自己做数字视频采集系统(二) part 1

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自己做数字视频采集系统(二)



导论

如果您已经阅读过之前的「自己做数字视频采集系统(一)」一文,那么您应该已经对怎么组一台自己的数字视频采集系统,有了大概的认识了吧。在这第二篇的评析中,我们将要更深入探讨系统的细节,并且来看看一些采集系统的规格与表现。

不过首先,因为有许多人来信问到在第一篇中视频流媒体资料大小的问题,我觉得应该先在这边说明清楚。原始且未压缩的视频资料大约是每秒21 MB。以下是计算公式:
720 x 486 x 29.97画格/秒 = 10487102.4像素/秒

由于一般电视节目都使用YUV 4:2:2配色设定来储存资料,亮度值会存在每个像素里,而色彩值则每隔一个像素存一次。这相当于每两个像素使用32 bits(位),或是说得简单点,每一个像素16 bits(实际上比计算机上使用的24-bit RGB全彩节省了三分之一的空间),所以…
10487102.4 * 16 = 335587276.8 bits/秒
335587276.8 / 8 = 20,974,204.8 bytes/秒

由您当地电视台,传送到您家里的RF(射频模块)影音讯号,大约是每秒25MB(在RF讯号中有许多其它的信息,像是声音,双语信息(SAP),VIB讯号,许多参考用讯号,保留给FCC的测试讯号空间,EBS,甚至还有军用讯号)。

DV视频大约是每秒25Mbits,因为它有经过压缩(不要再听信别人说DV是没经过压缩,或是使用的是不失真的压缩方式)。首先DV只包含了四分之一的色彩信息(NTSC规格下为YUV 4:1:1,PAL规格下为YUV 4:2:0),而且大部分的DV摄影机拍摄黑色画面时会有严重的格状画面(所以要是您打算拍一连串阴暗气氛的的场景,那么还是不要使用DV)。实际上DV使用的是称作DCT(离散余弦转换,Discrete Cosine Transform)的压缩算法,这种方法会造成失真,并且当由RGB转回YUV格式时,也会发生量子化错误(quantization errors)。在视频采集界中,每秒5到6MB的采集速率可说是个神奇数字,因为4:1的压缩比,对大多数的电视业者来说,视频失真的程度都还可以接受。

我也收到一堆信件,对我先前提到文件系统中的文件大小2GB限制有所疑问。根据Pinnacle的技术人员表示,FAT-16的限制为2GB,FAT-32的限制为4GB,而NTFS的限制为4TB。在Pinnacle产品的手册上也写到:「Windows 98和ME采用的FAT 32文件系统,只能让您采集到最大3.9GB大小的文件」。PYRO ProDV的手册上写到的文件大小限制是4GB,而PYRO的手册上也提到随附的DVTools软件能使用的文件大小限制为2GB。一位读者Brick Ekesten来信提到说:「文件大小2GB的限制,其实并非因为FAT文件系统格式的问题,而是因为微软(Microsoft)的AVI stream wrapper(流媒体封装函数)的限制。它原本假定现在使用的是FAT-16限制,但虽然硬盘已经可以格式化2GB以上的分割区了,不过AVI stream wrapper却没改过来。就算使用者使用的是FAT-32或是NTFS文件系统,有些采集卡还是不能够抓取2GB以上的文件,这是因为AVI wrapper里头写死的程序代码没有更动的原因。」 看起来Apple(苹果计算机)也犯了同样的毛病,不管从Mac OS(7.5版以前)到最近的更新,QuickTime仍旧存在2GB的限制。所以不管问题是否真的存在,不管问题出在文件系统或是软件上,也不管限制是2GB、3.9GB、4GB还是4TB,大部分的采集卡厂商都了解有些限制,而且提供了一些解决之道。


选择主板

既然问题都谈过了,那我们就开始由主板开始,一步一步组我们自己的视频采集系统吧。首先您得先踢掉内建显示功能的主板(尤其是恶名昭彰的Intel i810芯片组系列)。内建的网络功能也必须要能够关掉,不然在采集时会出毛病。主板上如果有内建ATA-66或是ATA-100那会比额外买界面卡好,不过内建的SCSI如果已经内建为ID 0那么在部份系统上会有问题。通常最容易碰到的问题应该是IRQ的冲突,您应该先到各主板商的网站去看看有没有最新最稳的BIOS。因为我听说有些早期的HP(惠普)品牌计算机和部份采集卡相冲突,直到HP更新了BIOS才解决。

如果您跟我一样有不少扩充设备,那么主板上的扩充槽数也是您应该注意的。请注意有些采集卡喜欢「往里边靠」(通常是AGP旁的第一或第二个插槽),如果您把它插到其它PCI槽去,那它就不会正常运作了。尤其像是Pinnacle DV500 Pro对这点非常挑剔,所以要是第一次装不来,记得帮它们交换一下位置。

选择CPU

说到CPU的话,那速度最少得有300Mhz。虽然我在上一篇文章提到CPU在采集过程中并不是扮演主要角色,不过要是您想处理一些过场特效、图形运算或是转换文件格式动作,那么CPU的工作可是相当吃重的。大部分的厂商都支持Intel以及AMD的CPU,不过对其他的就有点麻烦了。如果您想从头组一台新计算机,那么不妨考虑800MHz或更高等级的CPU。另外我们不建议您超频,因为大部分采集卡会由CPU读取时间信息,和其它的软件不同,视频对这可是很敏感的。

选择内存

在从事视频采集时,内存是相当有用的,一般的厂商会建议您最少装个128MB到256MB。不过速度或是种类其实并不重要,所以要是有人怂恿您买一套双Pentium Xeon系统外加一票RDRAM的话,那您应该换一间店家问问看。

选择硬盘

视频采集系统中最重要的,应该就是硬盘机了。

首先我想说的是,我接到了许多关于SCSI与ATA的比较,以及硬盘速度(大多数人都说ATA好,SCSI烂)的信件。许多人指出目前的ATA硬盘与几年前相比已经快很多了,拿来做视频采集也应该没问题。好,我同意您的说法,不过要是您采集时掉格了,可千万别再来找我啊!对了,有个小地方先跟大家说明,硬盘厂商在公开规格时总是喜欢玩文字游戏,像是他们老喜欢拿1,000来代替1,024(举例来说10GB的硬盘实际上只剩9.3GB)。他们在公布写入速度时,有时候也是指突发模式(burst mode)下的最高性能,这代表该数据其实是由缓冲区写到硬盘里的速度,而不是由计算机写回硬盘的速度。当您要传送数以GB计的资料时,那2MB的缓冲区实在是帮不上什么忙啦。

打个比方来说吧,我调查了一下Cheetah X15这颗硬盘,该公司表示这款硬盘比他们以往的产品都还快25%(它使用2GB光纤信道和Ultra 160-Wide SCSI LVD界面)。他们公开的传输率数据是每秒69MB,然而他们的技术规格上写的却是每秒47.4MB,照这样看来,那他们下一款的硬盘规格搞不好只剩每秒35.5MB了吧,跟界面理论速度比起来根本就还有一段差距。虽然对视频采集来说是相当足够了,不过这事实上告诉各位,不是使用ATA-100界面就会有每秒100MB的速度的。要是您仔细看一下您硬盘上的规格,您会发现号称每秒最大66MB的硬盘,通常也不过只发挥了不到25%的速度罢了。我们对RT2500做的个别评析中,对使用的硬件提到了一些建议,包括在系统中装两颗硬盘。

大部分的采集卡厂商,在您挑选硬盘时会给您这些建议或需求。

首先,买您负担的起的最大容量的硬盘。就算您对视频做了一堆压缩步骤,硬盘容量还是会很快被吃光的。
再来,买快的硬盘。虽然理论上ATA-66或是ATA-100规格应该能用,不过Matrox等厂商仍旧会提醒您说,这还是要看硬盘规格、总线或是其它因素,因为诸如硬盘碎片化严重等原因也会让您发生掉格的问题。Matrox建议,如果您要编辑多道流媒体数据,那最好使用能维持每秒12MB传输率的硬盘;不过如果您只是用在单流媒体上,那需求就可以减一半了。Pinnacle则建议使用每秒10MB的硬盘,还提醒您「如果您打算使用DMA的IDE硬盘(像是IDE-UDMA或是IDE-UDMA 66),那您一定得安装DMA busmaster驱动程序…」。
大部分采集卡厂商也会建议您准备一台额外的硬盘来存放采集资料,并使用另外的硬盘来安装、存放操作系统和应用程序。
不要使用磁盘压缩工具程序。
最后,他们都会建议您在开始采集视频前,先做好磁盘整理。
如果以上几点您都做到了,可是您却仍旧发现会掉格,那许多厂商会建议您更换到RAID磁盘阵列系统或是,呃,SCSI硬盘啦。如果您真的热衷于此道,那么买个专用RAID设备吧(通常设定在RAID 0就可以,除非您需要一些资料上的安全性)。RAID的确是个让您系统总线的传输率发挥到极限的好方法,自己搞定RAID架构可以省不少钱,不过记得要是您使用条带(striping)方式的话,那速度上是不会有所提升的。


选择显示卡

说到显示卡的话,只要它支持视频重叠(overlay)功能的话,应该可以符合大部分系统的需求了。不过还是有一些例外,像Matrox的系统比较喜欢和某些特定显示卡合作(当然啦,搭配Matrox自己的显示卡最好不过啦),ADS的PYROProDV不喜欢TNT2显示卡,Pinnacle讨厌Voodoo 1或2的显示卡,而艾尔莎(Elsa)的显示卡则似乎没人爱。显示卡上内建的内存数量,对大多数的采集卡来说也不是问题,不过同样的最好能有16MB免得出乱子。显示卡在编辑或显示过场特效时会用到,不过在采集过程中倒是无关紧要。

pinnaudio_mixer2.jpg

Pinnacle的DV500 Plus能充分利用在Premiere 6中的新的混音功能。

选择声卡

有诚信的零售商,应该会告诉您声卡能买多便宜的就买,有些人甚至会告诉您最好在采集视频时把它给拔掉。在这里先提醒各位,声卡在吃IRQ资源、抢占系统时间、拖慢总线速度和不当跨越内存区间等问题上可说是众所皆知的,所以要是您出了些问题,那可以试试看把声卡拔掉或取消。大部分的采集系统都不需要额外的声卡,采用DV的系统可以透过IEEE1394界面同时进行影音的采集,所以把声卡拿掉是个不错的主意。

选择显示器

在编辑视频时好显示器是不可或缺的一项工具,在此我强烈建议找一套像是Sonera Technologies公司出的Displaymate Video Edition这类的显示器调整工具(大部分的人可能都不知道该如何正确调整显示器,所以认为现状是最好的。您也许会发现正确调校过的显示器,看起来很奇怪或是很暗。Displaymate可以帮您正确调好显示器,不过却也可能找出您显示器本身修不好的怪问题,而且每次开机您也许都得看一次错误讯息)。

我并不建议您使用液晶显示器,因为根据您看的角度不同,和显示器本身的发色状态,和CRT比起来色彩的变动太剧烈了。LCD对CAD或是其它方面来说都很棒,但是它们就是不适合用在这方面。当然要是您非用不可,还是可以用啦,只不过您在显示器上看到的,和到时候在电视上,或是在别人的显示器上看到的会不尽相同。这也就是为什么,您在专业后期制作工作室或电视台里,找不到液晶显示器的关系。

选择其它相关配备

说到其它外围设备的话,只要它们不和系统相冲,那么有台CD烧录器或是外接式JAZ大容量磁盘驱动器,在传送或储存影音文件时非常有用。需要额外控制器的DVD光驱有时会吃掉贵重的IRQ资源(而且要是您CPU够力,那应该用不着额外的解压缩卡也能放DVD来看)。网卡通常问题多多,在采集视频前记得先关掉它们。

组装系统

在此我好不容易有机会,可以测试一些采集卡,它们价格由130美元到900美元:分别是ADS PYRO ProDV Platinum(129美元,外加附送软件为349美元),Dazzle Digital Video Creator II(249美元),Pinnacle DV500 Plus(699美元),以及Matrox RT2500(我们调查过市面售价为899美元,比建议售价便宜了100美元)等四款。所有受测系统在采集的表现上,都蛮不错的。不过PYRO ProDV只支持DV,而Dazzle DVC II只支持模拟输入,另外两套则两种都支持。

测试系统

在测试过程中,我使用了两套系统。首先HP提供了它们的x2000套装系统,标准规格包含1.4GHz P4,20GB IDE硬盘(Ultra ATA-100),128MB RDRAM,48速光驱,和Matrox G450内建16MB DDR内存的显示卡,跑的是Win2K操作系统。标准的HP x2000售价约为1,400美元。而本次受测的机种是x2000系列中最顶级的配备,上头配备的是1.7GHz P4,256MB RDRAM(我知道我说过各位不需要RDRAM,可是这是人家给的嘛),Adaptec 29160 Ultra-160 SCSI卡加Quantum(现Maxtor)ATLAS系列硬盘,和非常实用的HP CD-writer 9500烧录器。

第二台系统是Micron(美光)的Millennia系列机种,规格为P3 933MHz CPU,256MB RAM,硬盘方面有用来开机与跑应用程序的10.2GB ATA-66 Western Digital(西部数据) WD102BA硬盘机和放影音资料的30.7GB Maxtor 53073U6硬盘,Matrox Millennium Flex 3D显示卡,使用的是泰安(TYAN)S1854 Trinity 400主板,同样也在W2K下运作。里头已经预先安装好了Matrox RT500,如果您已经读过前阵子的RT2500评析,您会发现我们建议在系统里先装好这些玩意,因为安装可是件烦人的事。

当然我尽可能在两台计算机上测试这四款产品,不过等会儿我会提到发生的一些小插曲。

显示器我使用的是我的Mitsubishi(三菱)Diamond Pro 2020u平面CRT显示器(我爱死它了),播放时用的是35?Sony(索尼)KV-35V65特丽珑(Trinitron)电视。

视频的输入方面,我用的是中高档的Sony DSR-PD150 DV摄影机,1/3?式CCD规格,分辨率约为38万像素。这台摄影机可以输出DV,S-Video以及合成(composite)信号,支持DVCAM或是Mini DV格式的带子。在三台DV或DV/模拟复合式的采集系统上,无论是透过IEEE1394接口(不过既然这是Sony的产品,我觉得应该要把它叫做i.Link接口)来辨识或是操作摄影机,都没问题。Dazzle DVC II因为不支持DV故不在测试范围。


dazflare2.jpg

Dazzle中的斑纹发光问题。这主要是因为MPEG演算的关系。

我拍摄的测试影片,可以说打破了许多常识,为的就是试试看各系统的能耐。我拍了用手拿着摇摇晃晃的画面,和用三脚架固定好的画面。我拍了在室内昏暗光线下的场景,和在户外突然由刺眼阳光下转到昏暗阴影下的场景。我拍了在风中摇摆的树丛,水面的波纹,和光亮背景前的暗色物体。我也拿在手上拍了些布料的花纹,像是鱼鳍状、不同大小的方块、亮红白相间的条纹、毛皮等镜头,这些对摄影机来说难以表现,对采集系统和算法来说也是一种挑战。我也在影带中加了些空档(先停下摄影机,快转一点点再重新开始),来测试一下各系统对完全流失的讯号,会如何处理与同步。当然啦,影片看起来有够糟糕,不过对我来说这可是真正的极限测试来源!


pinnhollywood2.jpg

随附在Pinnacle系统中的Hollywood FX Copper特效软件,可以在Premiere里加进许多惊人特效,像是表面还有视频的3D码表等等。

关于随附软件

我在第一篇文章中也提到过,采集卡本身只占了商品价值的一半,如果系统都表现不俗,那么决定您买的因素就是在于随卡附送的软件啦。据我所知每一套采集系统,最少都会送您一些可以采集视频的软件。在受测产品中,如果您要额外购买这些附送的软件,那会比您直接连卡买还贵三倍!

而如果您要买的是DV采集系统,那么软件尤其重要。没错,您可以把DV视频直接由IEEE1394传到计算机里,不过传进来后您要怎么做?DV采集系统里随附的软件,能让您遥控摄影机,可以自动搜寻影带,和在采集前先预览场景,也可以让您选择压缩比更大的格式来采集或编辑,省下不少硬盘空间。

根据附赠的软件不同,您可以做编辑、过场和特效,加上声音资料,然后制作一份剪接点决定表(EDL,edit decision list)。当您一切都准备好了,那系统会帮您从影带中,找出您所需要的场景,将所有特效或过场处理好,然后以最少的压缩译码次数放回影带中。



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Pinnacle DV500控制面板:输出设定

随附软件中包括了格式转换(transcoding)软件,让您能够在DV,模拟,MPEG,AVI,Real或是QuickTime等格式间互转。最近大部分厂商还会附送VCD或DVD的制作软件,而且全部加起来,买一块IEEE1394界面的卡还不用300美元?我只能说便宜到翻了。



dazconvert2.jpg

Dazzle的格式转换程序面板,在格式转换文件与输出到网络上时相当实用。

测试过程

我对四组受测系统,基本上以下面六个项目为基准:

依照重要顺序来看:

采集画质
随附软件
安装难易度
特殊场景拍摄、超大文件、异步的处置
系统需求
说明文件
我将重点摆在采集的画质上,因为要是您抓下来的画质很糟,那接下来五项也都不重要了。随附软件也是我重视的,原因我刚刚已经解释过,在考虑时别只是把它们当作随卡附赠的几片飞盘,购买前务必先把这些软件的价值也算进去。安装的难易度是参考中的一项,因为事情顺利时当然很好,不过安装的恶梦人人都想避免。对问题的处理也是重要的一环,因为就算您是超级高手,也偶而会拍出不太完美的内容,这时就需要系统额外的努力了。接下来,我想系统需求有时是决定的重要因素,因为您不一定会为了采集系统能正常运作,而换掉一堆计算机配件。最后一项是说明文件,您也知道当您碰上搞不定的问题时,这些纸张和手册就成为您最后的一线希望了。当然啦,它们可能是救世主,也可能只是浪费树木。
 
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