光盤AVI視頻流的實(shí)時錄制

摘要： 本文討論了AVI文件格式及典型的實(shí)時錄制，提出一種在可寫式光盤上視頻流錄制的實(shí)用方案，并且獲得了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： AVI；實(shí)時錄制；DVD錄像機(jī)

引言

近20年來，電子設(shè)計數(shù)字化推動多媒體的迅猛發(fā)展，聲音、動畫、視頻等的采集、創(chuàng)建、傳輸和欣賞等方式都經(jīng)歷著巨大的變革。與此同時，在數(shù)字化音頻和視頻的壓縮、物理存儲和傳播方面也提出了多種國際標(biāo)準(zhǔn)。隨著計算機(jī)的普及，有更多關(guān)于文件格式和文件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)被提出。把多媒體格式引進(jìn)個人計算機(jī)(PC)也導(dǎo)致了PC和消費(fèi)電子技術(shù)的相互滲透和融合。

現(xiàn)有的大部分光盤錄像機(jī)只支持MPEG-2編碼的DVD格式。然而，對于壓縮比更高、更為先進(jìn)的MPEG-4編碼來說，目前兼容的文件格式是AVI。在對光盤特性和AVI文件格式進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，本文將提出一種實(shí)用的方法，用它在光盤上實(shí)時錄制包含有數(shù)字音頻、視頻和數(shù)據(jù)流的AVI文件。

AVI文件格式

AVI(Audio Video Interlace，音頻視頻交錯)，是微軟公司在1992年推出的一種數(shù)字音頻視頻格式，它符合RIFF(Resource Interchange File Format，資源互換文件格式)規(guī)范，作為管理Windows環(huán)境的多媒體數(shù)據(jù)，例如波形音頻WAVE、MIDI和數(shù)字視頻AVI都采用這種存儲格式。構(gòu)造RIFF文件的基本單元是數(shù)據(jù)塊(Chunk)，每個數(shù)據(jù)塊包含3個部分：4字符標(biāo)志符、數(shù)據(jù)大小和數(shù)據(jù)內(nèi)容(見圖1)，值得注意的是，數(shù)據(jù)大小是指數(shù)據(jù)內(nèi)容的大小而不是整個數(shù)據(jù)塊的大小，即不包括數(shù)據(jù)塊的前面8個字節(jié)。

圖1 數(shù)據(jù)塊組成

AVI文件由多個數(shù)據(jù)塊組成，當(dāng)然，數(shù)據(jù)塊內(nèi)還可以包含其它的數(shù)據(jù)塊。通常來說，AVI文件由三大部分組成：信息區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、索引區(qū)(可缺省)，如圖2所示。

圖2 AVI文件組成

AVI文件的RIFF格式如圖3所示，這是當(dāng)前流行的DivX的AVI基本文件格式。其中“LIST’hdrl’”和“LIST’INFO’”是信息區(qū)的內(nèi)容，如寬度、高度、比特率、音頻編碼格式等等。“JUNK”是個填充區(qū)，它的作用是使信息區(qū)的數(shù)據(jù)對齊，如32KB的整數(shù)?！癓IST’movi’”是數(shù)據(jù)區(qū)，包含有交織的音頻和視頻數(shù)據(jù)幀?！癓IST’idx1’”是索引區(qū)，記錄各個音視頻數(shù)據(jù)幀的起始位置、大小和是否關(guān)鍵幀的信息。

光盤實(shí)時錄制系統(tǒng)

實(shí)時錄制系統(tǒng)方案

圖4是一個典型的實(shí)時音視頻錄制系統(tǒng)，展示了實(shí)時錄制系統(tǒng)的各個主要組成部分。圖中的“音頻、視頻源”可來自無線系統(tǒng)的模擬電視信號，或者是來自數(shù)字廣播系統(tǒng)的數(shù)字源。如果是模擬信號，信息會被預(yù)處理、數(shù)字化、并被壓縮成音頻和視頻的單元流。音頻和視頻的單元流經(jīng)過“AVI復(fù)合器”轉(zhuǎn)換成符合AVI格式的數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)實(shí)時錄制在光盤上。

圖3 AVI文件的RIFF格式

值得注意的是，實(shí)時錄制中的“實(shí)時”要求是指，刻錄在光盤等介質(zhì)的速度要等于或者大于采集音視頻數(shù)據(jù)流的速度，否則就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)瓶頸。具體來說，數(shù)據(jù)刻錄到光盤的速度是有限的，不能高于一定的閥值，這個閥值取決于光盤的特性。通常我們是以恒定的速率刻錄光盤，然而，從音視頻源采集數(shù)據(jù)的速度是不恒定的，場景快速變化所包含的數(shù)據(jù)流速度比較大，相反場景平緩變化的數(shù)據(jù)流速度比較小，當(dāng)然采樣精度也是影響數(shù)據(jù)流速度的一個重要因素。因此，我們必須在兩者之間加入緩存，如圖4所示。

圖4 典型的實(shí)時錄制系統(tǒng)

實(shí)時錄制難點(diǎn)

對于AVI文件來說，信息區(qū)里的內(nèi)容最為重要。如果信息區(qū)里的數(shù)據(jù)不正確，解碼器就無法準(zhǔn)確解碼整個文件。信息區(qū)是數(shù)據(jù)區(qū)的總結(jié)，在數(shù)據(jù)區(qū)沒有完成錄制時，無法得到有效的信息區(qū)數(shù)據(jù)。然而，從文件的排列結(jié)構(gòu)來看，AVI的信息區(qū)在文件頭，數(shù)據(jù)區(qū)在文件中間，最后是索引區(qū)。

如果在可重寫光盤上(CD-RW, DVD+RW, DVD-RW)錄制AVI，可以先在信息區(qū)的位置預(yù)先寫點(diǎn)無用的數(shù)據(jù)，等到錄制完成之后再把正確的數(shù)據(jù)覆蓋寫到這個區(qū)域上。

然而在一次性可寫式光盤(CD-R, DVD+R, DVD-R)上進(jìn)行實(shí)時錄制時，就無法用以上方法了，因?yàn)閿?shù)據(jù)一旦寫上去就無法改寫了；另外，在一個光軌里必須順序?qū)懭?，即從這個光軌的起始塊地址寫到結(jié)束的塊地址?？蓪懯焦獗P的這些特性是我們整個錄制過程中最大的技術(shù)難點(diǎn)。下面就重點(diǎn)介紹在可寫式光盤上解決實(shí)時錄制難題的方案。

在可寫式光盤上實(shí)時錄制

可寫式光盤各個可寫的數(shù)據(jù)區(qū)域是以光軌的形式排列在光盤上的。光軌通常也是一個挨著一個順序排列，但是在一些限制前提下，可以預(yù)留一個光軌來改變各個連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)域?qū)懺诠獗P上的順序。限制前提如下：
* 預(yù)留光軌的長度必須符合光盤糾錯的要求；
* 光軌之間必須有一定的空隙，空隙里的內(nèi)容取決于刻錄機(jī)；
* 最多預(yù)留2個光軌。

針對可寫式光盤的特點(diǎn)，實(shí)時錄制要分為幾個步驟進(jìn)行，如圖5所示。

1) 預(yù)留一定大小的光軌，這個光軌將用來存儲信息區(qū)的內(nèi)容；
2) 開始實(shí)時錄制時，把音頻視頻源采集的數(shù)據(jù)處理、編碼、交織形成音頻和視頻數(shù)據(jù)塊。然后把這些數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)放在緩存里。接下來系統(tǒng)把緩存的數(shù)據(jù)通過刻錄機(jī)寫到光盤上，完成實(shí)際的錄制；
3) 在錄制過程中，數(shù)據(jù)區(qū)中movi數(shù)據(jù)塊的大小可以通過音頻數(shù)據(jù)塊、視頻數(shù)據(jù)塊、填充數(shù)據(jù)塊的大小總合來計算；
4) movi數(shù)據(jù)塊的結(jié)尾填充一個數(shù)據(jù)塊來保證movi數(shù)據(jù)塊為32KB的整數(shù)倍。這個數(shù)據(jù)塊可以是JUNK的形式，并作為movi數(shù)據(jù)庫的字?jǐn)?shù)據(jù)塊；
5) 寫索引區(qū)數(shù)據(jù)塊，記錄movi區(qū)里音頻、視頻的索引信息；
6) 寫預(yù)留的光軌，包含信息區(qū)的內(nèi)容、RIFF文件頭，還有兩個光軌之間的空隙信息。

圖5 實(shí)時錄制流程

錄制結(jié)果

選取了幾種有代表性的平臺來測試錄制出來的AVI文件。測試平臺是
* Sony公司的DVP-NS930V DVD播放機(jī)；
* Microsoft公司的Windows Media Player9.0播放器；
* DivX Networks公司的DivX6.0播放器。

播放測試矩陣如表1。

測試結(jié)果表明，在幾種主流的播放器上都能夠流暢播放，證實(shí)了這種方法兼容性良好。

結(jié)語

本文介紹了一種在光盤上錄制AVI文件的方法，這種方法也非常適用于一次性寫入的介質(zhì)。在基于LSI Logic公司的DMN-8603芯片的DVD錄像機(jī)解決方案中，采用了本文所述的方法來錄制AVI文件。
市面上現(xiàn)有的DVD光盤錄像機(jī)產(chǎn)品大多只支持錄制成DVD文件格式，而不支持錄制成AVI文件格式，而且更少有直接支持從音視頻源錄制到光盤上的文件格式。DVD文件格式只支持MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)，與之相比，AVI文件格式可以兼容更高壓縮標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-4，這樣在一張DVD盤上可以儲存更長時間的視頻數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：
1. Microsoft,  "AVI RIFF File Reference", http://www.microsoft.com.
2. 鄂大偉, 多媒體技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用。北京：高等教育出版社，2003。
3. Hirow Marumon,  "A Real Time Recording System for a camcorder by DVD Video Format”, June 2003, “Digital Object Identifier” 10.1109/ICCE.2003.1218853