高标清上下变换、幅型变换技术分析与相关考虑

中央电视台 许钢鸣

在广电总局确定了高标清同播作为推进高清技术发展的重要举措之后，广播电视由标清向高清过渡的路线图变得清晰可见，各级电视台将迅速构建高清制播系统，新建的高清制播系统将与原有的标清制播系统共同形成高标清混合制播体系。

一 过渡期混合制播体系简要说明

新建制作体系倾向于采用全高清、全文件体制，实现网络化制作。

原有制作体系存在的大量标清制作资源，包括磁带制作及非线制作系统，将继续使用直至自然淘汰，以最大限度保护投资。

新建播出系统倾向于支持高标清同播、网络化备播，采用高清播出服务器，以兼容高清、标清文件播出，内部具有信号上下变换功能，可输出高清或标清SDI信号。

原有标清播出系统将继续用于标清频道播出，其播出服务器仅支持标清文件播出，可考虑进行升级到高清播出服务器以支持高清、标清文件播出。

新建或改造节目准备系统以支持线性磁带节目完成文件化，以及视需要增加转码功能，将高清文件下变给原有标清播出系统进行播出。

高清节目需要引用少量标清素材；标清节目也不可避免要引用一些高清素材；高清节目可能在标清频道播出，反之，少量标清节目也可能在高清频道播出，因此，应对上下变换技术提出要求，并对幅型变换方式进行约束；对于信号直播，同理，也存在类似的问题。

二 过渡期混合制播体系中高标清上下变换、画面幅型变换相关的技术要点

1. 过渡期的播出、制作形态

由于标清频道在今后较长的一段时期内继续存在，同时，应大力发展高清频道以推动技术、产业升级，因此，过渡期间的频道播出将存在三种播出形态，即：标清播出、高标清同播、高清播出。

节目制作应适配高清频道的发展，逐步提高高清节目的比重，并要兼顾标清频道的播出，目前应主要照顾占大多数的屏幕为4:3的标清接收机的屏幕效果，随着16:9高清接收机的普及，可过渡到优先照顾16:9接收机的屏幕效果。因此，我们从战略上制定了前过渡期和后过渡期两个发展阶段，前过渡期高清节目制作主要按4:3保护框方式构图，下变换采用两侧切边（Edge Crop）的方式，后过渡期高清节目制作主要按16:9方式构图，下变换采用信箱（Letter Box）的方式。

高标清混合制播的图像技术质量保证及安全播出保证主要依靠两方面手段来实现，一方面是技术手段，另一方面是管理手段。技术上要确保上下变换器的质量符合业务要求，幅型变换可进行自动处理，在信号和文件之间有继承的手段，在播出环节支持自动控制；管理上应对素材引用、幅型变换有一定规范。

2. 上下变换关键技术比较及相关考虑

高标清上下变换技术目前已比较成熟，其视频信号的处理流程，大家也已熟悉，各设备厂家的做法也大体一致，在技术实现上基本都是对于连续视音频信号的时空采样结构进行变换，基本流程如图1所示。

其中去隔行、重采样是最重要的。目前主流厂家的变换器质量差别主要体现在运动图像的处理技术上，对于质量要求较高的变换器，去隔行一般会使用运动自适应算法（motion

adaptived），更高档次的会使用运动补偿算法（motion compensated），MA结合了空间和时间，在运动图像区域进行空间插值；MC精度依赖于运动预测算法和运动选择区域的大小，像素块越小、沿时间方向预测精度越高，图像的质量也高，产品成本越高。设备选型应根据实际业务要求而定，可考虑中高档相结合以兼顾需要及投入。

对于上下变换器的测试，可考虑以下几种手段：

* 使用运动图像序列，评价其是否出现锯齿和拖尾，以检查去隔行效果；其中可考虑使用存在不同运动方向、运动速度的物体相叠加的图像序列，可检查其处理的精度等。

* 使用多波群信号，评价其清晰度和锐度，以检查重采样中的滤波抗混叠和细节增强技术。

* 使用彩条测试信号，以检查彩色空间转换处理效果。

3. 幅型变换模式

对应过渡期标清播出、高标清同播、高清播出三种播出形态，在多种幅型变换模式中，通常会根据节目的需要选用其中几种，这样有利于技术系统的实现，简化运行模式。以下四种是目前常用的幅型变换模式。

* 高清制作，4:3构图，两侧切边（Edge Crop）下变换标清播出，如图2。

* 高清制作，16:9构图，上下加边（Letter Box）下变换标清播出，如图3。

* 标清制作，左右两侧加边（Pillar Box）上变换高清播出，如图4。

* 标清16:9遮幅制作，上下切边（Full Width）上变换高清播出，如图5。 4. 幅型变换需注意的问题

在幅型变换过程中，会导致三方面的问题，在实际运行中应设法避免。

首先是幅型变换对构图的影响。无论是高清下变换还是标清上变换，都存在对于图像的裁剪或加边的处理和图像的缩放，这都会造成原始画面信息的缺失或无用画面的填充，形成对原始画面在固定幅面屏幕上展现效果的影响，进而影响收视体验。因此，在节目策划过程中，需要对最终的展现进行考虑，通过匹配制作和播出的幅型变换模式，最大限度消除幅型变换对构图的影响。

其次是幅型变换对画面质量的影响。上下变换不是一个可逆过程，对质量影响最严重的情况是高清节目中引用了标清上变换的素材，成品高清节目又下变换标清播出，经过一个来回的变换，如果对应主观评价标准，图像质量从专家察觉下降到普通观众可以察觉。另外，由于制作和播出多个生产过程中对于幅型变换采用了软硬件不同的方法，会造成对于矢量图形和非矢量图形的差异。因此，为避免变换对图像质量的影响，应尽量减少变换次数，多采用原始文件进行处理，避免多次转换。

第三是幅型变换的自动匹配。素材的幅型与成品节目的幅型，节目源的幅型和播出后的幅型，都存在多种组合的变换可能，如果不能够自动匹配，将加大运行复杂程度，尤其在演播室和频道，可能由于幅型变换不当造成播出事故。因此，统一采用AFD标识能够降低运行成本，提高幅型变换的自动化处理程度。在技术实现上要做到连续播出节目幅型变换的帧精度切换。

5. 幅型变换的技术标准及建议

SMPTE提供了幅型变换的标准，采用AFD（Active Format Description）对文件和信号的画面幅型比进行统一标示。SMPTE已经正式发布的SMPTE 377M-2004标准和SMPTE 2016-1标准中，包括了对于文件中嵌入AFD的描述。对于信号中AFD信息嵌入方式，在SMPTE 2016-3标准中也已经给出。根据SMPTE标准相关的路线图，未来与文件有关的AFD、Bar Data和Pan & Scan的KLV定义将在SMPTE 2016-5中给出完整定义。

目前包括Harris、Evertz、Miranda、Snell & Wilcox、Omneon、Thomson、Seachange在内的多个厂商已经开始提供支持AFD的周边或视频服务器产品，对AFD的编码规范使用的理解也基本趋于一致。鉴于现行系统中还会存在一些没有支持AFD的产品，因此，应当基于SMPTE的现有标准，制定各企业的适用标准，一方面可以为不具备AFD信息的节目或系统定义企业的默认AFD信息，另一方面也利于今后全台统一向更加完善的AFD标准升级。

6. AFD嵌入及处理的流程

AFD作为由上游系统嵌入用于指导下游系统进行幅型变换的依据，既可以应用于基带信号，也可以应用于文件，因此，处理流程上要根据应用系统和形式进行规划。

（1）基带信号

对于基带信号进行处理的系统包括总控系统、演播室系统、频道播出系统。总的原则是各系统如果作为台外信号的第一个处理环节，应当在传输的同时完成信号的AFD嵌入，对于台内产生的信号进行AFD合法性检查，并具有修正的能力，如有必要可以进行信号的上下及幅型变换；信号通路的设备一般应支持AFD信息的透明传输，而上下变换或AFD嵌入器应具有AFD的写入功能。

（2）文件

与媒体文件相关的系统包括收录系统、制作系统、演播室和频道播出系统、媒资系统。所处理文件的来源包括节目交换、自采、演播室录制和媒资存储的历史资料。总的原则是在节目的首次文件化时完成AFD的嵌入，同时保证输出的成品节目具有合法的AFD信息。各系统具有嵌入、合法性检查和修正的功能。

（3）介质

对于传统磁带介质，如果是成品节目直接的信号输出，遵循信号处理原则，在基带信号中嵌入AFD信息，AFD信息来自于与节目相关的元数据，如节目技审单；如果经过文件化处理，在文件化时完成嵌入。

对于存储文件的新介质，如果录制时已嵌入AFD信息并在信号输出时可嵌入到基带信号中，则无需处理；对于没有AFD信息的新介质按照信号的处理原则完成AFD信息嵌入。

7. AFD的检测

AFD信息的检测手段很多，由于存在二进制、十进制和十六进制的转化，因此建议采用统一的检测工具。

（1）文件的AFD检测

IRT的Analyser分析工具可以检测MXF文件中的AFD信息，在Analyser的分析结果中给出了Video Descriptor值，嵌入AFD的文件可以定位到Active Format Descriptor标识，对应的可以读取AFD值，需要注意的是，该值是十进制。

现以HD文件嵌入1010 AFD信息为例，如图6所示，对应的AFD值为84，转换成二进制后为01010100。转换处理可考虑由应用软件自动实现。 （2）信号的AFD检测

基带信号嵌入AFD信息的检测手段，可以采用Tek的WFM 7100系列作为检测仪器。在7100中读取Anc辅助数据，第一步是要明确嵌入的AFD信息具体在多少行，第二步再读取AFD编码数值，注意在7100上的读数是十六进制。

以HD-SDI信号中嵌入1010 AFD信息为例，如图7所示。

幅型变换直接影响高标清混合制播体系中的节目运行规划和技术系统设计，涉及前期拍摄、总控、后期制作、演播室、频道播出和媒资等多个技术系统，需要制定针对制播各环节的具体运行规程，运用技术管理手段，使幅型变换得到正确处理，以便信号和文件在节目生产过程的各个工艺系统间流转时AFD信息能够正确继承和使用。

三 关于高标清幅型变换方式的考虑

根据电视制播业务流程，幅型变换应考虑包括采、编、播、存等各个制播环节处理幅型变换所需要的技术条件、处理流程、实现方法。对于幅型变换方式的选择，以依据AFD信息进行自动处理为主，辅以人工调整的手段。考虑观众的收视感受，应尽可能避免最终播出画面四周出现黑边，如定义播出画面四周黑边为故障画面，则幅型变换可遵循以下原则以避免故障发生。

* 不变形：幅型变换各种变换方式的前提是不能造成图像的失真变形，变形可由用户终端实施。

* 不重复：尽可能减少变换次数，最多允许一个来回，素材引用尽可能使用原始的。

* 有规划：节目策划或前期采集应先规划好上变或下变的方式。

* 一致性：一个栏目或一个节目的AFD信息应连贯一致，一个广告段视同一个节目，节目播出以单一节目为单位进行自动变换控制。

* 有标识：节目及素材应按规定嵌入AFD信息，以支持自动处理。

* 满画面：充分利用整个画面，上变换图像两侧的黑边可考虑填充为资讯信息或活动的视频屏保信号，可赋予频道包装属性，同理处理高清letter box下变换。

具体来说，在采、编、播各环节中对于高标清幅型变换应考虑符合以下要求。

1. 采集

（1）节目策划

应根据前后过渡期的总体要求，结合节目中拟引用的素材情况，预先确定高清节目下变换的方式或标清节目上变换的方式，以指导前期采集构图。

（2）前期拍摄

按照节目策划确定的变换方式进行拍摄，主要为以下两种情况：

* 高清按4:3保护制作，其下变方式为Edge Crop，如图8。