由帧频转换技术看不同高清电视系统的差别

2011-06-07韩振雷侯庆来

电视技术 2011年18期

韩振雷，侯庆来

（山东理工大学计算机学院，山东淄博 255049）

1 高清电视系统规格简介

根据分辨力不同，高清电视系统可分为两种：1080系统和720系统。1080系统有1 920×1 080和1 440×1 080两种规格，另外有1 080i和1 080p两种扫描方式。720系统只有1 280×720一种规格且只有720p一种逐行扫描方式。除此之外，两种高清系统分别采用了不同的下拉变换技术，其输出信号的格式不同——720系统输出信号的帧结构是标准的逐行帧，而1080系统在逐行模式下输出的是具有隔行特征的“分段帧”。表1给出了两种高清电视系统的部分技术规格[1-2]，其中29.97，59.94，60均指NTSC电视系统，25和50为PAL电视系统，23.98 f/s（帧/秒）是拍摄数字电影的帧速率标准。“i”表示隔行，“p”表示逐行，PsF意为来自逐行帧的分段帧。

表1 两种高清电视系统的部分视频规格

下面以下拉变换技术为主线，剖析两种高清电视系统的主要区别。

2 1080高清系统的2∶2下拉变换

表中的2∶2是2∶2 Pull down的简写，意为2∶2下拉变换，其作用是实现单位时间内画面数量的倍增。逐行扫描有很多优点，但也存在相同条件下数据码流是隔行扫描2倍的缺点。对于1 920×1 080的高清格式，如果采用50 f/s（PAL制）或59.94 f/s（NTSC制）的高帧率模式，由于数据码率太高，目前还不被现有技术和设备所支持。但是如果摄像机以25 f/s（PAL制）或29.97 f/s（NTSC制）记录并输出逐行信号，由于刷新频率太低，在视频回放时画面不流畅，顿挫感严重。通过2∶2下拉变换，在保持逐行信号优点的同时，可使画面的刷新频率提高一倍，保证了回放时的画面流畅，在存储、编辑、传输和显示等方面，极大地降低了对技术和设备的要求。

1080系统采用帧拆分方式进行2∶2下拉变换，基本原理是将一帧画面的所有奇数行和偶数行进行拆分，使一个逐行帧变为两个分段帧——一个类似隔行扫描奇数场的奇数行分段帧和一个类似偶数场的偶数行分段帧，这样就可以将25p或29.97p的逐行信号转换为50i或59.94i的“隔行”信号，图像的数据量、解析度及同等存储容量下的记录时间均保持不变，但刷新频率得以倍增，逐行信号的优点得以继承，并且在后期编辑可以很容易地通过合并两个相邻的分段帧恢复原始的逐行帧，变换原理如图1所示。

这里的50i和59.94i是在25p和29.97p的基础上，将一个逐行帧拆分成两个具有隔行特征的分段帧而得来的，这样的信号并不是真正的隔行信号，因为拆分后的两场内容是来自同一帧画面，两者的信息几乎完全相同，原来相邻的两个图像行虽然被拆分到两个帧结构中，但回放时两者在空间位置上仍然是相邻的图像行，相邻行之间的时间差是系统扫描的行周期，时间为微秒级，非常短暂，可以忽略不计。如果是真正的隔行信号，回放时在空间位置上相邻的图像行之间的时间差是系统扫描的场周期，时间是毫秒级，当水平方向上画面快速运动时，在逐行显示的终端上就会出现明显的鼠齿（Mouse Teeth）现象。另外，通过帧拆分而产生的分段帧信号在播放时不会出现原生隔行信号常见的行间闪烁（Interline Twitter）现象，也不会出现由于并行原因而导致的垂直分辨力下降问题。因此，通过帧拆分下拉变换而产生的50i或59.94i分段帧信号，虽然具有隔行信号的形式特征，但却仍然保持着逐行信号的属性和优点。

如果输出、记录的均是拆分变换后的50i或59.94i的分段帧信号，这样的记录格式即29.97p over 59.94i或25p over 50i，输出格式则称为29.97 PsF over 59.94i或25 PsF over 50i；如果输出格式不变，而记录的是拆分前的25p或29.97p逐行帧信号，那么其记录格式是29.97p-29.97pN或25p-25pN，字母N指“Native”，即记录的是原生逐行帧。

事实上，通过帧拆分产生的两个分段帧，既不是传统意义上基于隔行扫描的奇数场或偶数场，也不再是一个标准的逐行帧。在松下和索尼的摄像机上，将这种由逐行帧拆分而产生的分段帧叫做Progressive segmented Frame[3]，意即将逐行帧拆分而成的片断帧，缩写为PsF，或干脆进一步缩写为sF。将逐行帧拆分为分段帧是一种隔行化（Interlacing）处理手段，通过下拉变换分别将画面刷新频率从29.97 Hz（NTSC制）和25 Hz（PAL制）倍增到59.94 Hz和50 Hz，根本目的是提高画面的刷新频率，克服回放时画面的顿挫现象。

3 1080高清系统的2∶3下拉变换

1080高清系统的2∶3下拉变换也是采用帧拆分方式，原理如图2所示（含上拉变换）。

图2中，A，B，C，D为4个原始的逐行帧。帧拆分的过程是：A逐行帧拆分为一个奇数行分段帧Ao和偶数行分段帧Ae；B逐行帧拆分为一个奇数行分段帧Bo和偶数行分段帧Be，然后再复制一个奇数行分段帧Bo；C帧也是拆为Ce和Co两个分段帧；D帧和B帧拆分情况类似，只是分段帧的顺序稍有不同。这样，4个原始的逐行帧就拆分为10个具有隔行特征的分段帧，其中5个奇数行分段帧，5个偶数行分段帧，且奇、偶分段帧正好交错相连，在后期编辑时可以很方便地将相邻的两个分段帧合并，恢复为符合NTSC标准的逐行电视信号，这一过程叫做反2∶3下拉变换或2∶3上拉变换（Pull up）。由于变换过程是以4个原始帧为周期，以2∶3∶2∶3的规律循环变化，所以简称为2∶3下拉变换，变换的结果是将23.98p的电影格式变换为59.94i的NTSC制电视标准，与现有的NTSC制隔行电视系统完全兼容。从表1可以看出，不管是哪一种高清系统，2∶3下拉变换仅适用于电影标准到NTSC制电视标准的转换，另外这种变换与50 Hz的PAL制电视系统完全没有关系。1080高清系统的2∶3下拉变换输出格式均为23.98 PsF over 59.94i，但记录格式也有23.98p over 59.94i（记录PsF分段帧）和23.98p-23.98pN（记录原生逐行帧）两种情况。

4 720高清系统的2∶2下拉变换

720高清系统的2∶2下拉变换不是采用帧拆分方式，而是采用了更为简单的帧复制方式——通过直接复制每一帧原始逐行画面，从而产生数量倍增的逐行帧，达到刷新频率提高一倍的目的，其本质是一种帧倍频技术，变换原理如图3所示。

帧复制方式的2∶2下拉变换，变换前后都是标准的逐行帧，可以将25p或29.97p的逐行帧转换为50p或59.94p的逐行帧，与此同时，数据的码率也增大了1倍，同等存储容量的记录时间缩短1倍，对应的行扫描频率也提高1倍。

720系统的输出帧速为50 f/s（PAL制）或59.94 f/s（NTSC制），在记录方面则有两种情况，一种是只记录2∶2变换前的原始逐行帧，即25p-25pN或29.97p-29.97pN的原生记录格式，另一种是直接以50p或59.94p进行拍摄并记录，这种情况输出画面不需要进行倍频处理即可获得流畅的回放效果。严格说来，这才是真正的720p高清格式，缺点是同等条件下，数据码率增大一倍，对记录、编辑、传输等提出了更高的要求。

5 720高清系统的2∶3下拉变换

720高清系统的2∶3下拉变换也是采用简单的帧复制方式，基本原理与帧拆分方式的2:3下拉变换一样，也是以4个原始帧为循环周期，帧复制的规律是2∶3∶2∶3…，变换的结果是将23.98p的电影标准变换为59.94p的NTSC制逐行电视标准，变换前后的画面均为逐行帧，但变换后的数据量是变换前的2.5倍。720高清系统的2∶3下拉变换只记录23.98p的有效原生帧，另外这种下拉变换也和PAL制电视系统没有关系。限于篇幅，示意图从略。

6 结束语

综上所述，1080系统以帧拆分方式进行下拉变换，输出画面的帧率提高以后，数据码率与变换前及同等频率的原生隔行信号完全一样。720系统以帧复制方式进行下拉变换，变换后的帧率提高以后，数据码率等也相应地提高1倍（2∶2下拉变换）或1倍以上（2∶3下拉变换）。换句话说，PsF分段帧只出现在1080系统中，720系统不需要帧拆分技术。表2是索尼BVM-L231广播级主控监视器的部分技术规格及对应的国际标准，通过对其解读不难理解为什么两种高清系统会存在这一差别。

从表2可以看出，1 920×1 080/50p和1 920×1 080/60p两种高清系统，和帧速低1倍的其他1080系统标准相比，需要高1倍的水平扫描频率，另外其传输接口的采样频率、系统码率等也都需要提高1倍，这对存储、编辑、传输和显示等诸多环节都提出了极高要求。再就是，1 920×1 080/50p和1 920×1 080/60p两种高清标准，在10 bit量化，4∶2∶2采样时，必须通过双链路HD-SDI或3G-SDI高清数字接口才能正常传输（其他高清标准只有在4∶4∶4采样时，才需要双链路HD-SDI或3G-SDI接口传输，这种采样结构只出现在个别的专门面向数字电影发布的顶级摄像机中），而一般的编辑系统和显示终端是不支持这类接口的。因此，考虑到技术、成本等因素，目前各国的高清电视标准都不支持1080高清系统的50p/60p格式。通过帧拆分变换技术将逐行帧变换为分段帧，既可保持数据码率、采样频率、扫描频率不变，又提高了刷新频率，在记录、编辑、传输、显示等方面与现有的隔行系统完全兼容。因此，通过2∶2或2∶3下拉变换技术，将逐行帧拆分为具有隔行特征同时又保留逐行优势的分段帧，无疑是一种科学而现实的“权宜之计”。至于720系统，由于其分辨力及每帧画面的像素数相对要低得多，即使采用50p/60p的高帧率格式，其数据码率、采样及扫描频率等也和低1倍帧率的1080系统相差无几，完全被现有技术和设备所支持。因此，高帧率的720p高清系统除分辨力不占优势外，其他方面的表现略优于1080系统。这也是两种高清系统并存，分别为不同国家所采用的主要原因。