高标清同播系统中自动幅型变换的探索

鞠 峰，宋 磊

（济南广播电视台 电视播出部，山东 济南 250014）

高标清同播系统中自动幅型变换的探索

鞠 峰，宋 磊

（济南广播电视台 电视播出部，山东 济南 250014）

介绍了高标清同播系统中基于AFD自动幅型变换的关键技术。其优点是AFD信息在制播网的全域支持，即使几经变换也能携带者创作人员的意图。并结合济南电视台高标清同播系统建设的实际，阐述了幅型变换方式的选择思路，提出了系统设计过程中需要注意的问题。

高标清同播；自动幅型变换；AFD；SMPTE2016链路设计

建设高标清同播系统，实现高、标清节目的兼容同播是济南广播电视台进行高清系统建设的总体目标。高、标清同播是指同一频道内容，同时采取高清和标清方式播出[1]。这必将会引入复杂的幅型管理，也是标清播出向高清播出过渡时期必须面对的问题。

AFD技术的提出实现了幅型管理的自动化，虽然它很早就被提出，但是由于其贯穿节目制作、播出全流程，其嵌入、解析、继承等要求涉及到非编、视频服务器和上下变换器等多个环节，成为妨碍其应用的一大难点，也对技术管理提出了挑战。

1 幅型变换和AFD技术标准

高标清同播时期，标清节目源和高清节目源共同存在，它们有文件和信号两种形态。上下变换意味着幅型比、分辨率、信号或文件的编码格式等都发生了相应变化，其中幅型的变换对内容影响最大，所以有时在特定的语境中用“上变换”和“下变换”也指幅型的变换。幅型变换有多种上下变换的方式，根本上讲是因为对不同节目的取景方式不同，也就是制作人员对待转换图像关注的区域不同，因而产生了多种转换方式。高标清同播时代，4∶3幅型的标清节目，有按照16∶9取景拍摄的情况；16∶9幅型的高清节目，有兼顾4∶3取景拍摄的情况。常用的变换方式如图1所示。

1.1 标清上变换的类型

1）上下切边：16∶9取景的标清节目要上变换到高清播出，损失上下两边内容，构成16∶9的画幅。

2）左右加边：4∶3取景的标清节目要上变换到高清播出，左右加边（黑边或者包装边），构成16∶9的画幅。

3）图像拉伸：为了保全标清所有图像内容，将4∶3比例的源画幅横向变形拉伸为16∶9画幅。

图1 变换方式

需要指出的是，上变换虽然满足了幅型要求，而转换后得到的高清图像分辨率是靠插值达到的，因而不是真正高清的清晰度，依次插值和图像补偿能力也是上变换器选择上的一个重要指标。

1.2 高清下变换的类型

1）上下加边：16∶9取景的高清节目要下变换到标清播出，上下加遮幅，构成4∶3的画幅。

2）左右切边：4∶3取景的高清节目要上变换到标清播出，损失左右两边内容，构成4∶3的画幅。

3）图像挤压：为了保全标清所有图像内容，将16∶9比例的源画幅横向变形挤压为4∶3画幅。

需要指出的是，下变换从高分辨率降到低分辨率，图像质量直观上讲应该没有任何损失，而在实际中发现下变换后的图像清晰度不好，对运动图像有伪轮廓出现，还有斜向边缘锯齿现象。这些问题在后期调试时通过设置下变换器的图像增强、运动补偿等参数得以解决。

1.3 二次幅型变换可能的错误

二次变换会造成图像质量损失较大，在实际工作中要求尽量避免。但是高清节目在制作时往往要用到标清素材，因此就会较多地存在“上变换-＞下变换”的情况。由图2可见，二次变换容易造成四周黑边的画幅出现，称为“邮票”错误，这是在实际使用中要杜绝的。

图2 变换中的错误情况

1.4 特殊情况

1）标清节目遮幅中有对白

图3为标清节目遮幅中有对白的情况。

图3 遮幅中有对白的情况

某些标清电视剧节目采用16∶9取景，但是片源中对白叠加在下面的遮幅中，上变换时采用左右加边就会造成“邮票”问题，上下切边就会损失对白。对于上述问题，没有很好的解决办法，针对该情况要么允许“邮票”情况的存在，要么对节目重新制作（工作量很大），将对白做到有效图像中。这也提醒大家，在影视剧引进的时必须考虑同播的兼容性。

2）转播高清《新闻联播》

该节目来自CCTV综合高清频道，但内容为高标清混合制作，台标和右上角高清字幕都已经嵌入。如果要对其进行下变换播出，左右切边会导致CCTV-1台标和右侧“高清”字幕被切断。如果为了保证高清全画幅，下变换采用上下加遮幅的方式，又会导致节目中邮票现象的出现。鉴于此，笔者考虑改造后保留标清频道分控矩阵及相应控制，将标清CCTV-1信号加入分控切换矩阵中，即标清频道转播《新闻联播》时选择CCTV-1标清信号播出，而一般情况下选择高清下变换器的输出信号播出。

需要强调的是，节目幅型变换的结果必须反映制作人员的创作意图。高、标清幅型变换的技术原因在于其幅型比不同，不同的幅型比决定了前期制作中构图的表达区域不同。上变换和下变换的策略中都有内容损失的情况，都有可能会影响内容的表达。因此，幅型变换方式的选择，必须以保证或者基本保证节目制作人员的创作意图为原则，同时尽量减少多次变换。

1.5 基于AFD幅型变换

从上述讨论可以看出，如果有一项技术能对视频图像中的关注区域进行描述，而且这种描述又能伴随节目制作、播出始终，就可以做到无论几经变换，也能让变换结果是创作人员希望得到的画面，而AFD就是这样一种技术。

AFD全称为ActiveFormatDescription，直译为“有效版式描述”，目前行业内遵循的国际标准[3]如下：

1）SMPTE2016-1FormatforActiveFormatDe⁃scriptionandBarData定义了编码格式。

2）SMPTE2016-3VerticalAncillaryDataMap⁃pingofActiveFormatDescriptionandBarData定义了AFD的消隐辅助数据字。

3）SMPTE2016-5KLVCodingforActiveFormat Description，BarData定义了MXF文件内KLV的编码格式。

AFD是一种视频元数据，用来描述电视图像的原始宽高比和图像活动区域信息，这里的活动特征信息就是上面说的创作人员感兴趣的图像区域。它可以存在于在视频的生产、分配和传输过程中，也能在这些过程中被设置。AFD既可以嵌入在MPEG视频流中，也可以嵌入到基带SDI信号的辅助数据区，还可以嵌入MXF媒体文件KLV数据区内，在制作和播出时就可以使用AFD来达到自适应宽高比的目的。AFD在制作、转换的过程中可以被下一级支持AFD的设备识别。变换后的视频有可能还会进行多次变换，为了保证再次变换的准确性，变换器会对变换后的图像格式重新嵌入AFD信息。如果能延续变换前的有效区域描述，则称之为AFD信息的“继承”，也有称作“透传”。另外，AFD可以达到帧精度级别的画幅描述信息。

表1是SMPTE2016-3标准针对AFD在VANC（消隐辅助数据）描述。

表1 SMPTE2016-3中AFD的定义

AFD使用1bit的数据AR（Aspecstratio）描述宽高比，AR=0表示4∶3幅型，AR=1表示16∶9幅型。如果遇到特殊的幅型比，需要在BarDataValue中定义。AFD数据字使用4bit数据描述视频帧的有效幅型，需要指出的是SMPTE2016-3并没有明确规定AFD信息插入到哪一个消隐行中，理论上讲可以放到切换行后的任意消隐行，但是为了给下游AFD信息的设备留出更多的处理时间，应尽早插入到紧随切换行其后（标清切换行为6L/319L，高清切换行为7L/569L[4]）。这同时也提醒大家：系统建设时涉及到AFD信息嵌入和解析的设备，要尽早进行测试，以免不同厂家的AFD嵌入行定义有别。

使用AFD对4∶3幅型的视频和16∶9幅型的视频的活动区域进行描述就非常简单。AFD有4bit描述，理论上讲最多有16种定义，在SMPTE2016中针对4∶3画幅定义了8种，针对16∶9画幅定义了8种。

上文提到的4种常用的幅型变换方式，其定义如表2所示。

表2 常用变换的AFD编码值

AFD有没有“挤压”和“拉伸”的描述？标准的AFD描述不具备这类描述。因为AFD提出的初衷就是为了保证画面不变形，对于SMPTE2016-3明确标准规定的码字，没有使图像变形的定义，但是AFD预留了几个码字，如“0001、0101、0110、0111”等，设备厂商可以对该码字进行自定义，从而实现自己想要的变换方式。要实现这样的特定需求，其中一个重要前提是，AFD全流程的设备必须遵循相同的定义，否则下游设备无法解析。

2 高标清同播的方式

高标清节目的同播依据节目变换发生的区域不同，可以分为以下两种方式。

2.1 制作域源端变换

高标清节目的幅型变换是在源端完成的（见图4），即在制作域完成高清、标清两版素材，然后分别送往播出域的高清、标清两个独立的播出通道。这种方式也是全国第一批高标清同播卫视频道普遍采用的实现方式。该方式保证了在播出域链路结构清晰，同时高标清系统通过设置在输出端的上、下变换器，实现了播出通道的互备份，是较为安全稳妥的方案。当然该方案的不足也比较明显，在制作域，栏目制作人员制作高标清两版节目，工作量加大，文件的转码和传输压力增大；在播出域，由于采用两个独立的播出通道，播控人员要同时维护同播频道的两份串播单，同播频道的节目调整和应急处理复杂性提高。

图4 制作域源端转换示意

2.2 播出域输出端变换

制作域只提供一版高清节目，播出域的标清信号直接来自于高清CLEAN输出的下变换。根据下变换实现方式的不同，主要有以下3种自动变换方式：

1）播出单控制的单下变换器方式

高清播出通道只使用一个下变换器，其幅型变换的方式是由播出工作站按照节目单由GPI/422指令进行控制的（见图5）。这种方式成本比较节省，但是由于控制指令到达下变换器的时间和高清切换矩阵信号送达下变换器的时间很难达到帧精度的同步，所以会造成非法变换画面帧夹在标清播出信号中的情况。比如，“在播节目”是左右切边的变换，“待播节目”是上下加边的变换。切换的时刻控制指令已经到达下变换器，而切换矩阵仍未切换，这时本应左右切边的信号就会上下加边，非法画面“夹帧”在最终输出的标清信号中。解决的办法是通过不断的调试播出软件，尽可能使播出软件的指令时间与切换信号到达下变换的时间完全同步。

图5 播出单控制的单下变换器方式

2）基于AFD信息的单下变换器方式

高清播出通道只使用一个下变换器，其幅型变换的方式完全由下变换器识别AFD信息进行控制（见图6）。这种方式十分简洁，但需要确保节目的在AFD信息经各级设备正确继承。

图6 基于AFD信息的单下变换器方式

3）基于链路选择的多下变换器的方式[5]

高清播出通道使用多个下变换器，每个下变换器采用不同的固定下变换方式。播出工作站依照节目单中对下变换方式的预先指定，切换相应的下变换器输出（见图7）。该方式经两级切换矩阵，多个下变换器中有一个正确的变换，如果标清的切换矩阵和高清的切换矩阵切换存在帧精度的时间差，也会造成标清信号中非法画面“夹帧”的情况。

图7 基于链路选择的多下变换器的方式

3 济南广播电视台同播系统的设计思路

选择何种同播方式，必须以安全播出为总的前提，循序渐进地进行实施。济南电视台在高清频道建设之初，由于节目生产的高清率较低，标清节目源大量存在，为了实现高标清同播，节目双向变换的需求很大，因而采用了制作域源端转换的方式[6]。之所最初设计时不选择播出域输出端变换，主要原因如下：

1）标清节目比例大，节目上、下变换链路设计复杂，播出路由调度复杂增加安全风险。

2）标清节目上变换后又用于下变换播出情况较多，画面质量难以保证。

3）节目幅型变换的全台制作规范尚未完善，节目制作人员高标清无同播意识，在对高清系统运行初期，将节目变换全部放到播出容易产生安全隐患。

随着济南广播电视台节目的高清率不断提升，标清节目上变换的需求逐渐减弱，高清节目下变换成为主要需求。加之济南广播电视台全台网环境下媒体文件主要来自于制作网，少量广告文件来自于播出部的上载子网，而基带演播室信号大部分来自本台制作部和转播部。经笔者论证，若采用AFD技术，无论是文件级的AFD信息嵌入还是基带信号的AFD信息嵌入都是可控的。所以，最终选择基于与AFD和播出端控制结合的下变换方式（见图8），设计目标为：

1）采用输出端完全下变换的同播方式；

2）采用基于全流程AFD信息的单下变换器方式；

3）节目播出以单一节目为单位进行下变换控制；

4）播控工作站可对单一节目的变换方式进行修改；

5）下变换器具备遥控面板，可手动干预下变换方式。

高清通道使用单台下变换器，默认工作情况为AFD模式，同时受控于播出工作站。一般的，对于来自制作环节的节目，下变换器依照AFD信息选择下变换；对于没有AFD信息的外来信号，实施默认下变换方式，特殊情况下可以通过发送GPI指令，对下变换强制变换。另外，保留了标清切换矩阵，以应对《新闻联播》的转播和标清频道的并播等需求。

4 同播系统设计中需要注意的问题

4.1 AFD的全域支持

由于AFD技术的引入是为了方便幅型管理，其难点是要求所有入网的信号及媒体文件都要嵌入正确的AFD信息。这就要求：

1）制作域节目打包生成节目文件时将AFD信息准确写入；

2）演播室的信号必须正确嵌入AFD信息；

3）播出域上载的节目要正确嵌入AFD信息；

4）播出域视频服务器继承文件AFD并将信息嵌入HD-SDI信号；

5）下变换器按照HD-SDI中辅助数据的AFD信息执行下变换；

6）所有设备AFD嵌入行和解析必须支持统一的定义。

4.2 将AFD纳入节目流程管理

制定并严格执行《节目幅型变换管理规范》。要求节目文件传输必须跟随相应的AFD信息元数据文件，以XML文件形式表示，由非编工作站打包生成媒体描述文件时一并产生。该元数据文件作为高清节目技术审看的比对依据。

4.3 完善AFD信息的技术质量控制

1）基于文件的检测手段

扩展当前播前自动技审软件功能，依照SMPTE 2016-5对MXF文件中AFD信息的文件审看，并与媒体描述文件比对一致性，如图9所示。

图9 技术审看文件的AFD信息（截图）

2）基于信号的检测手段[7]

使用泰克示波形监视器WFM7120，利用辅助数据状态（AuxiliaryDataStatus）；利用辅助数据查看器（An⁃cillaryDataInspector）可方便地查看AFD在第几行嵌入；利用其DataList可确认信号辅助数据的AFD编码是否正确，如图10所示。

4.4 系统可手动干预下变换方式

1）播出工作站修改节目的下变换方式；

2）下变换器支持遥控面板可手动干预。

4.5 应急强制变换时的夹帧情况

基于GPI/422控制的单下变换器会存在夹帧情况，可以由厂家进行多次调校，保证有播出工作站发出的控制指令和视频服务器输出的节目信号同一时间到达下变换器。由于此方式只用于AFD嵌入错误等极少的应急情况，即使有轻微夹帧现象，权衡增加1台下变换器（使用固定方式下变换）而增加的投入，仍是可以接受的。

图10 使用泰克WFM7120检测AFD编码和嵌入行示例（截图）

5 结束语

高标清同播系统中，基于SMPTE2016AFD信息的幅型变换是较为理想的变换方式。其优点是AFD信息在制播网的全域支持，即使几经变换也能携带者创作人员的意图。然而任何技术都具有相对性，AFD的使用要求各个环节的正确嵌入、解析和继承，这就要求必须辅以更完善的技术管理手段和更严格节目交换规范才能可靠运行。笔者相信在高标清同播这个较长的过渡时期内，基于AFD的自动幅型变换技术能够扮演重要角色。

[1] 电 视台数字化网络 化建设白皮书（2009）[EB/OL]．[2013-06-15].http://wenku.baidu.com/link?url=9Nixs91WJWEge6 htI-UKbeFZHTaMR4GeVn1uYNOIizT6hOd6aM7otPiQSN_h2ayp_ v870j25NwVQHd-244JIeKdbFwu6csa3t2IyyOjeLlS.

[2] 姜秀华.数字电视原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[3] AFD-Aspect ratio management using AFD[EB/OL]．[2013-06-15].https：//www.smpte.org.

[4] 陈善移.数字视频测量应用技术应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5]金强.高标清同播播出链路设计中自动幅型变换的探索与实践[J].电视工程，2012（4）：13-15.

[6] 宋磊，鞠峰，李震.城市台高标清同播频道的设计与实现[J].现代电视技术，2013（5）：92-94.

[7] Broadcastdataanalysis-Tektronix[EB/OL].[2013-06-15].https：// www.tek.com.

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2013-09-04

【本文献信息】鞠峰，宋磊.高标清同播系统中自动幅型变换的探索[J].电视技术，2014，38（2）.

鞠 峰，济南广播电视台电视播出部首席工程师；

宋 磊，济南广播电视台电视播出部副主任高级工程师。