數字視頻類電子文件存儲技術研究

對于數字時代的數字視頻電子文件，它們具有便于加載、體積大、易受攻擊性強、交互式支持的特點，并且逐漸取代了傳統的vhs、beacon、v2000和3mm視頻存儲文件。大量數字視頻電子文件誕生。然而數字視頻技術復雜多樣,相繼產生了各種不同應用領域專用或通用的視頻格式,作為檔案歸檔保存的數字視頻格式需要遵循開放性、通用性以及標準化原則。我國早在2001年行業規章《檔案管理軟件功能要求暫行規定》和2002年國家標準《電子文件歸檔與管理規范》(GBT18894-2002)均明確提出電子文件類檔案應“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”的規定,但實際工作中依然存在一些問題。首先,根據數字視頻格式技術構成,數字視頻格式可分編碼格式和文件格式,二者共同決定了數字視頻的歸檔特性,上述國家標準中描述的“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準,規定不夠全面。其次,數字視頻在不同行業領域不斷更新換代且有著各自專屬視頻格式,存檔格式是否應該考慮格式的專用性和先進性?最后,為方便數字類檔案的網絡利用與信息公開,數字視頻類電子文件在存檔時是否有必要考慮結合不同視頻格式的可利用性?對此,筆者認為有必要從數字視頻類電子文件各種歸檔格式的特性出發考慮存檔格式選擇問題。1數字壓縮編碼技術數字視頻是由數字攝像設備直接采集,或是對傳統模擬影像信號采集后進行采樣、量化、壓縮編碼等數字化處理過程形成的一種具有平臺依附性的文件格式。上述數字化編碼過程既包括原始數據的壓縮過程和圖像、聲音、文字等不同類數據信息封裝過程,其過程分別對應產生了各種數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壓縮的原始視頻信號數字化后由于數據量龐大而不利于存儲共享,因此需要一種規則與標準規范其壓縮,即數字視頻編碼格式,也叫壓縮標準。壓縮標準指運用特殊的編碼手段對視頻中不影響人們聽覺、視覺體驗的冗余數據有效刪減的一種計算機處理技術標準,使用不同標準壓縮的數字視頻將表現為不同的編碼格式。國際上音視頻壓縮編碼標準主要是由ISO/IEC和ITU分別制定的MPEG和H.26x兩大系列標準。此外我國數字音視頻編解碼技術標準(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)等公司也根據自身的技術與行業優勢發布了一些音視頻壓縮標準。經統計,表1列出了10種目前常用視頻壓縮編碼標準,并分別從發布時間、機構、特性、標準類型、專利與開放情況和應用領域六方面分類描述。按時間順序各種標準,不難發現隨著技術發展,數字視頻編碼格式的制定機構主要還是ISO、IEC、ITU-T等專業標準制定組織,標準化程度打破國際標準類型的局限性,各種國家標準與行業標準陸續產生,國際標準的普及與通用程度明顯高于其他標準;壓縮性能向可變碼率、可選清晰度、高度交互性等方向發展;不同編碼格式在設計之初便有應用領域設定,如MPEG-1用于VCD、MPEG-2用于DVD/SVCD,H.264/MPEG-4AVC在藍光視頻、高清DVD、網絡視頻、安防監控、會議視頻等領域均有出色應用。1.2錄像視頻格式語匯數字視頻的文件格式,也稱容器格式或封裝格式,即將已壓縮的視頻流、音頻流、字幕及其他內容描述附加數據混合封裝在一個文件中的一種標準。不同封裝格式可封裝不同編碼格式壓縮的數字視頻,最終形成不同后綴名(或擴展名)的視頻文件用于存儲與播放。視頻文件格式眾多且特點各異,如AVI是最早的音頻視頻交錯格式,軟硬件支持優勢突出,但DVD及高清應用上不如MPEG格式,在網絡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匯總統計了目前流行的數字視頻文件格式,分析可得數字視頻文件格式的發展逐漸趨于流媒體、多軌道、支持元數據、多操作系統與應用平臺、多壓縮方式兼容等方向。2紙質文件為單一載體的原始性與載體內容為一標準和紙質文件相比,電子文件的非人工識讀性、系統依賴性、信息易變性、載體可分離等特性給其歸檔帶來了新的挑戰,紙質文件的載體原生性在電子文件時代不再適用,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、準確,即內容的原始性為唯一標準”2.1原址(1)視頻質量分析壓縮前的數字視頻是直接由電信號轉化成數字信號表達的視頻文件,是最清晰、最高質的視頻文件,但考慮到長期保存與利用,壓縮過程必不可少,壓縮后數字視頻文件的質量主要取決于其壓縮標準即編碼格式。筆者通過對表1中各種編碼格式的性能分析,認為從保證視頻質量的角度,綜合考慮到各種編碼格式的標準化程度、通用性、發展現狀及適用領域,建議優先選取H.264、MPEG-4、MPEG-2/H.262、MPEG-1這幾類國際標準編碼格式作為數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清為主,2010年國家檔案局《數字聲像檔案著錄規則(征求意見稿)》中,也僅對視頻檔案格式標準進行了標清級規定(2)數字視頻的電子文件的封裝格式數字視頻類檔案由于其豐富的網絡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計專門視頻類電子文件歸檔系統來進行格式的選擇與修改權限控制,這是目前國內外普遍采用的一種前端及全局控制的電子文件管理辦法;另一方面從數字視頻的文件格式本身出發考慮,在制作有存檔需求的視頻時應盡量選取以存儲為設計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作為較早的數字視頻文件格式,有較好的技術環境支持、兼容大部分編碼方式且易于轉換;MPEG、VOB(DVD/SVCD)、DAT(VCD)則是更多地運用于聲像檔案數字化后的磁盤及光盤存儲;MKV、MOV則是由CoreCodec及Apple公司開發的標準化程度較低但封裝方式先進、功能強大的新生格式;相比之下MP4格式在清晰度、標準化及支持本地、手機、網絡在線多種播放形式有明顯優勢。2.2可讀性(1)視頻格式編碼技術的實現可識讀是視頻類檔案長期保存的基本要求,對于數字視頻,軟硬件支持是實現視頻格式可識讀的基礎,因此產生了視頻編解碼技術及其相應的編解碼軟硬件。目前開源的視頻編解碼器主要有ffmpeg、Xvid、X264、ffdshow、CoreAVC等(2)非專利性法規中的封裝格式數字視頻標準化程度可從其格式標準化程度直接反映,表4匯總了各類視頻壓縮標準和封裝格式的發布機構,從中可以看出,由國際ISO/IEC、ITU-T、SMPTE等組織規定的壓縮標準已具備了廣泛的使用范圍和行業口碑,而封裝格式的普及并沒有受標準化程度的影響,除了標準化程度高的MPEG-PS、MPEG-TS、MP4格式之外,由其他非專門標準制定組織發布的MOV、MKV、AVI、RealMedia等封裝格式則占據了一定的市場。但若用于歸檔,由于公司定義的非國際化標準易受操作系統、兼容性等方面的限制,建議盡量使用國際標準化程度高的MP4、MPEG格式和提供標準源代碼開源的格式MKV進行封裝。3在選擇圖形格式時，需要注意以下問題3.1視頻格式的選擇隨著數字時代來臨,數字攝像、數字電視廣播、網絡視頻、數字視頻監控、數字視頻會議、移動數字視頻及模擬視頻數字化等數字視頻技術不斷發展與完善,各個視頻應用領域形成了適合其領域的常用視頻格式,因此有必要區分不同行業對視頻文件的需求與使用程度,選擇適合本行業的視頻歸檔格式。歐洲廣播聯盟EBU在其2010年研究報告3.2motion-pge-mpeg-2檔案編碼格式英國BBC技術總監RichardWright曾在《WhatArchivesWant》中將數字時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,有效利用是發展從世界范圍看,英國國家檔案館中建立的數字化指導項目《MovingHereProjectDigitisationGuidelines》中規定,視頻檔案的利用和存儲需要使