从DV到ProRes RAW,关于数字影像“格式”有哪些误区?

影像“格式”是定义影像属性和质量非常重要的一个词,它决定着我们最为关注的影像“画质”,包含了影像从传感器采集、处理、储存过程中一系列影响质量的环节,它也决定着影像制作“流程”,包含了影响后期流程效率的诸多要素。


给数字影像“格式”正名

数字影像技术进化很快,以至于很难对“格式”有一个统一的定义,但通常来说,影像“格式”至少包含三层定义:影像采集属性,编码压缩方式和视音频文件存放方式。

影像采集属性之中最重要的当属分辨率(为了区别显示分辨率,此处我们用更为准确的词汇-采集像素数,同时我们忽略各种传感器的结构差异,用现在最为流行而且也已成为标准的拜尔式CMOS作为定义基础),电视体系的SD/HD/UHD或者数字电影体系的2K/4K是目前主要的几种分辨率,当然8K也在不断推进中。

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分辨率示意图

与分辨率密不可分的就是画幅宽高比,除了标清的4:3,现在主要是16:9的HD/UHD电视或者17:9的2K/4K甚至更高宽高比的宽荧幕电影。50HZ和60HZ的区别还为帧频选择带来了变数,帧频除了影响数据量之外,还会影响影像的艺术效果和最终观看的体验。除了基础的分辨率,色彩采样比444、422、 420和量化比特数8、10、12bit也都是影响画质的格式参数之一。

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不同采样比的区别

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不同量化比特的区别

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动态影像的数据量巨大,在高速大容量而且便宜的半导体介质出现之前,影像的编码压缩是必经的一步,不然影像存储、传输和后期处理都需要占用巨大的资源。当然编码压缩也是个双刃剑,在获得较小体积的同时也以或高或低的影像质量牺牲为代价。传统的编码压缩主要分为两种,一种是基于DCT离散余弦变换分块编码的MPEG-2, MPEG-4和衍生出来的诸如HDV、AVCHD等格式。另一种是基于Wavelet小波变换多分辨率编码的JPEG-2000或者REDCODE等格式。

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视音频文件存放方式在半导体存储介质和文件化的IT存储方式出现之前还是一个非常复杂的处理,不管是磁带还是光盘都需要经过复杂的机械设计并考虑读取速度、稳定性等问题。这种机械式的存储系统在兼容性上是一个很大问题,存储介质和读取工具往往一个厂家一个标准,即便同一厂家的前后代之间也很可能不同。DV、DVCAM、DVCPRO25/50/HD、HDV、DVW等格式都是这个时期的产物。

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磁带存储介质

在进入到半导体存储介质和文件化的IT存储方式之后,视音频文件存放方式与介质属性基本上可以说完全分离开来,视音频文件只需通过“软件”实现的文件打包格式即可定义存储方式,比如各种基于MXF的XAVC、AVC-Ultra、XF-AVC以及基于AVI的ProRes。MXF和AVI严格意义来说都不能称为格式,它们只是打包管理视频、音频和元数据的“包装”方式,或者说是“文件格式”。

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MXF文件格式示意图


对普及数字影像具有重大意义的DV格式

1994年,由松下、索尼、JVC等10多个数码摄像机厂家联合发布了DV格式。 DV格式使用DCT算法,帧内压缩,采样有411和420两种,使用Mini-DV格式磁带,通过1/4英寸的金属蒸镀带来记录高质量的数字视频信号。1995年7月,索尼发布第一台DV格式摄像机DCR-VX1000,采用3CCD传感器(3片1/3英寸、41万像素CCD),10倍光学变焦,光学防抖系统,售价4000美元。松下、佳能等厂商也都发布了基于DV格式的很多摄像机型号。

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DCR-VX1000

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松下DV与磁带

DV格式最开始定位于民用,所以索尼和松下分别基于DV格式开发了专业版本的格式,那就是DVCAM和DVCPRO25,以及面向广播级应用的MPEG IMX和DVCPRO50。

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高清影像布道者:HDV格式

2003年9月,索尼、佳能、夏普和JVC四巨头联合制定面向专业以及民用的高清摄像标准HDV格式。HDV的记录分辨率达到了1440×1080,清晰度比标清得到革命性提升,但仍未达到全高清FULL HD 1920×1080的标准。HDV格式虽然没有实现全高清,但它在IT化介质还未彻底流行的那个年代对于普及高清概念以及过渡到真正的全高清起了不容忽视的过渡作用。

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2004年9月,索尼发布了第一台HDV 1080i高清摄像机HDR-FX1E。

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第一台“小高清”磁带摄像机(HDV摄像机)


真正进入全高清时代:AVCHD格式

随着半导体介质的成本降低和容量、速度稳定性提升,SD卡和记忆棒开始替代磁带成为影像记录介质。数字影像也随之进入全高清时代。索尼和松下这对老冤家合作推出了AVCHD格式,实现了全高清1920×1080的影像记录, 虽然只有420 8比特,但AVCHD格式对高清普及功不可没。

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4K时代:群雄混战

在4K时代,格式之战显得更为混乱,虽然记录介质都过渡到基于半导体的各种卡式介质,但厂商为了筑起自己的护城河,分别推出自己的格式。松下推出了AVC-Ultra格式,而索尼搞了个XAVC格式,佳能是XF-AVC,RED、BMD、国造等厂家搞出了各种RAW格式,除此以外还有苹果的ProRes和最近的ProRes RAW,似乎格式天下已经大乱。谁能一统天下?做个预告,请听下回分解。

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