效果、導出文件。

d 實驗方式

通過進行上述編輯操作，觀察系統的實際運行反應，并用軟件記錄CPU的占有率，分析系統的負荷情況。

e 實驗數據

兩種格式的素材在時間線上直接播放時，都非常流暢，沒有任何停滯。HDV的CPU占有率在5.5%—53%之間，AVCHD的CPU占有率在12.6%—88.6%之間。

對一段10秒的素材片段更改幀速率，將幀速提高至150%，不加渲染，在時間線上預覽，CPU的占有率曲線如下，HDV從5.5%逐漸上升到71%左右，播放仍然非常輕松，AVCHD從12.6%，很快上升到95%左右，CPU處在較高的負荷狀態下。

對一段10秒的素材添加濾鏡Gaussian blur，然后進行渲染，CPU的占有率曲線如下，HDV從5.6%逐漸上升，5秒鐘后接近100%，AVCHD從12.5%逐漸上升，4秒鐘，CPU一直是100%滿負荷運轉。

(4)對一段10秒的素材添加濾鏡Turbulent Displace + Edge Feather + Gaussian blur + Color Balance，并進行渲染，CPU的占有率曲線如下，HDV從5.5%逐漸上升，4秒鐘后保持100%負荷，AVCHD從11.5%逐漸上升，3秒鐘后CPU基本保持100%滿負荷運轉。

(5)將一段20秒的素材轉碼輸出為wmv文件，HDV的CPU滿負荷運轉時間大約為20秒，AVCHD的CPU滿負荷運轉時間大約為40秒。

由上述實驗數據可見，對于后期編輯而言，HDV對于系統的要求明顯低于AVCHD，在目前主流的計算機環境下，HDV的編輯操作總體比較流暢，在多濾鏡渲染，轉碼輸出等CPU負荷較重的操作中，效率比較高。而AVCHD的編輯總體不是很流暢，經常有停頓，機器卡的現象，在多濾鏡渲染，轉碼輸出等CPU負荷較重的操作中，系統運行有一定困難。此外，通過對比轉碼后的文件，HDV轉碼后的視頻質量損失相對較小，而AVCHD轉碼后的文件和原始素材相比，質量損失較大。

對于HDV和AVCHD兩種高清標準的實驗結果，有一些很容易理解，比如AVCHD采集效率較高是因為記錄方式由磁帶存儲改為存儲卡存儲，從而簡化了素材的采集方式，提高了采集速度。而有些結果，如AVCHD的分辨率較高，而細節和動態部分不如HDV;HDV的編輯要比AVCHD明顯輕松，這些現象背后的原因究竟是什么?為了更加清楚和深入地了解這兩種高清視頻格式，我們有必要對這兩種高清技術進行更深入地分析，從理論層面對實驗中的現象作出解釋。

四 編碼決定一切——對兩種高清視頻標準的理論分析

高清視頻最大特點在于具有高清晰度的畫面，從技術角度而言，這意味著更高的分辨率和更多的色彩數，記錄、存儲和編輯高清視頻需要處理的數據量比傳統的標清視頻高得多。無論是攝像機還是編輯系統，都需要具備高性能的芯片、大容量的存儲介質和高帶寬的數據交換通道。這正是高清視頻設備價格昂貴的原因所在。

HDV和AVCHD這兩種稱之為低成本的高清技術，主要從視頻壓縮編碼技術入手，在基本保持畫面質量的同時，采取高效的壓縮編碼算法，提高了數據壓縮率，從而降低了視頻的碼率，也降低了高清視頻制作的成本。

1 HDV的MPEG-2編碼方式

DV是數字標清時代最流行的視頻格式，HDV被比喻成高清領域的DV，HDV和DV的碼率相同，都是25Mb/s，標清DV的原始數據是125Mb/s，原始數據和最終壓縮數據的比率為5/1，HDV原始數據約為500M/s，原始數據和最終壓縮數據的比率為20/1。毫無疑問，HDV的數據壓縮率更高，在相同的記錄數據量中，HDV傳輸了更多的原始信息，兩者的根本差異就在于采取了不同的壓縮編碼方式。

DV編碼采取的是幀內壓縮的方式，幀內壓縮也稱為空間壓縮，當壓縮一幀圖像時，僅考慮本幀的數據而不考慮相鄰幀之間的冗余信息，這實際上與靜態圖像壓縮類似。

而HDV的MPEG-2編碼除了幀內壓縮以外，還采取了幀間壓縮的方式[3]。由于視頻的連續前后兩幀具有很大的相關性，即連續視頻的相鄰幀之間具有冗余信息，根據這一特性，壓縮相鄰幀之間的冗余量就可以提高壓縮量，減小壓縮比。MPEG-2非常善于利用視頻幀之間的相似度，它將視頻分割成不同的幀類型，包括I幀、B幀和P幀。

I幀提供一個參考點，作為其他幀產生的基礎。P幀是用前一個 I幀(或P幀)來進行運動補償預測所產生的圖像，與I幀相同的信息不傳送，只傳送主體變化的差值，這樣就省略了大部分細節信息。新生成的P幀又可以作為下一幀的參考幀。B幀是利用前、后的I幀或P幀進行運動補償預測所產生的圖像，它只反映I、P畫面的運動主體變化情況，因此在重放時既要參考I幀內容，又要參考P幀內容，所以B幀被稱為雙向預測幀。MPEG-2編碼除了幀內壓縮方式以外，通過基于運動補償的幀間壓縮技術，大大提高了數據壓縮的比率。

2 AVCHD的H.264編碼方式[4]

H.264編碼方式的基本思路和MPEG-2相同，也是通過幀內編碼消除空間冗余，通過幀間編碼消除時間冗余，但在具體細節處理上引進了許多新的技術，為了表述簡單(盡管不十分精確)，我們可以粗略地將H.264視為MPEG-2編碼技術的進一步升級版。

(1)H.264的變化之一是在幀內編碼中加入了幀內預測編碼技術，即解碼時可用周圍數據的差分值來重構畫面。幀內預測以特定大小的塊作為基準單元，從周圍像素中預測編碼化的模板。H.264的基準塊大小分4×4和16×16兩種，前者有9種預測模式，后者也有4種模式。因為原圖像左右、上下都有一定的相關性，不同部分的差分值比不進行幀內預測的原始值要少，所以量化后的編碼量就減少了。

(2)運動預測塊中采用了全面預測技術。H.264在檢出運動矢量時，能選定最合適的大小來進行，因而運動矢量檢出的精度較高。MPEG- 2只有一個運動矢量檢出模式，而H.264有7個之多。運動矢量探索單元分得細，就能找到更多的靜態部分，從而控制了運動細節的編碼量。

(3)增加了參考幀的幀數。在H.264中可以參考多達前后5幀的畫面，參考幀越多，幀間壓縮的數據量也就越大。

通過上述分析可見，HDV和AVCHD兩種高清視頻標準主要通過壓縮編碼技術的優化，以較小的碼率獲得了較高的畫面質量，從而在較低成本下實現了高清視頻技術的應用，AVCHD比HDV具有更高的分辨率和聲道數，但視頻碼率更低，依賴的也正是更高效的視頻編碼算法。

通過對兩者編碼方式的分析，剛才的實驗結果得到了合理的解釋。HDV和AVCHD引以為豪的高壓縮比可謂一把雙刃劍，一方面，通過編碼算法的優化，這兩種高清技術以較低的成本實現了高清視頻，拍攝和直接播放的畫面效果不錯，為高清的普及應用發揮了重要作用;另一方面，這種通過前期壓縮信息的方式也埋下了編碼算法復雜，系統要求高，信息冗余度低，可編輯性較弱的隱患。AVCHD分辨率高，而細節和動態部分不足，正是由于高壓縮比損失了一部分畫面信息的緣故，而后期的播放和編輯對系統要求非常高，也是由于編輯過程中數據解碼和編碼太過于復雜。

五 合適的才是最好的——教學中高清視頻技術的應用

視頻技術由標清向高清發展是一個不可阻擋的發展趨勢，這個趨勢正在逐步成為實現。與其他行業一樣，教學領域同樣面臨如何應用高清視頻技術的挑戰，從教育技術專業課程教學內容的確定、實驗平臺搭建，實驗器材的配備，到信息化教學中視頻資料的采集、傳輸和處理，涉及的一系列問題亟待進行研究和探索。本項研究旨在為此提供一些參考。

1 HDV和AVCHD是高清視頻在教學中應用的主要選擇

對于教育領域而言，HDV和AVCHD是實現高清視頻的兩種主要選擇。從成本角度而言，傳統高清HDTV的設備價格仍然十分昂貴，只有極少數專業影視院校才具備相關條件，無法得以廣泛的應用，HDV和AVCHD的專業攝像機價格在2—3萬元之間，5—6萬元可以配備成套的攝錄編系統，成本和原來的專業標清系統相當。從畫質而言，HDV最高支持1440×1080，AVCHD最高支持1920×1080，已經接近或達到了全高清的分辨率標準，實際拍攝的畫面質量也都達到了理論上的畫質效果，完全符合教學領域的應用需求。

2 專業教學的首選——HDV

對于專業教學而言，從課程內容到實驗平臺，都應當首選圍繞HDV標準構建高清視頻平臺。主要有以下幾個原因:

(1)HDV格式建立早，技術標準比較成熟，應用廣泛。

(2)HDV格式本身定位于專業級應用，硬件設備如攝像機、錄像機和非線性編輯系統齊全，而且以中高端設備居多。

(3)HDV得到了非編軟件的廣泛支持，幾乎所有的主流非線性編輯軟件都能為HDV格式提供良好支持。

(4)最重要的一點在于，HDV相對較好的可編輯性符合專業應用的要求。盡管素材分辨率沒有AVCHD高，但編輯軟件的良好支持，較為流暢的編輯感受，編輯后質量損失較少，這些都是專業應用重要的特點。

3 入門應用的伙伴——AVCHD

與HDV最初定位于專業應用不同，AVCHD從誕生之初，就把高清視頻家用化作為發展的一個目標。AVCHD最大的特點在于非常先進和復雜的編碼技術，這使它實現了低碼率，高畫質的神話，但是也因此造成了后期編輯的復雜和困難——需要配置極高的電腦才能進行編輯操作，支持AVCHD編輯的非線性軟件較少，編輯后質量損失較大等等。所以，對于側重后期編輯的專業應用而言，AVCHD無法成為一個理想的選擇。但是，對于普通教師拍攝一些教學素材直接播放，或者進行一些基本的剪輯，AVCHD卻是一個非常好的伙伴，它的操作更簡單，更方便，還有不少其他的優點:

(1)AVCHD攝像機比HDV更便宜，也無需錄像機，實現高清視頻的成本非常低。

(2)AVCHD拍攝的畫面比HDV的像素更高，尤其是拍攝后直接在大屏幕上播放的效果比HDV更清晰。

(3)AVCHD拍攝的素材可以直接拷貝進電腦，素材的傳輸、存儲和交換非常方便。

對于HDV和AVCHD兩種高清視頻技術而言，我們并不能簡單地說哪一種格式更好，本次研究可以說明，這兩種高清視頻格式都可以在教育領域中得到有效應用，如何針對不同的用戶對象和應用環境進行合理的選擇才是最為重要的。

參考文獻

[1] HDV論壇[EB/OL].

[2] AVCHD資訊網站[EB/OL].

[3] 姜紅霞，李豪杰.數字電視視頻編碼技術的研究[J].中國有線電視，2007，(16):38-39.

[4] H.264詳解[EB/OL].