光盤AVI視頻流的實時錄制

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

關鍵詞： AVI；實時錄制；DVD錄像機

引言

近20年來，電子設計數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歷著巨大的變革。與此同時，在數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準。隨著計算機的普及，有更多關于文件格式和文件系統(tǒng)的標準被提出。把多媒體格式引進個人計算機(PC)也導致了PC和消費電子技術的相互滲透和融合。

現有的大部分光盤錄像機只支持MPEG-2編碼的DVD格式。然而，對于壓縮比更高、更為先進的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文件格式進行深入研究的基礎上，本文將提出一種實用的方法，用它在光盤上實時錄制包含有數字音頻、視頻和數據流的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)境的多媒體數據，例如波形音頻WAVE、MIDI和數字視頻AVI都采用這種存儲格式。構造RIFF文件的基本單元是數據塊(Chunk)，每個數據塊包含3個部分：4字符標志符、數據大小和數據內容(見圖1)，值得注意的是，數據大小是指數據內容的大小而不是整個數據塊的大小，即不包括數據塊的前面8個字節(jié)。

圖1 數據塊組成

AVI文件由多個數據塊組成，當然，數據塊內還可以包含其它的數據塊。通常來說，AVI文件由三大部分組成：信息區(qū)、數據區(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)的數據對齊，如32KB的整數?！癓IST’movi’”是數據區(qū)，包含有交織的音頻和視頻數據幀?！癓IST’idx1’”是索引區(qū)，記錄各個音視頻數據幀的起始位置、大小和是否關鍵幀的信息。

光盤實時錄制系統(tǒng)

實時錄制系統(tǒng)方案

圖4是一個典型的實時音視頻錄制系統(tǒng)，展示了實時錄制系統(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，或者是來自數字廣播系統(tǒng)的數字源。如果是模擬信號，信息會被預處理、數字化、并被壓縮成音頻和視頻的單元流。音頻和視頻的單元流經過“AVI復合器”轉換成符合AVI格式的數據，然后把這些數據實時錄制在光盤上。

圖3 AVI文件的RIFF格式

值得注意的是，實時錄制中的“實時”要求是指，刻錄在光盤等介質的速度要等于或者大于采集音視頻數據流的速度，否則就會出現數據瓶頸。具體來說，數據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，從音視頻源采集數據的速度是不恒定的，場景快速變化所包含的數據流速度比較大，相反場景平緩變化的數據流速度比較小，當然采樣精度也是影響數據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 典型的實時錄制系統(tǒng)

實時錄制難點

對于AVI文件來說，信息區(qū)里的內容最為重要。如果信息區(qū)里的數據不正確，解碼器就無法準確解碼整個文件。信息區(qū)是數據區(qū)的總結，在數據區(qū)沒有完成錄制時，無法得到有效的信息區(qū)數據。然而，從文件的排列結構來看，AVI的信息區(qū)在文件頭，數據區(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)的位置預先寫點無用的數據，等到錄制完成之后再把正確的數據覆蓋寫到這個區(qū)域上。

然而在一次性可寫式光盤(CD-R, DVD+R, DVD-R)上進行實時錄制時，就無法用以上方法了，因為數據一旦寫上去就無法改寫了；另外，在一個光軌里必須順序寫入，即從這個光軌的起始塊地址寫到結束的塊地址?？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難點。下面就重點介紹在可寫式光盤上解決實時錄制難題的方案。

在可寫式光盤上實時錄制

可寫式光盤各個可寫的數據區(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，可以預留一個光軌來改變各個連續(xù)的數據區(qū)域寫在光盤上的順序。限制前提如下：
* 預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，空隙里的內容取決于刻錄機；
* 最多預留2個光軌。

針對可寫式光盤的特點，實時錄制要分為幾個步驟進行，如圖5所示。

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

圖5 實時錄制流程

錄制結果

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；
* 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。

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

結語

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。在基于LSI Logic公司的DMN-8603芯片的DVD錄像機解決方案中，采用了本文所述的方法來錄制AVI文件。
市面上現有的DVD光盤錄像機產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壓縮標準，與之相比，AVI文件格式可以兼容更高壓縮標準的MPEG-4，這樣在一張DVD盤上可以儲存更長時間的視頻數據。

參考文獻：
1. Microsoft,  "AVI RIFF File Reference", http://www.microsoft.com.
2. 鄂大偉, 多媒體技術基礎與應用。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