mxf高速发展和数字电影母版制作技术.docx

mxf高速发展和数字电影母版制作技术.docx

《mxf高速发展和数字电影母版制作技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《mxf高速发展和数字电影母版制作技术.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

mxf高速发展和数字电影母版制作技术

mxf高速发展和数字电影母版制作技术

数字电影打包内容（Packaging）

在数字电影领域，打包（Packaging）是指将节目素材（含图像、声音和字幕）按照一定的规则进行封装和组织，以用于节目传输和存储。

     在数字电影发展初期，下发到影院的数字节目没有统一的播放格式，厂商使用私有节目格式，这导致发行制作单位必须拥有与多个厂商播放服务器配套的母版制作系统，因而增加了制作成本，也导致节目文件不具备互交换性，加密和版权保护技术也不能实现统一。

数字电影文件打包经历了私有格式、MPEGMXFInterop格式、JPEGMXFInterop格式、SMPTEMXF格式的发展历程。

随着国际、国内标准化进程的推进，目前数字电影行业已经使用了统一的打包格式，我国专业数字电影系统也已逐步与国际标准相接轨，节目内容已实现互通。

     数字电影打包主要应用了素材交换格式/可扩展标记语言（MXF/XML）技术。

在打包过程中，使用MXF对图像、声音和字幕素材进行封装，使用XML对封装形成的MXF文件进行组织。

MXF封装支持加密和不加密两种模式，当需对影片进行加密时，MXF文件中嵌入的素材数据首先须经加密处理。

在使用XML对MXF文件进行组织的过程中，主要形成合成播放列表（CPL）、打包列表（PKL）和资产映射表等XML文件。

数字电影数据包（DCP）是打包过程的最终产物，由这些内在关联的MXF和XML文件共同组成。

     数字电影打包涵盖操作模式（OP,OperationalPattern）、合成播放列表（CPL）、打包列表（PKL）、图像与声音数据封装、KLV数据加密、字幕轨迹文件及其XML加密、数字电影证书（X.509V3）、图像压缩编码要求及DCDM要求等要素，其中操作模式（OP）通过格式限定以及定义不同的结构元数据来限制与约束MXF的复杂性，即限定MXF的应用环境，如图所示。

     打包技术在数字电影领域非常重要，它一方面保证了不同设备厂商提供的数字电影编码器所生成的数字电影数据包（DCP）的通用性，另一方面也保证了不同设备厂商提供的数字电影播放服务器之间的互操作性（Interoperability）。

 数字电影打包涵盖要素

1.实现MXF的诺言——格式只是迈向可互操作内容管理的一步

当把元数据加到数字内容的MXF（素材交换格式）标准通过EBU于2002年推出时，当时曾预期广播机构将会迅速无缝地管理其所有来自不同厂家的制作、后期和分配系统上的数字内容。

   六年过去了，MXF已经在广播机构中得到广泛采用，但支持者现在认识到为制定可完全互操作、与厂家无关的管理标准还有很长的路要走。

   先进媒体工作流程协会AMWA（前先进创作格式协会）在NAB2007组织了MXF母版制作格式项目的首次公开演示。

演示重点包括用MXF元数据从一个档案库调用文件，以便在播放期间动态实时插入一段波兰语录音。

   作为MXF的共同制定者，AMWA一直在与Pro-MPEGForum和SMPTE合作。

据AMWA一份报告，此过程的的根源在于为一个内容管理链中任何人都可公开获得的文件传输格式开发开放性标准的挑战。

在理想情况下，MXF通过改善内容创作工作流程，而元数据无需重复性地再登录，支持所有数字视频、音频和图形文件的无缝处理。

    包裹单

   “MXF是一种开放的文件格式，针对带相关数据和元数据的音视频素材的交换，”史诺伟思技术副总裁兼此标准总架构师BruceDevlin表示，“其设计和执行宗旨是改善服务器、工作站及其它内容创作设备之间的基于文件的互操作性。

”

   今年1月在史诺伟思公司举行的AMWA欧洲会议回顾了过去6个月与MXF有关的工作，其中包括新近成立的媒体服务架构组（MSAG），此小组负责提供关于数字媒体工作流程中企业级软件技术的架构和最佳惯例。

   MSAG的工作包括建立一个提供协作编辑他们的文件之环境的平台。

开始时的一个重点放在为面向服务的架构（SOA）和万维网服务开发一个术语表。

   作为迈向标准化服务接口的一步，该小组还检查采集过程。

   “MXF现在是一个相当公认的行业标准，在专业视频领域内得到广泛支持，”Avid公司基础设施解决方案总监SamBogoch表示，“要点是MXF为不同种类的元数据提供一种包装器，就像一张描述内部物品的包裹单。

”

   哈里斯电视软件产品部产品市场总监CandyHelgerson称，此“包裹单”帮助用户更有效地管理其资产。

“现在我们能够存储资产，有需要时搜索相关元数据。

这适用于用MXF包装的任何资产，不管它在哪儿取得。

”

   她补充说：

“MXF正在满足对支持内容数据开包和转换为元数据的数字资产管理产品的需求，我们发现大量感兴趣的MXF新用途，因此我们对取得的进展非常乐观。

”

    事实标准

   MXF正日益成为新产品事实上的标准交换格式，汤姆逊草谷系统解决方案部市场总监EricDufosse表示。

“但采用旧格式的广播设施内仍有许多传统的系统。

”

   Dufosse认为MXF未得到充分利用。

“建立完全透明的互操作性过程还任重道远。

使用一种与MXF一样大的格式标准，你必须确保文件本身是真正兼容的，而非只是元数据。

”

   主档的MXF主要被用于只有一层的单独片段，Dufosse说，“正在扩展此模式以便利用MXF的在多个层上处理多个片段的能力的人士和公司不多。

正在转向较复杂档的MXF的有关单位也不多见。

”

   特纳广播系统公司全球广播技术和标准高级副总裁ClydeSmith证实此标准已较普及。

“我们所做的一个调查显示10万套多种多样的支持MXF设备已销往市场。

就算你不相信每一个新闻稿，你仍可以说有大量的MXF设备被实际部署。

”

   Smith表示，大部分这些设备被限制于MXF最简单的OP-1A层。

“此层产生工作流程内的优点，但随着你进入更复杂的工作流程，如自动化再创作内容以便分配给其它平台，你发现需要超越OP-1A。

”

   一个主要的例子将是广播一个多语种的节目，该节目每天不同时间、不同地理区或因文化敏感而有变动。

   Smith说：

“MXF更复杂层将使你跨所有语言变化再创作内容，因此主体保持不变，但字幕、致谢名单和音轨可充分利用这些高级层，选择和显示终端用户挑选的无论哪种内容。

”

   制造商现正进入MXF更高和更复杂的层，Smith补充说，“但它是一个教育过程的一小段。

MXF是非常大的工具包，业界正在学习哪些MXF工具用于哪些问题。

”

   特纳和PBS都在与厂家合作开发高级MXF的播出应用程序。

NBC正在把更高层应用于奥运会。

   “在某地的人士可以使用MXF编辑一个节目的一部分，而别的地方的编辑可处理另外的部分，”Smith说，“他们不必在他们之间来回地传输整个节目就可以工作，只需要他们实际在使用的那一部分。

而且他们不用担心分离部分在成品中无缝地结合的问题。

”

   Smith表示，时间和带宽成本的实在节省是你从MXF高级层获得的一些主要优点。

    现实检验

   Pro-Bel美国公司总裁NeilMaycock表示，当人们认识到MXF是一种能在啦论坛www.zai.la使数字产品可互操作的标准时，它在其最初几年中经受了现实检验。

   “现在我们对MXF能够实现互操作性已经有很深的认识，但它并不保证你的产品将与来自其它厂商的产品兼容。

”

   Smith说，MXF规范是如此之大，以至于你不可能令每一个设备和应用软件与MXF每一部分百分之百兼容，因此你必须开发实际的实施工具。

现在要求的东西是终端用户和厂家提出MXF标准内切实可行的模式，此模式将跨多个厂商和多种设备实际运行。

   Dufosse表示赞同。

“我们需要更好的粘合剂令所有产品协调地通信，而MXF就是此向系统一体化迈进的更大趋势的一部分。

”

   Bogoch把MXF视为为终端用户隐藏媒体资产管理系统的复杂性的一种方式。

   “行业的未来是相当丰富多彩的媒体环境，在此环境下工作可以例行公事地做，而5年前是根本不可能的。

例如，Avid正在开发简化的API，它不用终端用户编写复杂的脚本，即支持交换格式。

”

   随着MXF采用的普及，广播设施其它组成部分都感受到其影响，如自动播出系统。

   “我觉得MXF的大量采用的趋势摆明自动化的元数据成为一种标准格式，”哈里斯公司Helgerson表示，“我们将看到电视台内有更多的MXF与业务系统（如销售和交易等）的集成，因此广告代理可以发送一个以MXF打包的商业广告，就不用再想有关问题了，如什么时候、什么位置它可以播出，或者此广告是否与电视台的非线性编辑系统或广告插播服务器兼容。

”

   Maycock预测MXF最终将与新SMPTE广播交换格式（BXF）集成在一起，BXF是一种基于XML的标准编程接口，用于服务器、自动播出系统和交易记录系统之间路由和显示信息的传送。

   “MXF和BXF正在为电视台运作中多种媒体格式管理的总过程解决犬牙交错难题的一些主要部分，我们还在考虑最终实现数字媒体的愿景。

”

    一种发展中的标准

   Omneon视频网络公司产品市场副总裁PaulTurner认为今后几年MXF的最高级将得到广泛采用。

   “所有厂家开始时都通过基本的OP-1A产品慢慢启动，原因是每一种设备都必须能处理作为文件传送最低共同点的OP-1A元数据，档案库存储器公司明白这种需求，服务器公司、编辑系统公司等等也都明白。

”

   他说，MXF已经获得了推动力，现在像Omneon等的公司都在生产100%的MXF产品。

最高境界是能一次性地创作在任何地方都可播放的文件。

   尽管如此，Turner仍视MXF为一种发展中的标准。

“MXF是难以置信的大规范，MXF的创制者是非常聪明的人，他们拥有为你能想象的每一个工作流程模式提出交换规定的远见卓识。

面对那么大规模的规范，对每种工作流程应用仍有大量工作要做。

”

二：

数字电影母版制作技术

【摘要】随着数字电影技术的进步，先进的数字电影母版制作技术在国外已经得到广泛的应用。

我国数字电影母版制作已经有比较长的时间，目前母版制作技术水平与国外还存在一定的差距。

本文详细介绍了数字电影母版制作流程、相关技术细节和实践经验，以供数字电影母版制作系统应用与开发人员参考。

     【关键字】数字电影数字影院数字电影发行母版数字电影母版制作KDM数字电影发行数据包

      一、引言

     数字电影改变了影片加工制作的方式，在数字影片加工制作环节，数字母版制作是关键的技术和流程。

数字电影母版制作指的是将数字电影发行母版（DCDM）经过压缩、加密、打包等技术处理，形成发行到影院的数字电影数据包（DCP）的系统过程。

     在数字电影发展初期，数字节目文件格式没有统一，市面上存在着着多种数字电影服务器厂商，也存在多个与之对应的数字电影母版制作系统。

一部影片在母版制作阶段，必须经过多个厂商的母版制作系统进行加工处理，因为没有统一的发行格式导致发行成本增加；也导致影片在不同放映服务器之间不具备互操作性和互交换性；加密和版权保护系统不能够统一；广告片、预告片和故事片被习惯性的编码在一起，这些都严重地阻碍了行业的发展。

通过国际标准化组织的多年努力，到2007年底发行节目文件格式标准终于得以确定，至此，数字电影母版制作技术有了统一的标准可以参照。

     传统胶片电影以胶片为载体，无论是广告片、预告片还是故事片，都以“本”（reel）的形式存在，胶片上包含着图像、声音和字幕等信息，影院放映时需要将不同的“本”由两台放映机轮流放映或在大盘上接在一起放映。

数字电影与传统胶片电影之间有一定的映射关系，数字电影以数字存储介质为载体，放映的节目内容为了替换、编辑、存储、传输方便被分为多“本”，图像、声音和字幕都以轨迹文件的形式单独存储；在影院服务器上播放时，首先编排好放映播放列表，节目素材依照播放列表中指定的顺序进行播放。

     以上是将传统胶片电影转换为数字电影的一些特征。

可以看出，数字电影母版制作虽然有别于传统胶片电影底片制作，但在母版制作过程及最终生成的DCP中仍然保留着传统胶片电影“本”的概念。

数字电影与传统胶片电影之间的映射关系及“本”的含义是讨论数字电影母版制作工作流程首先要理解的概念。

      二、数字电影母版制作工作流程

     典型的数字电影制作系统过程如图1所示：

图1 数字电影制作系统过程

     影片图像经过数字中间片（DI）系统处理，再经过色彩空间转换（转换为X`Y`Z`色彩编码）形成图像文件，连同声音文件、字幕文件等DCDM文件作为母版制作系统的输入数据。

母版制作系统将图像文件压缩、加密、封装为图像轨迹文件，然后与封装形成的无压缩音频轨迹文件及字幕文件进行同步并合成，最后打包、资产映射形成符合标准的数字电影发行数据包（DCP）。

     数字电影中，影片素材的轨迹文件封装格式为MXF（SMPTE372M）文件格式。

这里轨迹文件分为图像轨迹文件、声音轨迹文件和字幕轨迹文件三类。

一个轨迹文件代表一个“本”所包含的图像、声音或字幕数据。

     数字电影母版制作过程如图2所示：

图2 数字电影母版制作过程

     首先需要对输入的大量数据进行验证，控制输入数据的质量。

图像数据是所有输入数据中文件数量最多、占用存储空间最大的数据。

按照SMPTE428-5标准要求，图像数据为单帧TIFF文件形成的文件序列。

一部影片所包含的TIFF文件大约有20万个，如果图像为2K的数据，占用的存储空间大约为2TBytes，4K的数据量是2K数据占用存储空间的4倍。

声音数据按照SMPTE428-4标准要求，为单个广播波形WAV文件，对应每个“本”每个声道，也就是说每“本”6个文件，6“本”5?

1声道的影片需要36个WAV文件。

     接下来母版制作系统对无压缩TIFF文件进行编码压缩处理，为每个TIFF文件生成JPEG2000压缩码流文件。

之后，图像、声音都进行MXF封装（加密）形成MXF轨迹文件，通过调整合成播放列表（CPL）中各轨迹文件的入点和持续时间，使图像轨迹和声音轨迹同步。

再下一步，将合成播放列表、轨迹文件等影片素材打包形成DCP，存储到物理介质中。

最后一步是最终质量控制，确保当前版本的影片内容在影院可以正常播放。

      三、数字电影母版制作技术

     1、色彩空间的转换

     色彩空间的转换是母版制作系统处理图像数据时经常要面对的问题之一。

存储于DI系统的数字源母版（DSM）通常为RGB图像文件，DSM到DCDM需经历两次转换过程。

首先，DSM色彩编码转换为XYZ编码；然后，XYZ编码转换为X`Y`Z`编码，最终DCDM图像文件是X`Y`Z`编码的TIFF文件。

DCDM色彩编码的基础是CIEXYZ三色刺激值系统，这些值与光是线性关系，而人眼与光是非线性相关。

因此必须将XYZ进行以下编码转换：

     CVx′=INT［4095×（L×X52?

37）1/2?

6］

     CVy′=INT［4095×（L×Y52?

37）1/2?

6］

     CVz′=INT［4095×（L×Z52?

37）1/2?

6］

     式中：

INT代表四舍五入，L为放映机白光亮度。

     由于实际的DSM图像文件具有多种色彩空间类型，母版制作系统除接收符合SMPTE428-5要求的X`Y`Z`文件外，也允许接收其他色彩空间图像文件，包括：

DCIP3R`G`B`、XYZ、ITURec?

709R`G`B`等。

在母版制作系统中处理这些色彩空间的转换会消耗一定的时间，影响母版制作的效率。

      2、数字导片

     数字导片是为方便质量控制在每个“本”的影片内容画面前后增加的内容片断。

如下图所示：

图3  数字电影导片

     头部导片中第一帧是起始画面，随后是6秒钟的倒计时画面，在145帧处为“pop”信号，用于最终质量控制（FinalQC）时验证音话同步。

整个头部导片为8秒钟，共192帧。

头部导片后紧跟的影片画面第一帧称为FFOA（thefirstframeofaction）。

尾部导片的第48帧同样有一个“pop”信号，是音画同步的第二次确认。

尾部导片为4秒钟，共96帧。

尾部导片第一帧之前的影片画面最后一帧称为LFOA（thelastframeofaction）。

     母版制作过程形成“本”的轨迹文件后，轨迹文件中应该已经包含有头部导片和尾部导片，影院播放的影片CPL中，各“本”指定的入点应位于头部导片之后。

     3、输入数据的质量控制

     母版制作过程需要消耗很长的时间，特别是图像的压缩、封装和加密过程。

所以验证输入数据的正确性非常必要，否则一旦失败就要付出时间代价，可以人工或者编写脚本自动对文件进行处理和验证。

     图像的验证包含以下几个部分内容：

（1）验证特定“本”文件目录下的文件序列是否有缺失、文件命名是否符合要求

     文件的缺失会导致编码压缩过程失败或创建MXF文件失败，文件命名的错误会导致找不到要处理的文件。

（2）验证TIFF文件具有正确的图像结构

     通过查看TIFF文件属性可以验证是否具有正确图像结构：

     图像结构错误会导致编码器或解码器异常。

     （3）验证查看每个“本”的FFOA和LFOA在文件序列中的位置

     （4）确定图像所使用的色彩空间

     可以使用专用显示设备并依据经验查看图像文件色彩是否正常。

     为了在最终质量控制中验证“本”之间的连续性，验证图像过程中可以完成以下表格：

     声音的验证需要使用专业软件，主要是验证音频采样率是否为48?

000kHz，“pop”声与图像频率是否严格对齐。

如下图所示，以每秒24帧，采样频率为48kHz计算，每帧音频有2000个采样。

48000samples/sec/24frames/sec=2,000samplesperframe。

“pop”声音的2000个采样要与帧完全对齐。

图4 数字声音与图像的对齐方式

     值得注意的是，数字电影与胶片电影对齐方式存在不同，我国电影国标要求声音提前一格，数字电影中没有这个要求。

     4、JPEG2000压缩编码

     数字电影压缩图像数据使用的是JPEG2000的帧内编码方式。

由于JPEG2000支持2K/4K图像分级，4KDCDM编码的数据可以在只支持2K解码的影院服务器上播放，这种情况下影院服务器只提取4K数据中2K的数据进行解码，事实上剩余部分是非常细节的图像数据，编码后所占数据量很少。

2K影片压缩比是10∶1、原始10M的TIFF单帧文件，压缩后平均为1M。

实际压缩根据画面复杂程度压缩比会有不同，动画片压缩比约为20∶1。

变形宽银幕（Scope）比遮幅宽银幕（Flat）多了大约20%的像素数，所以码率会高一些。

     使用软件编码方式、利用高速存储网络、分布式计算是主要的JPEG2000编码方式。

这种方式下节点的数量和性能、网络与存储速度是编码执行速度的关键因素，如：

Dolby、GDC、DTS等公司的产品。

DoremiDMS2000母版制作系统使用的是基于硬件的JPEG2000压缩技术。

JPEG2000编码时有两种选择，固定比特率（CBR）编码或可变比特率（VBR）编码。

     CBR方式比特率恒定；VBR可以有效增强内容传输的效率，对于VBR方式不同厂商有不同压缩编码策略。

     5、数据的封装、加密与打包

     封装（Wrapping）：

形成MXF轨迹文件的技术。

     打包（Packaging）：

将媒体素材制作为DCP的技术。

     数字电影母版制作最终形成的文件主要有两种：

一种是MXF轨迹文件；另一种是XML文件。

JPEG2000码流、声音WAV数据内容可以以明文（不加密）或密文（加密）的方式封装到MXF容器内。

封装与打包的概念容易混淆模糊，打包过程主要是形成用于描述DCP的XML文件，并将CPL、轨迹文件等素材文件存储于指定物理媒介上。

母版制作过程中的MXF封装技术与DCP打包技术是母版制作的核心技术。

（1）MXF

     MXF（MaterialeXchangeFormat素材交换格式）是SMPTE定义的一种专业媒体文件格式，典型的MXF文件结构如图5所示：

图5 MXF文件结构

     文件头部主要包含用来描述MXF文件信息的元数据，解析这些数据MXF解码器能够获知MXF文件的创建信息、格式结构信息，并能够方便地定位文件的各个分区，找到文件的索引表片段，进而定位某一帧。

MXF的元数据功能非常强大，以MXF作为容器，其元数据能够详细地描述容器中数据的特征。

SMPTE330定义的UMID（UniqueMaterialIdentifier唯一素材标识符）是MXF的重要元数据之一，数字电影识别、引用轨迹文件所使用的UUID（UniversallyUniqueIdentifier通用唯一标识符）值来源于UMID值。

     MXF文件内部结构根据不同应用场景可以有不同的复杂度，数字电影中使用了最简单的SMPTE390MOP-ATOM操作模式。

因此，数字电影MXF文件的实现相对于电视行业要简单得多。

     KLV（键-长度-值）三元组编码是MXF底层编码协议，数字电影图像和声音数据都逐帧封装到KLV中。

对于图像来说，V代表了一帧图像。

声音的封装有一定的声道顺序，每个声道2000个采样的数据按照SMPTE428-3要求的声道顺序映射在V中。

（2）DCP

     数字电影声音与图像封装打包的过程如图6所示：

图6 数字电影声音与图像封装打包过程

     声音和图像经过处理后都成为MXF轨迹文件，合成播放列表CPL代表了影片的特定版本，只需要更改合成播放列表中对轨迹文件的编辑、引用信息，就能够形成不同的影片发行版本。

如：

同一部影片，通过替换声音轨迹文件可以形成不同语言的影片版本；或者，通过更改轨迹文件的入点、持续时间删减影片的某部分内容。

打包完成后，DCP已经存入到物理介质中。

以单分区移动硬盘作为存储介质存储影片为例：

打包过程形成了打包列表（PKL）文件、资产映射文件（AssetMap）和卷索引文件（VolumeIndex用于标识当前硬盘序号），后两个文件位于硬盘根目录下。

资产映射文件中描述了其他文件资产所在路径，如图7所示：

图7 DCP的构成

     打包列表主要用于说明DCP中包含那些资产，并且包含各文件的哈希值，用于验证资产完整性。

2K2D影片容量约为140GB，目前一块普通硬盘就能够装载一部以上的影片。

由于发行成本、运营习惯等因素的限制，物理媒介目前仍然是主流的影片分发方式。

     （3）KDM

     安全是数字电影必须提及的问题，密钥传送消息KDM是数字电影加密授权所使用的核心技术，也是母版制作系统使用的技术之一。

对内容素材进行加密是母版制作过程中可选的一项功能，AES-128数据加密发生在MXF数据封装之前，将加密的数据映射到MXF容器，形成加密的MXF轨迹文件。

     KDM中包含有影片解密密钥和授权放映时间窗等信息，KDM中影片解密密钥被目标设备公钥加密，只有目标设备可以解出影片解密密钥。

母版制作系统可以