数字电视制播设备间的文件交换格式

在现今的数字电视演播室中，设备之间基本上采用信号流连接方式，如SDI、STDI、模拟YUV、VBS等信号流。在非线性编辑系统和播出系统与服务器之间的连接，还有基于MPEG-2传输流等的信号连接方式。基于信号流连接方式的主要特点是，传送时可以同时播放和处理。但是，以流方式传送的数字信号，元数据被放在场消隐期间传送，在信号切换时元数据会丢失。

　　在以媒体资产管理系统为核心的数字制播环境，一是需要以数据文件进行存储、迁移和交换，并使用丰富的元数据，元数据要和视/音频数据捆在一起传送和存储；二是基于计算机平台的视/音频处理设备越来越多，以文件传输视/音频及元数据是这些设备之间最有效的数据传输方法；三是文件传输方式允许所有相关数据被打包后一起传送，非常灵活；四是基于文件传输允许大量使用IT设备，文件可以在不同速率的广域网和局域网中交流，文件的调用速度可以适应不同的通道带宽；五是文件交换不会引起图像质量的下降。

　　基于数据的传输标准尚不完善备。现在互联网上应用最广泛的文件传输协议是FTP(File Transfer Protocol)，它用于文件上/下载，允许文件在传输中断后续传，传输过程不需要人工干预，非常适合非编系统的素材交换。一些视频服务器和录像机也采用FTP作为传输和复制的工具。但是，采用FTP需要双向网络支持，而且传输时不能同时播放和处理。

　　从AV平台过渡到IT平台，要把AV素材数据化，使元数据处理系统化,做到文件无缝交换，并支持流和文件两种方式。基于这种需求，MXF、GXF和AAF文件格式应运而生。MXF(Material eXchange Format)为“素材交换格式”，主要用于设备间的文件交换并支持简单的编辑功能；GXF(General eXchange Format)为“通用交换格式”，主要用于存储文档的交换；AAF(Advanced Authoring Format)为“先进制作格式”，支持复杂、灵活的编辑功能。

MXF格式

　　MXF是专业MPEG论坛(Pro-MPEG Forum)制定和推广的一个开放的文件格式，目标是解决节目制作系统中不同环节的设备间视/音频节目素材和相关数据及其元数据的交换。

MXF的特点

　　(1)MXF是音/视频/元数据的打包结构，文件本体可以是多种视/音频格式，包括元数据。MXF对于任何素材和节目单元(数字音/视频、附加数据或元数据)的传输，不必考虑其格式和内容，将这些节目单元作为一个实体，简单地放入文件包内，通过网络传输，并且可以通过文件名检索源文件。MXF符合SMPTE 336M KLV数据编码协议。

　　(2)文件在传输过程中可以直接播放。以往只有以数据流方式传输文件时，才能在传输过程中同时播放。现在以文件交换格式传输视/音频时，在服务器录入文件的过程中，也可以播放其内容。由于内容实体在文件中以播放顺序排列，文件中重复分布再同步信号，文件头数据重复出现在其它部位和文件主体部分，即使传输中断，时钟也能再次锁定，能从文件任意部分开始解码。

　　(3)元数据得以保留。用MXF传输视/音频时，元数据与视/音频捆在一起传送，元数据与有效负荷同样用于说明文件的实体功能。

MXF数据格式

　　简单类型

　　如图1所示，文件头包含文件的总体信息，说明文件内有什么内容及其安排方式，称为结构型元数据，还有可选的用户定义描述元数据。文件体有一内容容器，用于传输隔行扫描的视/音频数据，以及部分元数据。

　　复杂类型

　　MXF数据格式的复杂类型可包括索引表，如图2所示。索引部分包括部分元数据和文件参数，用于文件访问，指示文件体内包括的几个部分：用于流传输中断后再恢复的信息；用于区分场景或片段的信息；用于区分不同场景类型的信息。文件体部分占整个文件的99%以上，MXF采用普通容器(Generic Container，GC)作为文件本体的中间容器，所有视/音频流和元数据都装入GC中。GC由系统项目、图像项目、声音项目和辅助数据项目组成。最基本的项目是系统项目，它含有视/音频流和元数据处理的详细参数。要求帧精确元数据(如时间码、UMID等)也存储在系统项目内。如果元数据需要很大的空间，可利用辅助项目传送额外的元数据。

　　KLV编码

　　MXF采用KLV(Key Length Value)编码(SMPTE 336M标准)对元数据和内容打包。KLV的数据结构分为KEY、LENGTH和VALUE三部分，见图3。

　　Keys为16B SMPTE标准化通用标签(Universal Labels)。KLV项目(Items)可分组放入各个数据集(Set)，数据集内的Local Keys为2B长，其基本目录由SMPTE预先确定；其它在文件内定义。Local Keys指明：通用识别符(Universal Identifier，UID)是另一个集的参考，还是识别这个单独集的标签。

　　识别符ID和参考

　　MXF的UID包括：16B通用标签，如KLV的Key标签；16B通用唯一识别符(Universally Unique ID, UUID)，用于识别特殊数据集、指向其他集、产生识别符；32B唯一素材识别符(Unique Material Identifier, UMID)，用来识别一些实体元素及其有关的元数据集(Metadata Sets)。

　　MXF的元数据集有两种形式：一种是一对一的描述，ID即是该数据集自己的识别符，例如规定一个视频轨数据集有描述自己的元数据；另一种是一个数据集的ID元数据集嵌入其他元数据集，它需要以其他元数据集做参考。

　　时间线轨的概念

　　MXF对文件中的每个部分都采用时间线轨(Time Line Track)的概念，实体内容和元数据的分段都挂在一个虚拟的时间线上，通过元数据集定义：识别和标签轨、编辑等级和轨的持续期、指向其它元数据集和与这个轨相关联的实体内容之容器。时间线轨上有与视频轨对应的时间码。如图4所示，挂在时间线轨上的元数据把元数据轨和实体轨关联起来。这个描述方案称为DMS-1，基于SMPTE和EBU的元数据定义，而不同于MPEG-7。

　　MXF打包封装的一个输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传送使用文件包，编辑时通过文件包的映射形成素材包。素材包内含描述编辑最后输出的元数据。文件包含有描述素材源的元数据，有一个指向基本内容的最终指示器。

　　操作模式限定了文件组成的复杂度：单一实体型文件只有单一的实体片断；文件内有多种不同源片断的串接，文件内的节目交替出现。

　　编辑时将文件包映射到一个时间线上组成素材包。图4中，简单模式的素材包是由单个文件包构成的单一素材源数据段；复杂模式的素材包含多个文件包编辑成的多个素材源数据段，即多个文件包映射在单一时间线上形成素材包。

　　MXF文件主体的格式

　　MXF的文件主体是DV、MPEG、非压缩视频素材和AES音频，对主体格式(Body Formats)的规定为：

　　(1)将编码的素材实体分成可编辑的单元，典型的编辑单元即为一帧；

　　(2)典型的可编辑单元包括：系统项目(System Item)，例如URL、声音通道的号、时间码等；图像项目(Picture Item)；声音项目(Sound Item)；数据项目，例如字幕。每个可编辑单元内的项目都采用KLV编码，如图5所示。

MXF中的元数据

　　MXF文件中的元数据如图6所示。元数据不仅用于记录时间码，而且可用于记录文件结构、文件体内容、关键字和题目、副标题、参考数字、位置、时间、数据和版本号等。

　　SMPTE已通过了元数据说明与分级的协议，以及包括唯一素材标识符(UMID)的KLV编码方案。

　　在MXF文件的头部和本体内都可以包含文件的元数据，头部的元数据包括类似EDL的信息、内容识别元数据、场景或镜头元数据、描述元数据等。这些描述符都作为整体文件、镜头或场景的边信息。

　　非线性编辑需要编辑MXF文件的头部元数据、本体元数据和素材。一般的编辑是采用中间格式，如易读的XML语言，非线性编辑首先用XML文件作为编辑描述输出，如图7所示。那些XML文件和AV流用来产生MXF文件。另外，存储在AV服务器中实体流和帧精确的元数据，在服务器中经SDTI-CP或i.Link接口复用或解复用。虽然MXF是文件交换格式，但在节目制作设备内也不必将MXF文件的内容转换为本地文件结构存储。因而，MXF输入/输出运作对于不同厂商的设备之间的互操作非常重要。

MXF编辑过程中元数据的操作

　　素材获取过程是节目制作链产生元数据的第一步，如图8所示。例如，摄录一体机用UMID元数据记录传统的前向时间码(SMPTE12M)，用于镜头识别的UMID元数据附加到每个镜头上。这些镜头素材(AV流和元数据)以MXF文件包形式采集到服务器上，文件包含有不同时间线的镜头素材。一旦这些MXF文件被存入服务器，即可对这些文件包进行非线性编辑，将文件包映射到单一的时间线上，用这个时间线来定义MXF素材包。

　　非线性编辑加一些场景描述元数据，并产生EDL类的数据，这些都放在MXF文件的头部元数据中。编辑过程如此重复，直到产生最后完整的素材包，见图8。

　　所有的文件包都在节目素材采集过程中产生，某些元数据(如镜头元数据)也附加到每个文件包上。非线性编辑器产生一个单一的编辑过程参考时间线，如图4。非线性编辑器可以根据镜头的分界线，在其时间线上独立地定义一些场景，也可以给每个场景附加元数据。最后的映射决定修改的EDL类数据，并存到MXF的头部元数据内。

　　存储在AV服务器的音/视频实体与外部元数据库内的元数据联合使用过程如下：MXF的头部元数据被复制并存储到外部MXF数据库，所建立的数据包含搜索UMID(Keys)；文件实体部分也含有UMID，UMID描述了外部元数据数据库和AV服务器中实体之间的同步联接，可用于联接MXF实体和外部元数据；然后，用户用外部数据库的UMID搜索AV内容，从AV服务器(存档系统)重新得到相应节目实体，见图5。外部元数据库也可以包含用户自定义的元数据。

元数据——通向IT平台的网关

　　典型的基于IT的节目制作系统是：所有工作站和服务器都通过IP网络连接，所接收的素材都用MXF文件进行非线性存档，并与制作和播出系统共享。所有MXF文件也可传送到其他部门或演播室再应用。MXF/AAF技术和元数据是这个系统的基础。元数据元素UMID是MXF/AAF文件与大量外部元数据链接的要素。UMID详细说明了逐帧或逐个场景识别文件中所含节目素材的方法，犹如把打包的节目片断与所关联的外部元数据相联的指示器。虽然用户在存留的节目中都有丰富的各自独立的元数据，但MXF文件能携带更丰富的元数据。UMID联结系统支持与摄取/存档节目关联的外部元数据的使用。元数据友好是节目制作系统向基于IT系统移植的关键。

GXF格式

　　GXF也是Pro-MPEG组织制定和推广的文件格式，它的目标是便于用数据磁带存取素材(包括元数据)。除了没有采用SMPTE推荐的KLV数据打包方式之外，GXF具有和MXF类似的特点，参看SMPTE360M。

　　从设计上看，GXF和MXF文件都是既能用多种介质传输，又能边传输、边处理，兼具信号流和计算机数据文件二者的优点，对提高制作系统中节目和素材的传输效率大有益处。

GXF文件的基本结构

　　GXF支持JPEG、MPEG压缩视频和未压缩的音频，同时支持多种合成功能。音频和视频包在文件中复用，保证在文件传输和存储过程中都可以同时播放，如图9所示。文件中还包含服务器内对文件的注释信息，如文件名称、视音频内容的入/出口等。GXF的复用结构中，包含编辑中的剪切、音频淡入/淡出及对静止素材的管理等信息。

GXF文件的传输

　　GXF是一种网络的数据交换格式，也是一种存储文档的交换格式。文件从一个服务器传到另一个服务器时，发送服务器不必考虑所要传送的文件是什么格式，只要把它打包成GXF文件发出去即可，接收服务器收到GXF文件，再把它转换成其内部应用格式。

GXF的文件检索

　　GXF使用标准文件传输协议，可以实现部分文件检索。从操作设备向存档服务器(或数据磁带库)提出检索要求时，将所需段落入/出点标记送到服务器即可，而不需要的素材部分则不会被传输。数据磁带驱动的搜索速度比普通磁带读取速度高5倍。

　　GXF文件在开始部分有一个粗略的帧检索表，用于数字磁带的文档检索。在服务器或编辑系统内部也有帧搜索表，用来运行EDL定义的剪切与转换，这些设备收到GXF文件时，自动生成帧搜索表。不同设备对GXF文件处理方式不同，编辑设备收到文件时，会将不同视/音频轨处理成连续分离的文件；存储转发设备收到文件时，则进行多路复用；而有些存档设备则对收到的文件不作任何修改。因此，不同的设备根据不同的需要生成不同的内部搜索表。

　　GXF已经得到广泛应用，有大量基于GXF的档案库存储器在应用，每天有上千个支持GXF的设备通过IP网络传递素材。GXF文件交换格式仍在发展。

AAF格式

　　AAF是AAF组织制定的，面向多媒体编辑工具之间的数据交换，主要用于实体数据和元数据的交换，对非线性编辑系统更有意义。

　　在非线性编辑系统中，EDL起重要作用，并在编辑过程中被频繁地使用。引入EDL已有30多年，但是，随着制作工具和制作手段的发展，EDL已经难以满足编辑的要求。于是，称为“超级EDL”的AAF格式应运而生。

　　AAF是针对后期编辑制作环境传递编辑信息而设计的，比MXF和GXF包含的内容更多。它容纳元数据的能力很强，可以描述复杂的编辑信息，如合成、特技效果等，它能包含生成一个节目所需的所有素材和元数据。另外，AAF还支持通过元数据引用外部素材。这样，单个AAF文件可以包含一个后期制作项目的所有数据和信息，而且根据AAF文件的内容可追溯到该项目制作历史中的每个版本，并在生成每个新版本时都可以使用原始素材，避免素材多次复制带来的质量下降。

　　AAF采用层次式文件结构。它使用对象向导(Object-oriented)机制对元数据与实体进行组织，对象提供携带不同信息标志的整体框架。对象向导可对不同形式的信息进行某些相同处理。例如，在AAF文件中可以同时出现视频数据、音频数据、MIDI文件数据等工作区域。当信息非常复杂时，Object对信息进行结构方式的描述，这样能比较容易地获取信息摘要。当进行复杂的节目交换时，要用到Object模型。Object模型可提供实体与元数据打包和描述等多种机制及自定义类的功能，并具有在现有类中添加信息的功能。Object模型常用四种包：成分包(描述实体数据的顺序、位置和对实体数据使用的特技)、素材包(为实体数据提供间接通道，与相关实体数据同步)、源文件包(提供数字实体数据入口和格式描述)和源物理包(提供物理介质的描述)，每个包都是一个Object，都由元数据组成。每个包可以描述一种或几种实体，这是由于每个包中可以包含一个或多个狭槽(Slot)，如一个包可以含有2个音频Slot、一个视频Slot、2个静止画面Slot和3个时间码Slot等。这样，在文件交换中，元数据与实体一样作为重要的交换对象进行交换。

　　AAF提供了很多可交换的元数据，使节目段的特技转换调整容易；可使多种数据互相联系，能使画面与声音保持同步。AAF可在工作流程中对文件实体与元数据进行组织与交换，对影视后期制作具有非常重要的作用。

MXF、GXF与AAF的比较

　　MXF和GXF文件更适合于流式处理，不用等到文件传输结束，即可开始回放这个文件。AAF的结构比MXF和GXF复杂得多，它采用层次式文件结构，其文件中还有文件系统，这种层次结构决定了它在传输结束前无法被使用，无法实现流操作，但是有利于减少编辑修改过程中重写的文件内容。

　　AAF与MXF和GXF面向不同的应用。AAF不能直接用于文件交换，它支持高性能的编辑应用，包括非线性编辑和多层画面合成、特技效果和丰富的元数据，可接受外部基准。Pro-MPEG Forum和AAF协会同意把MXF作为AAF的子集进行开发，MXF作为AAF的简单功能版本，只支持简单的编辑功能，不能接受外部基准，主要用于不同系统之间的文件交换和简单编辑。MXF中有场景描述元数据，AAF尚未纳入。AAF建议采用Microsoft的存储结构，MXF采用KLV二进制符号。AAF已经开发了自己的软件开发包(SDK)，简单修改AAF的SDK就可以得到MXF的SDK。

　　MXF格式的文件不仅能用IP网络传输，而且能使用SDTI作为传输接口，这可以充分利用电视台现有的布线，有利于从信号流传输方式向文件传输方式平滑过渡。
　　本文作者张琦女士，北京广播学院电视工程系教授；杨宇女士，研究生。信息来源：《世界广播电视》

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