魏夫人结局:构建高标清数字电视制作兼容系统探讨

一. 高清电视信号技术的特点与标准
    我们都知道数字电视的图像清晰度可以用每一扫描行的有效像素数及每帧图像的有效扫描行数来表示。这两个数越大，表示清晰度越高。CCIR-601所规定的图像清晰度即是标准清晰度（标清）电视（SDTV）的参数，每一扫描行有720个有效像素，而每一帧的有效扫描行数对于525/60及625/50两种制式分别为480行及576行。广电总局于2000年8月发布了GY/T 155-2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数标准，将1080/50i确定为中国的高清晰度电视信号源标准。HDTV有清晰度等级不同的图像三种显示格式，分别是：720P（1280×720P），1080/60i/50i（1920×1080i），1080/24p/25p/30p（1920×1080p）（p：逐行扫描；i：隔行扫描）。1920×1080/i是清晰度指标指每一扫描行有1920个有效像素，而每一帧的有效扫描行数为1080行。采用1080/50i作为高清信号源标准的一个突出优点是1080/50i与我国现行的标清信号源576/50i（PAL）可以非常容易地实现上/下变换，为顺利从标清向高清过渡提供了良好的条件。

    在音频方面，目前模拟制电视只有一路伴音，而高清晰度电视则采用杜比公司的AC-3解码技术，可接收和输出5.1声道信号，并具有极好的音质和真正的环绕音效，接驳上家庭影院音响后，可实现左、中、右、左后、右后和超重低音6声道环绕音效。

    比起SDTV，HDTV的码率显著提高，我们可以计算一下，根据SMPTE 274M数字电视标准中，采用10比特量化时，HD数字电视信号的基带码率是1485Mb/s（亮度信号的取样频率×量化比特数+2个色差信号的取样频率×量化比特数=74.25（MHz）×10（Bit）+2×37.125（MHz）×10（Bit）），其中有效码率为829.44Mb/s。而根据ITU-R601数字电视标准，采用10比特量化时，SD数字电视信号的基带码率是270Mb/s，其有效码率为165.888Mb/s。因此，HDTV的绝对码率是旧的PAL制SDTV的5.5倍，有效码率是SDTV的5倍。所以HDTV的信息量是SDTV的5倍。

二. 高清电视信号技术的接口和传输
    高码率成为高清节目的最大特点，是制作与传输环节所要解决的首要问题。目前几乎所有高清设备的信号接口均采用高清度串行数字分量接口HD-SDI。HD-SDI的码率高达1.5Gb/s，是SDI（串行数字分量）码率（270Mb/s）的5.5倍，使用75欧姆同轴电缆和BNC接头，传输模拟信号的75欧姆同轴电缆可用于短距离传输HD-SDI。它对串行信号所造成的损耗可以被下一级输入设备的均衡电路恢复，其最长传输距离为100米，相同的电缆传输SDI信号的最长距离为300米。建议在高清数字系统中使用专门为传输HD信号设计的同轴电缆，这种电缆使用了特殊的介质，对高码率串行数字信号的衰减比较小。因此传输距离比标准的模拟电缆长，完全可以满足高清系统的需要。超过同轴电缆传输距离时应该使用光纤。另一种使用在信号传输通路中的无源设备是接线板，适合于模拟环境中的普通接线板不适宜于转接高清串行数字信号，应该使用专门为高清串行数字信号设计的，传输码率高于1.5Gb/s的接线板。

    在从标清向高清的过渡过程中，很长一段时间，SD和HD混合制作、并行发展。无论是SD素材还是HD素材，通过丰富的转换接口，经过上下变换，使得一套工作流程同时输出SD和HD节目。例如，高清摄像机、高清摄像机的内部一般都配置了下变换器，在输出高清信号的同时也可以输出高质量的标清电视信号。

三. 高标清兼容系统设计思想
   
    1.信号源系统
    主要信号源系统主要包括高清摄像机和高清录像机等，在从标清向高清的过渡过程中，很长一段时间，SD和HD混合制作、并行发展。通过丰富的转换接口，经过上下变换，使得高清设备输出SD和HD信号。高清摄像机、高清录像机的内部一般都配置了下变换器，在输出高清信号的同时也可以输出高质量的标清电视信号。由于高清摄像机的CCD总像素达到几百万，当其工作在1920×1080i时的像素远大于标清摄像机，所以从高清摄像机输出的标清信号质量也高于标清摄像机的质量。高清摄像机的镜头和标清摄像机的镜头使用一样接口（B4），但是高清摄像机镜头的调制度，色差，像差等指标要求比标清摄像机摄像机的要高，所以高清摄像机应该配置高清专用镜头。目前已经有多格式兼容的高清录像机，记录码流为235Mb/s的D5HD，记录码流为140Mb/s的HDCAM，还有100Mb/s的DVCPROHD，和高清摄像机一样，高清录像机也配置了下变换器，在重放磁带时也可以输出高质量的标清信号。

    2.切换台系统
    由于目前电视领域仍是以SDTV节目为主，高清演播系统的建立应该具备完善的标清系统的功能，如果仅以满足HD节目制作、储备HD节目为目的，这样的制作系统一定会限制演播室的使用，在目前环境不太实用。考虑到这些因素，设计一个HD、SD节目制作相兼容的系统，这样既能适应未来的发展，储备一些HDTV节目；又能满足目前频道播出节目制作的需求，最大程度提高演播室的利用率。能高标清全兼容，即能同时播出高、标清两套节目，能同时录制高、标清节目，互不干扰。使得在目前的标清环境中该设备能够充分发挥效率。

    目前，高、标清兼容实际上有着不同的含义，存在不同的需求模式。第一种是“纯高清系统”模式，系统能够兼容标清与高清，但在同一时刻，系统只能工作于一种状态；第二种是“高标同播”模式，采用双系统加统一控制，但在摄像构图、特技划像、字幕处理等方面需要特别的方法；第三种是“高标清混合同步切换”模式，信号的输入及输出是高/标清混合的。以上三种方式各有优缺点，高清和标清的行频、幅型比、带宽、定时等完全不一样。因此很难在一个独立切换系统中，不通过某种变换而同时得到高、标清信号。

    3.纯高清系统
    如图1，该系统类似标清演播室系统。从信号源输出，经切换台处理，只有一个高清信号通道，在通道最终输出端进行下变换，经下变换后的信号既可用于直播，也可用于节目录制。因此，该系统既可录制高清信号也可录制标清信号。该系统的优点是系统相对简单，由于在输出端加入了下变换器，因此在系统中就必须考虑问题就是，从高清16:9到标清4:3的变换模式问题，及下变换所引起的信号延迟。还有如果有标清信号源输入就需要增加上变换器。这些在单一的、非兼容系统中不会遇到的问题，在这个系统中都会产生。

    4.高标清混合同步切换
    如图2，所有高清、标清信号源无需上下变换即可直接进入切换台，各信号源在每级M/E上可分别定义其宽高比、位置及大小，确保信号最佳的图像质量。切换的方式可根据不同的高清、标清幅型比进行设定和调整，总延时在一帧以内，使高清、标清信号源的调用混合极其方便和随心所欲。实际测试也证明，高清信号源经切换台下变换后输出的标清图像质量，优于高清摄录像机自身下变换输出的图像质量。其缺点是如需要同时录制高、标清信号时，在系统中仍需要进行下变换也引起的信号延迟。另外，由于高、标清信号同时接入系统，造成系统输入端和布线量都将成倍增加，增加了系统的复杂性，无疑增加了资金的投入。另外，在系统中也可以加入高标清兼容的矩阵，如图2，以解决兼容问题。目前，有的厂家已开发出具有同步切换能力切换台和矩阵。所谓同步切换，既当切换台选择某路切出，对应的矩阵这一路也跟随切出。在系统中是将所有高、标清信号首先接入矩阵，然后按节目制作的要求，如需要制作高清节目，则先由矩阵选择高清信号源输出至切换台输入，切换台选择高清状态工作。在要求制作标清节目时，则在矩阵中选择标清输出，切换台选择标清状态工作。因此切换台在标清状态下工作时，矩阵可以跟随切出高清信号。在目前的标清播出环境下，用切换台制作标清节目可满足目前节目的播出，利用矩阵获得高清节目可用于高清节目的储备，同时矩阵还可以作为直播时的应急系统。

    5.高标清同播系统
    在图3系统中采用了由一个控制面板同时控制二个主机的方式，一个为高清信号通道主机，另一个为标清信号通道主机。该系统的优点是高、标清信号可同步切换，同时获得高、标清信号，不需要进行下变换，因此也就不用考虑下变换的模式和由于下变换所产生的信号延时等问题。其缺点是，由于采用双主机切换台使成本上升。除信号源之外，相当于高、标清二套分离系统。因此，成本无疑会更高，系统相应也会比较复杂。

四. 高标清系统中应该注意的问题

    1.显示画面宽高比转换对画面的影响
    4:3信号上变换到16:9一般有三种方式：（1）垂直充满，左右两边出现黑边；（2）水平充满，垂直方向上，图像上下被裁减；（3）完全填充，在16:9的屏幕上完全看到4:3的图像，水平方向被拉长。

    16:9信号下变换到4:3，有三种常规的方式：（1）切边模式（垂直方向充满，左右两边一部分信息被去掉）；（2）信箱模式（水平方向充满，上下部分会出现黑边）；（3）压缩模式（垂直方向充满，水平方向压缩后充满，使物体变高）。
可以看出这些变换方式会引起图像的变形或画幅的缩小。这就对节目制作中特技的处理和字幕位置提出了课题。例如：高清节目下变换到标清频道播出时，若使用切边模式下变换，要考虑字幕与哑语的位置。标清节目上变换到高清频道播出时，若采用完全填充方式，会带来水平画面拉伸。在高标清同播时候高清摄像机寻像器的设置问题。

    2.高清标清同步信号的差异
    在高清/标清兼容的演播室系统中，使用的同步基准信号有两种，一种是高清专用的模拟三电平同步信号，另一种是与现有标清系统完全相同的BB（Black Burst，即黑色同步）信号。早期的高清产品大多只能接受三电平同步信号，所以就产生一个系统内需要两种同步信号的问题。随着技术的发展，目前大部分高清设备如摄像机、录像机等都能接受三电平和BB这两种同步信号。在高清演播室系统中，各种上下变换会产生各种延时，应对延时进行调整，以保证声画同步。目前新的高清或标清数字同步机能够在外锁相的情况下，可以将输出基准信号调整到帧内任何位置，就是说实至上的调整范围是无限制的，这为构建高清系统提供很大的方便。

    3.高清标清数字信号的监控
    除导演、导播以及技术监控人员必须使用广播级的高清监视器以对节目质量进行评判外。对于系统内的信号源如摄像机、录像机以及字幕机等主要关注其图像内容的信号源监视，则可采用将象入的高清数字信号下变换成模拟标清信号后用普通的模拟标清监视器监视高清信号。此时下变换器应设置为信箱模式（Letter box model），以便在4:3的屏幕内能显示16:9画面的全部内容。另外对于外来的高清信号监视，除上述办法外，还可以采用HD-SDI/VGA转换器将数字高清信号转换成计算机显示格式信号后用普通的计算机显示器监视，以降低高清系统用于监视的成本。

    4.矩阵切换输出的图像抖动问题
    在串行数字分量系统中，用矩阵切换HD-SDI信号时，由于切换时的信号瞬时中断会造成CRCC（循环沉余校验码）误差，从而影响输出信号的定时。这种误差会造成输出信号的紊乱和噪波。即使进入矩阵的信号在时间上完全一致的且切换点位于场逆程期间，仍然不能消除这种现象，这与模拟系统的情况完全不同。为避免直播时信号出现上述问题，如果需要将矩阵或者应急切换的输出用于直播时应在其后面串联一个行或者帧同步器用于消除CRCC误差，为消除这种由切换引起的图像抖动，有些公司专门生产了带有同步器的切换开关，可直接将其输出信号用于应急播出。