无限轮回的终结:高标清兼容系统设计与探析

随着高清晰度电视技术不断趋于成熟，在我国，数字高清晰度电视系统已被列为国家重大科研产业工程项目，是国家确立的“十五”期间重点组织实施的高技术建设工程之一。为此，全国很多电视台正在考虑或已经开始筹建高清演播室和高清电视转播车。目前，天津电视台正在进行高清演播室的建设。根据我国的国情，一步跨越到高清比较困难，还会有一个漫长的过渡时期，高清电视将会与标清电视长期共存。因此在现阶段建设高清演播室和高清电视转播车系统，既要满足高清晰度节目制作、储备高清晰度电视节目、适应未来的发展，又要能满足目前频道播出标清节目的要求。因此，我们的高清演播室应该是高、标清兼容系统。那么，要成功建立一个高、标清兼容演播室，首先就应先了解怎么样才能兼容，兼容的途经及他们各自的特点，并根据实际工作需要，选择适合的高、标清兼容方式。
    目前各厂家生产的高清摄像机的内部一般都配置有下变换器，在输出高清信号的同时，也可以输出高质量的标清信号。由于高清摄像机的CCD的像素数量大大高于标清摄像机，所以高清摄像机输出的标清信号质量也高于现有的标清摄像机。因此,它即是一台高清摄像机也是一台标清摄像机，具有兼容性。目前市场上的多种格式高清录像机与高清摄像机一样，在录像机内也可以配置下变换器，因此在重放高清磁带时，不但可以输出高清信号，还可以得到高质量的标清信号。录像机等信号源都具有高清和标清信号输出。因此无论采用高清或标清系统它都可以使用。
    在系统设计时我们往往是以切换台为中心展开，因此，切换台的选择与高、标清兼容性能有直接的关系，而从功能上看，高清切换台与标清切换台基本上完全相同。但高清和标清的行频、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。根据目前市场上切换台的类型，我们可以简单的将实现兼容高清系统分为三类。

    一. 独立切换系统
    在图1系统中的切换台是高、标清兼容的设备。在需要制作高清节目时，切换台设置为高清状态，需要标清制作时，通过设置重新启动后切换台可以转为标清状态。其优点是高、标清信号能同时接入系统，设备能自动识别高、标清信号，并且操作简单。只需按动一个键，关机后系统重新启动定时，即可进入另一状态工作。但其缺点是不能同时录制高、标清信号。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。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。笔者认为，如果摄像机输出高、标清信号由一个端口输出，通过CPU切换选择所需要的高清信号或标清信号，这不但会减小系统的复杂性，同时也可能会减少资金的投入。另外，在该系统中也可以加入高、标清兼容的矩阵（如图2）。来解决兼容问题，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。但矩阵切出信号只能是硬切，而不能像切换台那样做MIX、WIP等。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。

二. 双主机切换系统
    在图3系统中采用了由一个控制面板同时控制两个主机的方式，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。

 三. 纯高清加下变换系统
    该系统从信号源输出，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。该系统的另一个优点是系统相对简单，与标清演播室系统相比基本相似。由于在输出端加入了下变换器，因此在系统中就必须考虑由下变换所引起的信号延迟及变换模式等问题。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。我台在决定将800平方米标清演播室改造为高、标清兼容的演播室后，经对技术发展的认真分析、研讨，并考虑到今后电视事业发展的需要，结合我台现有的实际情况，决定采用第三种兼容方式，既纯高清加下变换方式。

下面就我们在设计系统时，目前采用这种方式所存在的问题及解决这些问题的途径做以下说明，供大家参考。
    1.监视系统问题
    在一个高、标清兼容的演播室或转播车中存在两种图像信号：一种为16:9幅型比的高清信号，另一种为4:3幅型的标清信号。在视频系统中选择监控哪一种信号，或两种信号都监控，这在系统设计中是必须考虑的一个问题。一般来说，在系统中图像监控是分为两部分的，一部分是信号源监视，另一部分是节目监控。节目监控是指切换台输出PGM和PST以及系统输出的技术监视。由于导演、导播及技术监控人员都是以这几台监视器作为节目质量评判标准，因此这几台监视器需要选择广播级的高清监视器。另一部分属于信号源监视，如摄像机、录像机及字幕机等主要关注其图像内容的监视。为降低系统成本，没有必要使用价格昂贵的高清监视器，可采用普通标清监视器监视各信号源的标清信号。但由于标清信号和高清信号的幅型不同，为了在制作不同版本节目时能与信号源相匹配，监视器应选择16:9和4:3可切换的监视器，考虑到调整的方便，再加上一个监视器控制单元，就可以将需要变换的监视器统一切换到16:9或4:3了，这样使得监视器的调整变得十分方便。但在实际设计当中，考虑到要满足目前4:3的标清播出，同时又要储备高清电视节目，一个高标清兼容的演播室往往要求一次录制出高清和标清二版信号而不容许对高、标清信号分别录制。这就提出了在高、标清信号同时录制时，应如何监控16:9高清画面和4:3标清画面的构图。这如同高清摄像机使用16:9寻像器一样，在高清和标清同播时，在16:9寻像器上显示4:3区域标线，可以使摄像师同时看到两种不同宽高比画面的构图。根据这种监控原则，我们在高清演播室监视系统中采用16:9和4:3可切换监视器，在同步录制高清和标清节目时，监视器调整到16:9，同时利用监视器控制单元在监视器上调出4:3安全线，使导演、导播和相关技术人员同时看到两种不同宽高比画面的构图。如果只需要录制标清节目，只需要将监视器统一调整到4:3模式上就可以了。
    2.上/下变换后造成声画不同步问题
    由于大量标清节目源的存在，在节目录制中，随时有可能导演要求加入标清节目片段。另外，考虑目前标清节目播出的现实，因此在我们的系统中加入上/下变换器是避免不了的。图5就是我们系统的简易框图。一个广播级的上/下变换器具有三帧的延迟量，因此，系统中最大延迟量为六帧。为了解决上变换带来的延迟，要求演播室的音频系统中的调音台每路输入都具有独立可调音频延迟功能，用于补偿标清源视频信号经上变换后带来的延迟。对于下变换带来的视频延迟，依靠下变换自身对音频的同步延迟，使标清信号输出达到声画同步。

因此，在演播室中同时存在着一个与高清同步的音频信号，另一个是经延迟后与标清信号同步的音频信号。而对演播室监听来说，导演只能监听一个信号，否则会造成声音监听的混乱。是监听不加延迟与高清信号同步的声音还是监听经延迟后的声音，按过去系统设计的习惯，往往是监听声音的最终输出。按这习惯监听的应是延迟后的声音，但由于所有的源监视器包括主监和预监的视频信号都没有经过延迟，这肯定会使导演从源监视器或主监和预监上看到的图像与现场拾取的声音是不同步的，这会给现场工作人员一种非常不舒服的感觉，甚至可能会影响导演对节目的处理。为此，我们在演播室监听不加延迟的，与高清信号同步的声音，使现场监视器上图像与现场拾取的声音完全一致，便于编导与技术人员监看。与此同时，在系统输出中加入了一个音频解嵌入设备，监视延迟和嵌入后的声音质量。
    3.下变换后带来的其它影响
    由于高清数字电视幅型比为16:9，通过下变换形成的是幅型比为4:3的标清数字信号，而不管采用的下变换是切割方式还是信箱方式，其在电视屏幕上的坐标位置值都是不一样的。这在一般图像切换、叠画、扫划等处理方式上与画面所在的坐标无关，因此不存在什么问题。但在DVE制作时，它牵涉到画面的位移，因此与位置密切相关。图6是一个简单的DVE处理图，一红球在16:9的屏幕的左下角向屏幕中心移动，通过切割方式下变换后，在4:3屏幕上可看到DVE起始位置发生了变化，这是一个最简单的DVE处理。对一些比较复杂的DVE处理如翻页等，就不单纯是起始位置发生改变，包括其形状都可能发生变化。因此，利用下变换方式形成的高、标清兼容系统，在同时录制高、标清节目时应尽量避免直接使用DVE。如必须要用，也应有选择的使用特技方式，尽量减少由于下变换对DVE产生的影响。至于选用什么样的特技方式，需要在今后的实际制作中去摸索积累经验。

另外，由于技术的不断发展，各厂商不断推出新的兼容设备，来解决兼容系统中目前存在的问题，如，在一个具有内嵌DVE的二级M/E切换台，其中一级M/E输出16:9高清信号，另一级M/E输出4:3高清信号，然后再对4:3高清信号进行下变换，由于在下变换时不需要再进行宽高比的转换，只需对内插样值进行处理，解决了下变换后对DVE产生的影响。另外，这种切换台M/E1与M/E2可以互相关联同步切换，由此可同时获得高、标清信号。