街上流行VCD——VCD的技术及前景 四川鼎天公司总工程师 穆良知 1996-01-12 一、为什么要压缩图像数据 一般的模拟图像视频信号要占用8MHz的频带宽度，如电视节目的各个频道就是如此。要用只有几千赫带宽的电缆线路来传送视频信号是不可能的。将模拟电视信号转换为只有高低电平之分的“0”、“1”数字信号，将使图像信号的处理存贮、传输变级更加容易，可使图像集成电路集成度更高、制造成本更低，因而，有许多优点，但是视频信号数字化以后也会带来一些新问题。如数字化以后的视频信号要占用更宽的频带，数码率将达到几十MHz，存贮这样的信号虽很简单但却需要很大的存贮容量，传输时虽然容易接收但却要很快的信号处理速度。长期以来这些问题一直限制了数字化图像的处理、存贮，传输技术的广泛应用。 因而人们自然会想到，能否对数字化的图像信号进行压缩处理，从而使它占用的频带宽度变窄、数码率降低?经过众多专家的研究，已找出了很多种压缩算法，其压缩的原理主要是基于相邻的两帧图像之间大多数内容是相同的，而仅有少数内容有所变化，因此在进行压缩时，可以对相同内容的部分不予理睬，只对不相同的部分进行处理，这样在传输时，数字化视频信号的速率降了下来，有利于传输，在存贮时，同样的存储容量可以存贮更多的图像信息，因而压缩技术显示了巨大的潜力。 二、MPEG标准 由于大规模集成电路技术近期内的飞速发展，使得图像压缩技术逐渐由高不可及而变为现实。国际标准化组织(ISO)在1992年组织了一个专家组对图像压缩的标准化进行研究，这个组称为活动图像专家组(Motion Picture Export Group)，其英文缩写为MPEG。专家组在制定图像压缩标准时最初是为计算机上使用的，数据率限制在2.0mbs以下，这正是适合于计算机CD-ROM光驱的信息交换速率，因此可以在计算机的CD-ROM驱动器中读取图像信息。 制定标准的目的是为了使各国的产品具有互换性，并能使相应的技术产品化并进行大规模生产，降低产品生产成本。 专家组制定的第一个图像压缩标准是MPEG-Ⅰ即ISO11172，其传输速率最高为1.5Mbs，图像分辨率NTSC：352×240，PAL：352×288，质量等同于VHS，音质则与立体声CD唱片近似，图像压缩算法的最基本处理单元是8×8像素块 ，继而将块组合成宏块，宏块组合成切片，切片组合成帧，帧组合成帧组，形成连续的活动图像，最后将图像比特流与声音比特流按照系统定义混合在一起形成单一比特流供存贮或传输之用。 专家组制定的另一个标准是MPEG-Ⅱ，它的数码率更高，图像的分辨率甚至高于LD镭射视盘 ，声音则为AC3六声道系统。 目前，MPEG-Ⅰ已较为成熟，应用很广，MPEG-Ⅱ也有一些应用，但仍在继续完善之中。 三、VCD的应用 MPEG-Ⅰ的第一个应用是在多媒体计算机中，使用MPEG-Ⅰ算法压缩图像的比率为1∶50至1∶200，压缩后的图像可以存在软盘上、硬盘上或光盘上，因而原来的能处理文字、声音的计算机现在可以播放活动彩色图像和高质量伴音了。 在一张5.25的光盘上，可以存放74分钟的压缩后的视音频信息，这可以用MPEG-Ⅰ编码器来预先制作并存放在上面，在计算机内只需要安放一个MPEG-Ⅰ解码器便能将从光盘上读出的压缩信息进行解压缩运算，放到高质的图像和伴音。这种只需解码器的应用称为非对称的应用。相反，在通信中需要传送的不是预先制作好的而是实时的图像时，则在发送端需要MPEG-Ⅰ编码器，在接收端需要MPEG-Ⅰ解码器，这种应用称为对称应用。 MPEG-Ⅰ的另一应用是VCD，广泛用于娱乐、教育等领域。文娱、电影等节目也是预先采用编码器进行压缩处理，存贮在5.25的光盘上，用VCD播放机播放可长达74分钟，图像质量高于VHS，声音质量可以与CD-DA(CD唱机)媲美。 四、VCD的版本 VCD(Video Compact Disk)的版本主要规定了压缩影音、信息在光盘上的存放格式，也就是播放机的方式。目前在市场上销售的VCD大部分是1.1版本的，只能按顺序播放节目，同用户的交互性较差。 VCD 2.0版本则在VCD 1.1版本基础上增加了人机交互功能，在原VCD 1.1版本的曲目中增加了播放内容的菜单，可供用户选择播放。同时在播放过程中，用户也可以适时插入命令，中断原来的播放程序而改为新的播放程序，例如故事情节就可以按用户意愿有多种变化结果，这种人机交互的功能在教育方面应用时特别有用。 VCD 2.0版本是SONY、PHITIPS、TVC、松下等几家公司制定的企业标准，目前正为世界上很多厂家所采用，比较有发展前途。 MPEG-Ⅰ解压缩专用芯片及解压缩板 目前，用大规模集成电路实现MPEG-Ⅰ解压缩算法芯片的生产厂家主要有美国C-cube、意法SGS、美Texas、Iustrumeut、台湾Winband、以色列Zoran等。日本、南韩的三菱、NEC、三星等大公司正在加紧开发研制。 这些公司生产的解压缩芯片在初期都是两片的方式；即一片用于图像解压缩，一片用于声音解压缩。前者如CL450、STI3400、W9920、ZR36110，后者如TMS320、AV110、STI4500、W9910、ZR38001等。 在生产这些芯片的公司中，C-cube公司开发较早的，1992年即已推出了首枚图像解压缩芯片CL450，以后又不断推出新的，但C-cube本身没有生产能力，芯片要到其它半导体厂家加工，因此供货能力一直存在问题，加之C-cube公司市场管理不佳，国人多有怨言。 意法SGS公司也有MPEG解压缩产品，今年7月份更推出了A/V单片解压缩芯片STI3430，尽管滞后于C-cube，但作为全球较大的IC生产厂家，具有雄厚的生产实力，被视为是C-cube的头号劲敌。 Winband公司推出的解压缩芯片目前仅用于PC上，单片型也即将出台，对MPEG亦有贡献。 Zoran公司在声音处理及解压缩方面一直领先世界，推出的AC-3更已成为MPEG-Ⅱ标准，声音图像解压缩单片也即将出台，一些C-cube成员转会Zoran，也将成为一支加盟竞争的队伍。 相信在不久的将来，MPEG解码器的竞争会愈演愈烈，但也会使IC价格下跌，供货得到保障。国内的VCD开发、生产厂家只会与那些有诚意、守信用的IC厂家合作，共同开发市场。 由于应用对象有PC机和VCD播放机，它们与MPEG-Ⅰ解压缩芯片的接口差别很大，故这些芯片中既有专为用于PC设计的，也有专为用于VCD播放设计的，它们分别配上各自的接口电路就可用于PC或VCD播放机。 使用MPEG-Ⅰ解压缩芯片制成的PC卡，在接插入计算机的I/O扩展槽内，再加上CD-ROM驱动器就可以在计算机上播放VCD。 使用MPEG-Ⅰ解压缩芯片制成的供VCD播放机用的解压缩板(俗称解压缩板)，则要和VCD播放机的CD驱动平台和主控板配合才能完成读取光盘信号并完成解压缩远放的工作。 五、MPEG-1解压缩专用芯片及解压缩板 日前，用大规模集成电路实现MPEG-1解压缩算法芯片的生产厂家主要有美国c-cube、Texas、Iustrumeut、意法、SGS、台湾Windanel、以色列Ioran等。日本、韩国的三菱、NEC、三星等大公司也正在加紧开发研制MPEG芯片。 这些公司生产的解压缩芯片在初期都是两片的方式；即一片用于图像解压缩，一片用于声音解压缩。前者如CL450、STI3400、W9920，后者如TMS320AV100、STI4500、W9910，ZR38001等。 在生产这些芯片的公司中，c-cube公司开发较早的，1992年即已推出了首枚图像解压缩芯片CL450，以后又不断推出新品，但c-cube本身没有生产能力，芯片要到其它半导体厂家加工，因此供货能力一直存在问题，加之c-cube公司市场 管理不佳，国人多怨言。 意法SGS公司也有MPEG解压缩产品，今年7月份更推出了A/V单片解压缩芯片STI3430，尽管滞后于c-cube，但作为全球较大的IC生产厂家，具有雄厚的生产实力，被视为是c-cube的头号劲敌。 Winbvnd公司推出的解压缩芯片仅用于PC上，单片型也即将出台，对MPEG亦有贡献。 Zoran公司在声音处理及解压缩方面一直领先世界，推出的AC-e更已成为MPEG-2标准，声音图像解压缩单片也即将出台，一些c-cube成员转 会Ioran,也将成为一支加盟竞争的队伍。 相信在不久的将来，MPEG解码器的竞争会愈演愈烈，也会使IC价格下跌，供货得到保障。国内的VCD开发，生产厂家只会与那些有诚意，信用的IC厂家合作，共同开发市场。 由于应用对象有PC机和VCD播放机，它们与MPEG-1解压芯片的接口差别很大，故这些芯片中既有专为用于PC设计的，也有专为用于VCD播放设计的，它们分别配上各自己的接口电路就可用于PC或VCD播放机。 使用MPEG-1解压缩芯片制成的PC卡，直接插入计算机的I/O扩展槽内，再加上CD-ROM驱动器就可以在计算机上播放VCD。 使用MPEG-1解压缩芯片制成的供VCD播放机用的解压缩板(俗称解压板)，则要和VCD播放机的CD驱动平台和主控板配合才能完成读取光盘信号并完成解缩板运放的工作。 六、CD-DA(CD唱机)为何改成VCD机 CD和VCD的存贮机制是完全相同的，都是在光盘上以一定格式存放“1”、“0”信息，在CD-DA中这些“1”、“0”代表的是未压缩的音频信息，在VCD中，则代表的是压缩后的图像信息及音频信息除此以外，它们还存有方便读取用的调制信息，供控制用的时间信息，供系统使用的系统等。 为了读取出光盘上的信息，使用了CD机芯和主板构成的一个读取系统，CD机芯上有激光源，光拾取头“伺服”上，而在主板上有伺服，聚焦控制电路，驱动电路，解调、纠错用的数字信号处理(DSP)电路等，它们构成的系统可精确地拾取刻在光盘上的“1”、“0”信息，并由DSP输出。 在设计DSP时，一般都有两种模式供选择，一种是CD-DA方式，好CD唱片方式，一种是CD-ROM方式，在生产CD唱机时，毫无例外地用CD-DA方式，只是在用于CD-ROM时才可能CD-ROM方式。 我们只要将DSP的工作信息模式由CD-DA变为CD-ROM方式，DSP就可以读取光盘上的影音信息，最后由DSP输出合成的压缩后的图像声音流，供解码板进行解压缩运放，得到通常的图像数据比较流和声音数据比较流，对于立体声还有左右声的识别信号。将这些数据比较流进行D/A转换、滤波，视频编码就可以得到视频/音频输出，这样，一台CD-DA唱机就改造成了一台VCD视盘播放机。 当然，在实现际改造时，还要考虑到电源容量，两类音频信号的切换控制，以及一些有关的技术实现问题。 七、MPEG编码器 MPEG的编码器目前还比较昂贵，好在在PC机和VCD应用编码器只是少数制生产用来制作生产CD视盘，广大VCD的用户并不使用它，但由于市场小，价格一直居高不下。 目前，美国c-cube公司的编码器拥有一定优势，1993年时，推出第一枚高集成度实时芯片CLM 4500,支持1-5Mbps的压缩率数据传输率，能把CCIR 601分辨率的数字图像信号压缩至SIF(Standard Input Format)分辨率的MPEG格式。此外，C-Cube公司的CLM 4100多媒体加速器也可以作为MPEG是对压缩和解压缩用。利用CLM 4100生产的压缩卡(编码器)与以及所用的实时压缩卡相比价钱可低90%。 意法SGS公司预计在1996初推出MPEG编码器，编码器生产厂家一部分生产的是以计算机为基础的整机，一部份则生产插于计算机内使用的编码卡。这些厂家有Dptibase、Optivision、Minorvov、Fwtwrtel等。 八、软件情况 市场上所售的光盘种类很多，大致有以下几种： CD-DA，即一般的CD唱片，数字方式，单片的声音信息未经压缩，播放74分钟。 LD，镭射影碟或激光视盘，图像、声音是以模拟方式存贮的，采用压缩处理技术，正反面皆刻有信息，可播放二小时。 CDG，静止图形CD，单位、数字方式。在CD唱机来使用的数码区存贮有若干静止图像的点阵信息，因而在听唱片时，同时由DSP输出子码，再经解码和视频编码可较为粗糙的静止图像，主要用于Karke唱片。 CDV(兰皮书标准)，在一般CD唱片上存有5分钟类似LD的图像信号和20分钟声音信号，且图像和声音是分开存放的。 CDI(绿皮书标准)，这是由Philips公司独家使用的格式，5.25视盘上可存74分钟活动图像单元，未用压缩算法，其声音图像质量与VCD相当，具有交互功能。CDI为Philips独家拥有，未予开放，推广应用受到很大限制，现已停止生产，预计VCD2.0合作为主流。 VCD，本文所述的视盘、单片、MPEG-1算法，可播放74分种活动图像声音。 FMV，一般用来存放不需要交互的电影节目，可播放全活动74分钟图像。- Paraoke CD，MPEG算法，相当于VCD，但声音安排有差别，有的可能是一声道伴奏一声道演唱，专供Parnoke使用。 Photo CD，由柯达和Philips公司推出，使用数字图像处理技术，将静止图片存放在CD上。 CD-ROM，可以存贮各种节目源，计算机软件，容量为680M，主要用于计算机。 九、VCD市场 由于VCD具有大容量，可反复播放而不会用磨损受丝毫影响，即所谓“永不磨损”，选曲搜索节目远比录相机快捷，图像质量优于CD机，音质与CD机当，因而产品一经面市，便受到大消费者的喜爱。 消费者钟爱VCD还有一个重要原因，那就是VCD软件，相对LD来说虽然图像质量略为逊色一点，但价格要便宜得多，约为后者的1/5-1/10，这对消费者有特别大的吸引力。 具有CD唱机和CD唱片生产技术和能力的工厂，不需要增加很多投资，只花少许费用即可转产VCD视盘播放机和VCD视盘，无疑对众多的CD厂家有非常大的吸引力，这也许是一条使CD企业走出低谷的一条捷径 全世界VCD的市场集中于亚洲，龙其中国东南亚市场不可忽视，由于经济能力，消费也限制，VCD在发展中国家更受欢迎一些。 结合国情，预计VCD产品换代的寿合为3-5年，这与目前虽然彩电也相当普及，但仍有黑白电视机一席之地的情形有相似之处? 十、国内VCD技术实力 国内VCD的开发研制和生产情况实际与世界上先进国家相差无几，国内最早出现的VCD播放机就是国产的，进口机型进入国内市场差不多滞后了半年。由于解压缩板中使用的大规模集成电路几乎都是来自国内的半导体器件设计生产厂家，因而解压缩板的开发速度和产品质量都有较大的提高，与国外同类产品相比在价格上占有明显优势，而且由于是自行设计的，因而改进，升级换代不会受制于人，完全可自己即时完成。国内生产CD唱机的工厂有一百多家，生产CD唱片的也有数十家，它们之中的大多数已掌握了CD机和CD唱片的生产技术，因而生产VCD播放机和VCD视盘完全有良好的技术基础，VCD行业的发展再不会像生产彩电和录相机那样完全依赖引进了。 其实，我们没有必要一味信赖“洋货”，VCD产品开发国内与国外基本同步甚至更好。一个例子是：在国内推销的某些进口牌子VCD播放机，就有技术不成熟的产品，它们“择片”，遇到有的视盘放不出像，有的在放NTSC制式时不能满屏，而国产的成熟产品就已解决了这些问题。 当然，国产品在外观，工艺结构，某些功能上可能还比进口品略低一筹，但正在迎头赶上，如果考虑到两种产品的价格差距，则国产品仍有强大的吸引力。 但也应当指出，VCD产品的质量也参差不齐，好的可与进口产品比美，但由于VCD热的出现，一些条件较差的工厂匆匆上马，生产的产品质量还不如人意，消费者在选购时应当注意。 为了加强时VCD生产行业的规范管理，也为了提高国产VCD产品的质量，真正与进口产品抗衡，有关部门已采取相应措施，组织几家有实力的单位牵头，加快制定VCD有关标准及产品的技术规范、相信在经过淘劣选优之后，VCD产品的质量会有大幅度的提高。不久，VCD的中国行业标准将正式确定，印在经过认定的VCD产品上，我们仍期待着这些产品能打出国门去。 十一、DVD(Digital Video Disk)前景 正当我们对VCD的迅速发展感到万分惊奇之时，一种更高性能的同类产品正在紧锣密鼓地进行开发，这就是DVD。 DVD同样采用12cm的视盘，但由于采用波长更短的激光源，再加上双面光刻或多层光刻技术，可使存贮容量大大提高，达到3.5GB，因而DVD上将可直接存贮一部或几部电影(VCD需二张才能存贮一部电影)。 DVD同样采用了数字压缩技术，其算法为MPEG-Ⅱ，图像分辨率为74×576，远高于目前的LD，声音系统采用著名的AC-3系统，具有6声道，环绕立体声。因此要在家中欣赏形同影院素质的影音软件已不再是十分遥远的事情了。 但DVD的开发与VCD的开发相比有很大的不同。由于分辩率提高，DVD数码据流的速率也将提高，再加上激光源不同，光盘上数据密度提高光拾取器的伺服，聚焦更为精确，因而仅视盘驱动部分就完全不同于VCD。 在解压缩算法方面，MPEG-Ⅱ的专用解压缩芯片已上市，虽然MPEG-Ⅱ解压缩器将需要更大容量的存贮器，更快的运算处理速度，但这方面技术是成熟的。在AC-3声音解压缩和解码方面，技术早已成熟，许多厂商已推出多频独立的AC-3解码系统，置身于AC-3系统之中，身临其境的感觉令人惊叹不已，就连资深的发烧友也会感叹如此完美而奇妙享受。 但国内DVD的市场开拓预计不会太快，这是因为生产VCD产品的厂家不会再象CD升级至VCD那样简单、容易地转产DVD，DVD视盘的生产线需要全部更新，DVD播放机也需要完全重新设计，加上DVD产品的价格初期会很高，普及尚需时日，因而结合国情而言，VCD将持续2～3年时间。 十二、MPEG在计算机中的应用 VCD中使用的解压缩标准MPEG-Ⅰ，最早就是针对计算机提出来的，因为在计算机中使用应当是最适当的，一台配有CD-ROM驱动器的计算机，只要再配上一块MPEG-Ⅰ解压缩卡，俗称电影卡，就可以在监视器上观看VCD节目。电影卡一般都有Video/Audio输出接口，因而还可接到一台带有A/V输入的电视机欣赏。 解压缩卡先于VCD播放标准推出已在情理之中，目前市场上各式解压缩卡令人眼花缭乱。如reel Magic，Mpeg-NOW，Winplay等等。 MPEG-Ⅰ解压缩芯片与PC的接口和与CD驱动平台的接口完全不同，为此一些厂家开发了专用接口芯片，使卡的面积和成本有所下降，今后还会进一步向高集成度发展。Intel已计划生带有MPEG解压缩功能的CPU。 不少PC生产厂家已把MPEG解压缩器作为标准配置之一，使计算机成为多媒体计算机，一些著名厂家如Microsoft，IBM，Crentive Laks等还分布了标准介面支持MPEG。 除了硬件解压缩卡之外，国外一些软件厂商还开发了MPEG软件，开始需要奔腾100M机器上运行，现已实现了在486机器上运行，虽然目前图像效果还不及解压缩卡，但会逐渐缩短差距。 VCD2.0版本标准将会促进带VCD驱动器的计算机在教育领域的推广应用，随着VCD教育软件的加大力度开发，市场前景十分广阔。