在現今的數字電視演播室中，設備之間基本上采用信號流連接方式，如SDI、STDI、模擬YUV、VBS等信號流。在非線性編輯系統和播出系統與服務器之間的連接，還有基于MPEG-2傳輸流等的信號連接方式。基于信號流連接方式的主要特點是，傳送時可以同時播放和處理。但是，以流方式傳送的數字信號，元數據被放在場消隱期間傳送，在信號切換時元數據會丟失。

　　在以媒體資產管理系統為核心的數字制播環境，一是需要以數據文件進行存儲、遷移和交換，并使用豐富的元數據，元數據要和視/音頻數據捆在一起傳送和存儲；二是基于計算機平臺的視/音頻處理設備越來越多，以文件傳輸視/音頻及元數據是這些設備之間最有效的數據傳輸方法；三是文件傳輸方式允許所有相關數據被打包后一起傳送，非常靈活；四是基于文件傳輸允許大量使用IT設備，文件可以在不同速率的廣域網和局域網中交流，文件的調用速度可以適應不同的通道帶寬；五是文件交換不會引起圖像質量的下降。

　　基于數據的傳輸標準尚不完善備。現在互聯網上應用最廣泛的文件傳輸協議是FTP(File Transfer Protocol)，它用于文件上/下載，允許文件在傳輸中斷后續傳，傳輸過程不需要人工干預，非常適合非編系統的素材交換。一些視頻服務器和錄像機也采用FTP作為傳輸和復制的工具。但是，采用FTP需要雙向網絡支持，而且傳輸時不能同時播放和處理。

　　從AV平臺過渡到IT平臺，要把AV素材數據化，使元數據處理系統化,做到文件無縫交換，并支持流和文件兩種方式。基于這種需求，MXF、GXF和AAF文件格式應運而生。MXF(Material eXchange Format)為“素材交換格式”，主要用于設備間的文件交換并支持簡單的編輯功能；GXF(General eXchange Format)為“通用交換格式”，主要用于存儲文檔的交換；AAF(Advanced Authoring Format)為“先進制作格式”，支持復雜、靈活的編輯功能。


MXF格式

　　MXF是專業MPEG論壇(Pro-MPEG Forum)制定和推廣的一個開放的文件格式，目標是解決節目制作系統中不同環節的設備間視/音頻節目素材和相關數據及其元數據的交換。

MXF的特點

　　(1)MXF是音/視頻/元數據的打包結構，文件本體可以是多種視/音頻格式，包括元數據。MXF對于任何素材和節目單元(數字音/視頻、附加數據或元數據)的傳輸，不必考慮其格式和內容，將這些節目單元作為一個實體，簡單地放入文件包內，通過網絡傳輸，并且可以通過文件名檢索源文件。MXF符合SMPTE 336M KLV數據編碼協議。

　　(2)文件在傳輸過程中可以直接播放。以往只有以數據流方式傳輸文件時，才能在傳輸過程中同時播放。現在以文件交換格式傳輸視/音頻時，在服務器錄入文件的過程中，也可以播放其內容。由于內容實體在文件中以播放順序排列，文件中重復分布再同步信號，文件頭數據重復出現在其它部位和文件主體部分，即使傳輸中斷，時鐘也能再次鎖定，能從文件任意部分開始解碼。

　　(3)元數據得以保留。用MXF傳輸視/音頻時，元數據與視/音頻捆在一起傳送，元數據與有效負荷同樣用于說明文件的實體功能。

MXF數據格式

　　簡單類型




　　如圖1所示，文件頭包含文件的總體信息，說明文件內有什么內容及其安排方式，稱為結構型元數據，還有可選的用戶定義描述元數據。文件體有一內容容器，用于傳輸隔行掃描的視/音頻數據，以及部分元數據。

　　復雜類型




　　MXF數據格式的復雜類型可包括索引表，如圖2所示。索引部分包括部分元數據和文件參數，用于文件訪問，指示文件體內包括的幾個部分：用于流傳輸中斷后再恢復的信息；用于區分場景或片段的信息；用于區分不同場景類型的信息。文件體部分占整個文件的99%以上，MXF采用普通容器(Generic Container，GC)作為文件本體的中間容器，所有視/音頻流和元數據都裝入GC中。GC由系統項目、圖像項目、聲音項目和輔助數據項目組成。最基本的項目是系統項目，它含有視/音頻流和元數據處理的詳細參數。要求幀精確元數據(如時間碼、UMID等)也存儲在系統項目內。如果元數據需要很大的空間，可利用輔助項目傳送額外的元數據。

　　KLV編碼

　　MXF采用KLV(Key Length Value)編碼(SMPTE 336M標準)對元數據和內容打包。KLV的數據結構分為KEY、LENGTH和VALUE三部分，見圖3。




　　Keys為16B SMPTE標準化通用標簽(Universal Labels)。KLV項目(Items)可分組放入各個數據集(Set)，數據集內的Local Keys為2B長，其基本目錄由SMPTE預先確定；其它在文件內定義。Local Keys指明：通用識別符(Universal Identifier，UID)是另一個集的參考，還是識別這個單獨集的標簽。

　　識別符ID和參考

　　MXF的UID包括：16B通用標簽，如KLV的Key標簽；16B通用唯一識別符(Universally Unique ID, UUID)，用于識別特殊數據集、指向其他集、產生識別符；32B唯一素材識別符(Unique Material Identifier, UMID)，用來識別一些實體元素及其有關的元數據集(Metadata Sets)。

　　MXF的元數據集有兩種形式：一種是一對一的描述，ID即是該數據集自己的識別符，例如規定一個視頻軌數據集有描述自己的元數據；另一種是一個數據集的ID元數據集嵌入其他元數據集，它需要以其他元數據集做參考。

　　時間線軌的概念

　　MXF對文件中的每個部分都采用時間線軌(Time Line Track)的概念，實體內容和元數據的分段都掛在一個虛擬的時間線上，通過元數據集定義：識別和標簽軌、編輯等級和軌的持續期、指向其它元數據集和與這個軌相關聯的實體內容之容器。時間線軌上有與視頻軌對應的時間碼。如圖4所示，掛在時間線軌上的元數據把元數據軌和實體軌關聯起來。這個描述方案稱為DMS-1，基于SMPTE和EBU的元數據定義，而不同于MPEG-7。




　　MXF打包封裝的一個輸出文件可能涉及其他源文件。MXF采用素材包和文件包的概念傳送使用文件包，編輯時通過文件包的映射形成素材包。素材包內含描述編輯最后輸出的元數據。文件包含有描述素材源的元數據，有一個指向基本內容的最終指示器。

　　操作模式限定了文件組成的復雜度：單一實體型文件只有單一的實體片斷；文件內有多種不同源片斷的串接，文件內的節目交替出現。

　　編輯時將文件包映射到一個時間線上組成素材包。圖4中，簡單模式的素材包是由單個文件包構成的單一素材源數據段；復雜模式的素材包含多個文件包編輯成的多個素材源數據段，即多個文件包映射在單一時間線上形成素材包。

　　MXF文件主體的格式

　　MXF的文件主體是DV、MPEG、非壓縮視頻素材和AES音頻，對主體格式(Body Formats)的規定為：

　　(1)將編碼的素材實體分成可編輯的單元，典型的編輯單元即為一幀；

　　(2)典型的可編輯單元包括：系統項目(System Item)，例如URL、聲音通道的號、時間碼等；圖像項目(Picture Item)；聲音項目(Sound Item)；數據項目，例如字幕。每個可編輯單元內的項目都采用KLV編碼，如圖5所示。




MXF中的元數據

　　MXF文件中的元數據如圖6所示。元數據不僅用于記錄時間碼，而且可用于記錄文件結構、文件體內容、關鍵字和題目、副標題、參考數字、位置、時間、數據和版本號等。

　　SMPTE已通過了元數據說明與分級的協議，以及包括唯一素材標識符(UMID)的KLV編碼方案。




　　在MXF文件的頭部和本體內都可以包含文件的元數據，頭部的元數據包括類似EDL的信息、內容識別元數據、場景或鏡頭元數據、描述元數據等。這些描述符都作為整體文件、鏡頭或場景的邊信息。

　　非線性編輯需要編輯MXF文件的頭部元數據、本體元數據和素材。一般的編輯是采用中間格式，如易讀的XML語言，非線性編輯首先用XML文件作為編輯描述輸出，如圖7所示。那些XML文件和AV流用來產生MXF文件。另外，存儲在AV服務器中實體流和幀精確的元數據，在服務器中經SDTI-CP或i.Link接口復用或解復用。雖然MXF是文件交換格式，但在節目制作設備內也不必將MXF文件的內容轉換為本地文件結構存儲。因而，MXF輸入/輸出運作對于不同廠商的設備之間的互操作非常重要。




MXF編輯過程中元數據的操作

　　素材獲取過程是節目制作鏈產生元數據的第一步，如圖8所示。例如，攝錄一體機用UMID元數據記錄傳統的前向時間碼(SMPTE12M)，用于鏡頭識別的UMID元數據附加到每個鏡頭上。這些鏡頭素材(AV流和元數據)以MXF文件包形式采集到服務器上，文件包含有不同時間線的鏡頭素材。一旦這些MXF文件被存入服務器，即可對這些文件包進行非線性編輯，將文件包映射到單一的時間線上，用這個時間線來定義MXF素材包。

　　非線性編輯加一些場景描述元數據，并產生EDL類的數據，這些都放在MXF文件的頭部元數據中。編輯過程如此重復，直到產生最后完整的素材包，見圖8。




　　所有的文件包都在節目素材采集過程中產生，某些元數據(如鏡頭元數據)也附加到每個文件包上。非線性編輯器產生一個單一的編輯過程參考時間線，如圖4。非線性編輯器可以根據鏡頭的分界線，在其時間線上獨立地定義一些場景，也可以給每個場景附加元數據。最后的映射決定修改的EDL類數據，并存到MXF的頭部元數據內。

　　存儲在AV服務器的音/視頻實體與外部元數據庫內的元數據聯合使用過程如下：MXF的頭部元數據被復制并存儲到外部MXF數據庫，所建立的數據包含搜索UMID(Keys)；文件實體部分也含有UMID，UMID描述了外部元數據數據庫和AV服務器中實體之間的同步聯接，可用于聯接MXF實體和外部元數據；然后，用戶用外部數據庫的UMID搜索AV內容，從AV服務器(存檔系統)重新得到相應節目實體，見圖5。外部元數據庫也可以包含用戶自定義的元數據。

元數據——通向IT平臺的網關

　　典型的基于IT的節目制作系統是：所有工作站和服務器都通過IP網絡連接，所接收的素材都用MXF文件進行非線性存檔，并與制作和播出系統共享。所有MXF文件也可傳送到其他部門或演播室再應用。MXF/AAF技術和元數據是這個系統的基礎。元數據元素UMID是MXF/AAF文件與大量外部元數據鏈接的要素。UMID詳細說明了逐幀或逐個場景識別文件中所含節目素材的方法，猶如把打包的節目片斷與所關聯的外部元數據相聯的指示器。雖然用戶在存留的節目中都有豐富的各自獨立的元數據，但MXF文件能攜帶更豐富的元數據。UMID聯結系統支持與攝取/存檔節目關聯的外部元數據的使用。元數據友好是節目制作系統向基于IT系統移植的關鍵。


GXF格式

　　GXF也是Pro-MPEG組織制定和推廣的文件格式，它的目標是便于用數據磁帶存取素材(包括元數據)。除了沒有采用SMPTE推薦的KLV數據打包方式之外，GXF具有和MXF類似的特點，參看SMPTE360M。

　　從設計上看，GXF和MXF文件都是既能用多種介質傳輸，又能邊傳輸、邊處理，兼具信號流和計算機數據文件二者的優點，對提高制作系統中節目和素材的傳輸效率大有益處。

GXF文件的基本結構

　　GXF支持JPEG、MPEG壓縮視頻和未壓縮的音頻，同時支持多種合成功能。音頻和視頻包在文件中復用，保證在文件傳輸和存儲過程中都可以同時播放，如圖9所示。文件中還包含服務器內對文件的注釋信息，如文件名稱、視音頻內容的入/出口等。GXF的復用結構中，包含編輯中的剪切、音頻淡入/淡出及對靜止素材的管理等信息。




GXF文件的傳輸

　　GXF是一種網絡的數據交換格式，也是一種存儲文檔的交換格式。文件從一個服務器傳到另一個服務器時，發送服務器不必考慮所要傳送的文件是什么格式，只要把它打包成GXF文件發出去即可，接收服務器收到GXF文件，再把它轉換成其內部應用格式。

GXF的文件檢索

　　GXF使用標準文件傳輸協議，可以實現部分文件檢索。從操作設備向存檔服務器(或數據磁帶庫)提出檢索要求時，將所需段落入/出點標記送到服務器即可，而不需要的素材部分則不會被傳輸。數據磁帶驅動的搜索速度比普通磁帶讀取速度高5倍。

　　GXF文件在開始部分有一個粗略的幀檢索表，用于數字磁帶的文檔檢索。在服務器或編輯系統內部也有幀搜索表，用來運行EDL定義的剪切與轉換，這些設備收到GXF文件時，自動生成幀搜索表。不同設備對GXF文件處理方式不同，編輯設備收到文件時，會將不同視/音頻軌處理成連續分離的文件；存儲轉發設備收到文件時，則進行多路復用；而有些存檔設備則對收到的文件不作任何修改。因此，不同的設備根據不同的需要生成不同的內部搜索表。

　　GXF已經得到廣泛應用，有大量基于GXF的檔案庫存儲器在應用，每天有上千個支持GXF的設備通過IP網絡傳遞素材。GXF文件交換格式仍在發展。


AAF格式

　　AAF是AAF組織制定的，面向多媒體編輯工具之間的數據交換，主要用于實體數據和元數據的交換，對非線性編輯系統更有意義。

　　在非線性編輯系統中，EDL起重要作用，并在編輯過程中被頻繁地使用。引入EDL已有30多年，但是，隨著制作工具和制作手段的發展，EDL已經難以滿足編輯的要求。于是，稱為“超級EDL”的AAF格式應運而生。

　　AAF是針對后期編輯制作環境傳遞編輯信息而設計的，比MXF和GXF包含的內容更多。它容納元數據的能力很強，可以描述復雜的編輯信息，如合成、特技效果等，它能包含生成一個節目所需的所有素材和元數據。另外，AAF還支持通過元數據引用外部素材。這樣，單個AAF文件可以包含一個后期制作項目的所有數據和信息，而且根據AAF文件的內容可追溯到該項目制作歷史中的每個版本，并在生成每個新版本時都可以使用原始素材，避免素材多次復制帶來的質量下降。

　　AAF采用層次式文件結構。它使用對象向導(Object-oriented)機制對元數據與實體進行組織，對象提供攜帶不同信息標志的整體框架。對象向導可對不同形式的信息進行某些相同處理。例如，在AAF文件中可以同時出現視頻數據、音頻數據、MIDI文件數據等工作區域。當信息非常復雜時，Object對信息進行結構方式的描述，這樣能比較容易地獲取信息摘要。當進行復雜的節目交換時，要用到Object模型。Object模型可提供實體與元數據打包和描述等多種機制及自定義類的功能，并具有在現有類中添加信息的功能。Object模型常用四種包：成分包(描述實體數據的順序、位置和對實體數據使用的特技)、素材包(為實體數據提供間接通道，與相關實體數據同步)、源文件包(提供數字實體數據入口和格式描述)和源物理包(提供物理介質的描述)，每個包都是一個Object，都由元數據組成。每個包可以描述一種或幾種實體，這是由于每個包中可以包含一個或多個狹槽(Slot)，如一個包可以含有2個音頻Slot、一個視頻Slot、2個靜止畫面Slot和3個時間碼Slot等。這樣，在文件交換中，元數據與實體一樣作為重要的交換對象進行交換。

　　AAF提供了很多可交換的元數據，使節目段的特技轉換調整容易；可使多種數據互相聯系，能使畫面與聲音保持同步。AAF可在工作流程中對文件實體與元數據進行組織與交換，對影視后期制作具有非常重要的作用。


MXF、GXF與AAF的比較

　　MXF和GXF文件更適合于流式處理，不用等到文件傳輸結束，即可開始回放這個文件。AAF的結構比MXF和GXF復雜得多，它采用層次式文件結構，其文件中還有文件系統，這種層次結構決定了它在傳輸結束前無法被使用，無法實現流操作，但是有利于減少編輯修改過程中重寫的文件內容。

　　AAF與MXF和GXF面向不同的應用。AAF不能直接用于文件交換，它支持高性能的編輯應用，包括非線性編輯和多層畫面合成、特技效果和豐富的元數據，可接受外部基準。Pro-MPEG Forum和AAF協會同意把MXF作為AAF的子集進行開發，MXF作為AAF的簡單功能版本，只支持簡單的編輯功能，不能接受外部基準，主要用于不同系統之間的文件交換和簡單編輯。MXF中有場景描述元數據，AAF尚未納入。AAF建議采用Microsoft的存儲結構，MXF采用KLV二進制符號。AAF已經開發了自己的軟件開發包(SDK)，簡單修改AAF的SDK就可以得到MXF的SDK。

　　MXF格式的文件不僅能用IP網絡傳輸，而且能使用SDTI作為傳輸接口，這可以充分利用電視臺現有的布線，有利于從信號流傳輸方式向文件傳輸方式平滑過渡。
　　本文作者張琦女士，北京廣播學院電視工程系教授；楊宇女士，研究生。信息來源：《世界廣播電視》

總結

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