非线性编辑系统的构成

张洋 （天津泰达先锋文化影视传媒有限公司 天津300456）

非线性编辑系统的构成

张洋 （天津泰达先锋文化影视传媒有限公司 天津300456）

阐述了非线性编辑系统的工作原理，详细介绍了这一编辑系统的构成和特点，提出了非线性编辑系统的实际种类很多，应该根据自身实际情况选择经济高效的系统，更好地完成制作。

计算机应用技术 非线性编辑硬件平台 非线性编辑软件平台 硬盘阵列

1 非线性编辑系统工作原理

1.1 非线性编辑系统概述

非线性编辑系统最根本的特征就是借助于计算机软、硬件技术使视音频信号在数字化环境中进行制作合成，因此计算机软、硬件技术就成为非线性编辑系统的核心。非线性编辑系统实质上是一个扩展的计算机系统，简单地说，一台高性能多媒体计算机，配以专用的视频图像压缩解压缩卡，再加上一个大容量高速硬盘或硬盘阵列便构成了一个非线性编辑系统的基本硬件系统。再加上相应的制作软件就组成了一套完整的非线性编辑系统。

1.2 非线性编辑系统工作原理

非线性编辑系统把录像机或由其他信号源传送来的视频、音频信号，分别经过图像压缩解压缩卡、声音卡转换成数字信号即A/D转换，再经过数据压缩形成数据流存储到高速硬盘中。然后按创作意图运用相应的编辑软件对存在于高速硬盘中的数据流进行编辑和特技加工，再由高速硬盘将数据流送至相应的板卡进行数字解压及D/A转换，形成模拟的视音频信号送入录像机录制下来。或者直接由数字接口板输入数字视音频信号，编辑后直接通过数字输出接口录制在数字录像机上，不必经过中间的A/D、D/A转换过程。

非线性编辑系统进行工作时首先要将所有需要编辑的素材（包括录像带上的视频信号、线路上传输的视频信号）经过数字化采集后转换成图像文件的形式，只不过这个图像文件不同于以往常见的计算机单帧固定画面图像文件，它的文件内容是活动图像，画面的内容随时间的变化而变化，也就是说这是一个有时间长度的图像文件，即数字视频文件。这个转换过程也就揭示了线性编辑与非线性编辑的区别，即把对时间轴上按顺序排列信号流的操作转变为在计算机内部对视频文件进行跨跃式的访问，从而完成了电视节目编辑在概念上的根本变化。

2 非线性编辑系统

一套非线性编辑系统由两大部分组成，即硬件系统和软件系统。硬件系统包括计算机、视音频处理卡、大容量存储器、接口系统；软件部分包括系统软件和应用软件。目前我们还处在模拟与数字共存的时代，对于传统的模拟视频信号来说，在计算机中进行非线性编辑时，必须首先把视频源，即来自于模拟摄像机、录像机、影碟机等设备的视频信号转换成计算机能够处理的数字形式存储在硬盘上，这个过程称为数字化过程（包括了采样和量化两个步骤）。非线性编辑系统实质上就是一个扩展的计算机系统。更为直截了当地说，就是一台高性能计算机加一块或一套视音频输入/输出卡（俗称非编卡），再配上一个大容量SCSI磁盘阵列便构成了一个非线性编辑系统的基本硬件。这三者相互配合，缺一不可。

2.1 非线性编辑的硬件系统

2.1.1 计算机硬件平台 目前的非线性编辑系统，不论复杂程度和价格高低如何，一般都是以通用的工作站或个人计算机作为系统平台的，编辑过程中和编辑结果的视、音频数据均存储在硬盘里。编辑的过程就是高速高效地处理数字化的视音频信号。对于高质量的活动图像，图像存储载体与编辑装置间的传输码率应在100 Mb/S以上，存储载体的容量应达几十GB或更高。

从这些年非线性编辑系统产品的发展来看，“高性能多媒体计算机+大容量高速硬盘+广播级视音频处理卡+专业非线性编辑软件”这样的产品组合架构已被广大业内人士所认可。在这种架构的非线性编辑系统产品中，计算机属于基础硬件平台，任何一台非线性编辑系统都必须建立在一台多媒体计算机上，它要完成数据存储管理、视音频处理卡工作控制、软件运行等任务，它的性能和稳定性决定了整个系统的运行状态。除了极少数厂商将它们的系统建立在自有平台上以外，作为一个标准化的发展趋势，越来越多的系统采用的是通用硬件平台。一般是以PC机、Macintosh机为主，比较高档的非线性编辑系统采用的是像SGI的Octane、O2工作站这样的操作平台，或者更为昂贵的ONYX系统。如AVID公司的Media Fusion运行在SGI工作站上，Media Spectrum是运行在ONYX平台上的高价位产品。早期的系统大多选择了Macintosh机，因为当时Macintosh机与PC机相比在交互性和多媒体方面有着先天的优势。然而随着PC机的迅速发展，CPU的性能越来越高，总线速度越来越高，使得当年需要在小型机或工作站上完成的工作，如今PC机就可以胜任，PC机在非线性编辑系统平台竞争中处于更加有力的竞争地位。

需要指出的是，非线性编辑系统的大部分特技功能并不是依赖计算机CPU的计算速度来实现的，在这里计算机所起的主要作用是管理人机界面、提供字幕、支持网络。而特技和合成主要是靠专门的特技加速卡来完成的。

然而随着PC机的发展，基于PC机上的系统软件平台Windows也不断发展，继Microsoft推出Windows 98和Windows NT这样功能强大的操作系统后，又推出了Windows 2000和Windows XP。目前Windows NT成为非线性编辑的主流系统软件平台。

2.1.2 视音频处理卡 视音频处理卡是非线性编辑系统的“引擎”，在非线性编辑系统中起着举足轻重的作用，它直接决定着整个系统的性能。它主要有以下功能：

一是完成视、音频信号的A/D、D/A转换，即进行视频、音频信号的采集、压缩/解压缩和最后的输出等功能，也称这类卡为视频采集卡。视音频处理卡是模拟信号与数字信号的分水岭，所有模拟视音频信号在此经过A／D变换后，每一段素材都成为了一个视频文件存放在硬盘阵列中，供计算机进行数字域的处理。需要输出的视音频数码流经过D／A变换成为可供记录或直播的视音频信号。视音频处理卡上包括模拟信号接口如复合、分量、S-VIDEO，已涵盖现有模拟电视系统的所有接口形式，也包括像IEEE-1394和SDI这样的数字接口。

视频采集卡是非线性编辑系统产品的决定性部件。一套非线性编辑系统所能达到什么样的视频质量，与视频采集卡的性能密切相关。压缩与解压缩是视频采集卡的核心内容。在数字视频信号不能被有效而高质量地压缩时，非线性编辑都是在昂贵的工作站上实现的。因为庞大的数字视频数据量使苹果机和普通PC机都不堪重负，不能正常处理数码率高达216 Mb/s的无压缩数字分量视频信号或者142 Mb/s的无压缩数字复合数字视频信号，从而无法胜任无压缩数字视频信号的非线性编辑工作。然而，随着数字图像压缩技术的发展，各种图像压缩算法日臻成熟，使得在苹果机和PC机上进行视频非线性编辑成为了现实，这些图像压缩算法是实现相对廉价的视频非线性编辑的关键所在。而视频采集卡正是采用这样的压缩算法。只不过它把压缩程序集成在硬件中。目前，国内外的非线性编辑系统，大都是采用Motion－JPEG算法。这种压缩算法对活动的视频图像通过实行实时帧内编码过程单独地压缩每一帧，可以进行精确到帧的后期编辑。Motion－JPEG的压缩和解压缩是对称的，可以由相同的硬件和软件来实现，这对压缩／解压电路实现高度集成化有帮助。由于这种算法不太复杂，可以用很小的压缩比（2∶1）进行全帧采集，从而实现广播级指标所要求的无损压缩。

二是进行特技的加速。以前的非线性编辑系统多使用软件的方式制作特技，需要漫长的生成时间，效率很低，只能依靠计算机的计算能力。而且信号又被重新压缩，图像质量劣化。视频处理卡中的DVE特技板，可以完成两路或多路的实时特技。用硬件方式来完成特技的制作，速度快，效率高，还可以实时回放。

三是叠加字幕的功能。早期的非线性编辑系统中这三类卡是独立的，分别安放在不同的插槽中。这样既繁琐又增加了故障出现的几率，也影响处理速度。目前已经将视音频采集、压缩与解压缩、视音频回放、实时特技、字幕等全部集成在同一块卡或一套卡上，使得整个系统的硬件结构非常简洁。

压缩与解压缩是视频处理卡的核心内容，因为庞大的数字视频数据量使普通的计算机都不堪重负，不能正常处理数码率高达216 Mb/s（27 MB/s）的无压缩数字分量视频信号，或者142 Mb/s（17.75 MB/s）的无压缩数字复合视频信号，从而无法胜任无压缩数字视频信号的非线性编辑工作。目前，我国拥有的非线性编辑系统大都是采用M－JPEG算法。这种压缩算法对活动的视频图像通过实行实时帧内编码过程单独地压缩每一帧，可以进行精确到帧的后期编辑。由于这种算法不太复杂，可以用很小的压缩比（2∶1）进行全帧采集，从而实现广播级指标所要求的无损压缩。若采用广播级指标进行2∶1压缩，经过压缩的数字视频信号其数码率仍有108 Mb/s（分量视频）或71 Mb/s（复合视频）。

2.1.3 大容量数字存储载体 数字非线性编辑系统所要存储的是大量的视频音频素材，数据量极大，因此需要大容量的存储载体，在目前情况下硬磁盘（即硬盘）是一种最佳的选择。非线性编辑的特点对硬盘的容量和读写速度提出了更高的要求。影响硬盘数据传输率的因素一是磁头的读写速度；二是接口类型和总线速度。磁头的读写速度既取决于采用何种磁头技术（如磁阻式磁头技术），又取决于硬盘的主轴转速。现在常见的硬盘转速有4 500 rpm、5 400 rpm、7 200 rpm、10 000 rpm。

用于非线性编辑系统的硬盘从4.3 G、9 G、18 G发展到更大容量，也难以满足系统的需要，硬盘阵列技术成为大容量数字存储载体今后的发展方向。

硬盘阵列 RAID（Redundant Array of Inexpensive Disk）是具有冗余度的多重化磁盘阵列，它有独立的机箱和供电系统，不占计算机CPU资源，与计算机操作系统无关，利用若干台小型硬盘加上控制器按一定的组合条件而组成一个大容量快速响应的存储系统，从用户看是一个大硬盘。这一硬盘技术不但大大提高硬盘的容量和读写速度，更重要的是提高了系统的可靠性。当硬盘塔中某一个硬盘遭到物理损坏时，可将其热拔出，并将备份磁盘热插入，系统内的RAID控制器将利用冗余硬盘中的数据进行恢复。故一个硬盘发生故障时不成问题，能继续保持播出工作。而且，在不切断电源下也可以更换硬盘，所以维修中更换故障硬盘不必使系统停止工作。另外，随着光盘技术的发展，今后将能开发出大容量、低价格、便于携带的可读写光盘技术用于非线性编辑系统，这将大大改善非线性编辑系统的性能。

2.1.4 非线性编辑接口 非线性编辑系统在工作时，视音频素材是从录像机上载至计算机的硬盘上，经过编辑后再输出至录像机记录下来。信号的传送是通过视音频信号接口来实现的。另外，为了适合网络传送的需要，非线性编辑系统的接口也要考虑到广播电视数字技术及计算机网络发展的潮流。在非线性编辑系统中，数字接口由两部分组成：计算机内部存储体与系统总线的接口，以及非线性编辑系统与外部设备的接口。与外部设备的接口也包括两部分：与数字设备连接的接口及与网络连接的接口。

2.2 非线性编辑系统的软件环境

从非线性编辑系统的硬件结构来看，它只是完成了视音频数据的输入／输出、压缩／解压缩、存储等工作，这还不够。要完成非线性编辑工作，还要有相应的应用软件，才能组成一套完善的非线性编辑系统。现在世界上非线性编辑软件种类繁多，但我们仍然可以依据这些软件的功能，用从输入／输出到制作的次序来排定它们的层次。

2.2.1 稳定可靠的操作系统 运行在硬件平台上的是计算机的软件操作系统，对应不同的机型存在着不同的操作系统平台。早期非线性编辑系统的主流操作平台是建立在Macintosh计算机基础之上的Mac OS系统，Mac显示出它强大的处理能力，如创造性的应用程序，为广告制作商、后期制作室和演播室等用户方面提供了比较完善的功能，初期大约有60%的非线性编辑系统是基于Mac平台的，现在有代表性的产品如Media-100系列。目前比较高档的非线性操作系统都运行在Windows NT平台上，它支持32位线程级多任务、对称多处理器和多种类型的中央处理器，具有工业级的稳定性、安全性和容错能力。

对于以SGI工作站为硬件平台的系统来说，UNIX是最流行的操作系统。

2.2.2 方便实用的非线性编辑软件 非线性编辑软件是指运行在计算机硬件平台和操作系统之上，在开发软件平台上发展的用于非线性编辑的应用软件系统，这是非线性编辑系统的核心，非线性编辑的大部分操作过程都要在非线性编辑软件中完成。

这类软件大致可分为专用型和通用型。其中专用型的软件大都由非线性编辑系统开发商根据他们所选用的视频处理卡的特点而专门开发，如国产的大洋、奥维迅、新奥特等公司开发的软件，国外的如AVID公司的软件。作为专门开发的非线性编辑软件，充分考虑了与视频处理卡的匹配，由此组成的整个系统性能较稳定。

除了专用型的软件外，目前还有许多通用型的软件，都是由第三方的公司（既不是视频处理卡制造商，也不是非线性编辑系统集成商）开发的，它的特点是可以不依赖硬件运行，安装在任何电脑上都可以使用。这些软件种类繁多，功能强大，在很大程度上填补了非线性编辑系统在特技效果和多层画面合成能力上的不足。

3 结语

本文简单概述了非线性编辑系统的构成，实际种类很多，我们应该根据自身实际情况选择经济高效的非线性编辑系统，从而更好地完成制作。■

2012-05-09