高标清同播中涉及的关键技术要点

摘 要:随着电视节目播出的高清化进程的不断前行，播出平台的高清化和电视台节目源的高清与标清共存，传输领域和观众群体的高清进程不一致等使得高标清同播成为新建播出系统的必选模式，因而高清和标清两种标准并行所带来的技术应用也日显突出。本文通过对高标清节目宽高比等因素在上下变换中模式的分析和技术上应对手段的功能介绍，阐述了如何在现阶段技术条件下实现高标清节目同步的技术实现。

随着电视技术的发展和各方面的要求及需求，对于从全标清到全高清的转换也在各个电视台逐步的实现和加快推进。各大电视台在构建高标清同播频道这一方面，无论是图像还是实现方式上都谋求着优化、创新，以之予以完美呈现，达到最佳的收视效果。电视技术是根据人眼的视觉特性，以电信号的形式远距离传送图像和声音的技术。让观众以舒适方式来感知景物信息及声音信息的再现，对于电视信号的产生、处理、传输及接收等每一环节均尤为重要。在信号处理的过程中，有几项关键的技术要点需要注意:幅型比的控制、AFD信息的应用、色域管理。

高清电视和标清电视在终端表现上最重要的区别是其具备不同的宽高比。按照我国的电视标准，标清电视采用的是4:3宽高比，高清电视的宽高比则采用16:9。无疑此差别将使得宽高比的管理成为高标清同播中最先要解决的技术问题。

高标清同播指同频道以高清和标清两种方式播出。在现行的播出方案中，划分为两种形式:一为建设高、标清两套系统同步播出；二为高清播出系统播出端下变换模式。较两种方式的设计及运行上，高清播出系统播出端下变换模式更适用，其经济性和实际应用的合理性显而易见。

在高清频道开始试行并实行前，电视产业在发展过程中，主要从模拟技术向数字技术进化，许多原有的模拟数据被保存并作为资料被高清频道引用。对于现阶段的采集及制作上使用了大量的使用16:9的模式，对于标清频道引用并应用上也需要适当的方式处理。多种因素的存在，使得两种幅型的存在和变换对于播出各环节都尤为重要。

在电视画面中，幅型比的概念主要是指宽度和高度相比较而言的，在信号传输和显示过程中，具有高清功能的电视通常会将幅型比定为16:9，才能保证信号显示过程中获得较好的分辨率，进而提高显示效果。16:9的幅型比主要是与4:3的幅型比相区别的。多数情况下，标清电视的幅型比主要为4:3。通过比较发现，幅型比作为高清电视与标清电视的主要区别，不但有效区分了高清电视和标清电视，也使得二者在信号显示上有了明显的不同。从原理上来看，16:9的幅型比显示的画面更加逼真一些，也更为清晰，其清晰度比4:3幅型比的标清要强得多。

16:9和4 :3两种幅型比转换有添加边条、裁切以及拉伸方式。对于变换中的图像，保证图像的真实再现，减少幅型比转换对图像的损失，为观众提供完整的画面和信息是所遵循的必要条件。

上变换模式:

①镶边模式:垂直方向充满，水平方向镶嵌两个黑边或彩边，这种模式保留了全部画面内容，画面比例正常，常用于新闻素材的上变换，保留新闻画面的完整信息。

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②切边模式:将画面进行纵向剪切，画面比例正常，但损失了一部分画面内容，此种模式一般用于特技制作或需要去除标清画面部分信息如字幕等特殊场合，较少采用。

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③拉伸模式:将画面横向拉伸，保留了全部画面内容，但画面产生了变形，此种模式较少采用。

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下变换模式:

①信箱模式:在画面的上下两侧加黑边，保留了全部画面内容，画面比例正常，但清晰度有损失，此种模式一般用于电视剧或电视专题片的下变换，但在高清电视剧或专题片已带遮幅的情况下慎用。

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②切边模式:画面左右两侧被剪切，清晰度好，画面比例正常，但损失了一部分画面内容，此种模式配合上变换中的镶边模式，一般用于新闻节目的下变换，要求前期高清拍摄应按4:3画幅取景，同时兼顾16:9画幅需求。

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③挤压模式:将画面横向压缩，保留全部画面内容，清晰度好，但画面产生了变形，此种模式适合在16:9电视机大量普及的地区使用，中央台部分直播体育节目也采用此种变换方式。

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无论是在标清素材需要被高清节目引用还是高清素材需要被标清节目引用，上下变换的组合方式对素材最终呈现播出有着关键决定性的作用。由于播出信号原有的幅型比格式不确定，固定的转换方式会对画面造成严重的破坏，所以采用自动幅型比的控制模式既能降低繁复性，同时做到了连续播出节目幅型变换的帧精度的切换。

自动幅型比控制的实现需要具备能被识别的图像描述符，在上下变换中通过描述符识别播出画面的初始有效幅型比信息，按照转换规则进行幅型比的转换实现。提到自动幅型比控制的实现，最为重要的活动图像格式描述符AFD是其关键。

2007年，美国电影电视工程师协会发布SMPTE-2016-1，将AFD正式定义为标准。该标准根据活动画面的宽高比以及位置信息分别对高、标清编码帧进行了详细的分类，并为每类画面都定义了一个与其对应的AFD编码，专门用于描述编码帧中活动画面宽高比。因此，如果高清画面中携带正确的AFD信息，而且下变换支持AFD标准，就可以实现根据画面结构的不同对其进行动态的下变换，从而解决高标清同播中的格式变换错误问题。

在数据传输过程中，AFD是一种重要的编码技术，在具体传输中，AFD对应一个4比特的字，并与数据帧相对应，AFD确定之后，数据信号的幅型比也跟着确定下来，所对应的数据帧的清晰度也得到了确定；同时，AFD还能对某些特殊数据进行保护，避免外界干扰影响其清晰度。

除了上述优点之外，AFD也可以在其中进行数据信息的迁入，并将AFD的信息写入其他文件当中，提高信息编辑质量，满足信息编辑需要，提高信息传输质量。其中，信息嵌入主要有以下几种模式:

①将编辑好的AFD嵌入程序传输到指定的视频服务器上，同时上传MXF文件，利用专门的数据编辑工具将二者嵌入在一起。

②为了保证AFD嵌入效果，在运行嵌入程序之前，需要将AFD的关键信息输入到注册表中，并合理设置AFD程序，保证嵌入程序能够在文件上传过程中按照既定设置正常嵌入，提高嵌入的整体效果，满足信息嵌入需要。

③通过合理设置摄像机和服务器的方式，保证AFD嵌入器能够正常运作。结合目前摄像机和服务器的设置，多数摄像机和服务器都具备潜在的嵌入功能，只要将需要的信息按照编排好的格式录入到准备程序中，并在摄像机和服务器中设置必要的传输程序，就可以实现AFD的嵌入。

但在具体的嵌入过程中，需要保证幅型比和实际图像显示器相一致，比如嵌入的程序是16:9的幅型比，那么显示器就要匹配高清显示器，否则嵌入后的数据将无法正常显示，将会对数据显示产生不良影响。因此，在AFD嵌入过程中，控制好幅型比是关键。

描述画面格式的元数据不仅包含活动图像格式描述符（Active Format Description，AFD），还有另一种元数据为边条数据（Bar Data）。边条数据可对AFD起到辅助信息使用。在活动图像不能填满整个编码帧，并且AFD本身不能描述其范围（如幅型比既不是4:3，也不是16:9）时，就需要用到边条数据，边条数据可用于标识画面中未用区域的精确位置。

AFD和Bar Data是基于帧精度的，通常和它们所描述的视频信号一起传输。将它们与视频信号捆绑起来的方式主要有两种:

①当视频信号以流的形式传输时，将AFD和Bar Data插入到视频SDI信号的垂直辅助数据（VANC）中。

②当视频信号以文件的形式传输时，将AFD和Bar Data经过KLV编码后，作为视频信号的SMPTE元数据进行传输。

无论使用这两种传输方式中的哪一种，AFD这个4bit的码字在传输时都要被加入到一个8bit的字节中。

利用第一种方式将AFD插入到VANC中传输时。对于SD-SDI信号，由于每帧画面是隔行扫描的，所以两场信号的VANC中都应该包含AFD数据包；对于HD-SDI信号，由于每帧画面是逐行扫描的，所以AFD信号只要插入到亮度信号Y的VANC中即可。

第二种传输方式是将AFD和Bar Data作为视频元数据插入到MXF文件进行传输。作为一种开放的文件格式，MXF文件为节目生产系统中，不同环节设备间视音频节目素材、相关数据及其元数据的交换提供了一种通用的文件格式。

对于当前在系统播出中，所选用的的上下变换器均支持AFD信息，当接收到带有AFD信息的视频信号时，即能自动分析AFD信息，给出活动画面的幅型比和位置信息，并指导上下变换的组合变换方式。

在高标清同播中对于广播电视的色域标准也需要一定的处理。

经过了解发现，目前国内的色域标准与国际上的色域标准都采取了同步设定，虽然在表情领域里色域标准存在美国标准和欧洲标准之分，但在高清图像出现之后，高清图像的色域标准得到了统一，目前高清的色域标准主要为ITU-R709。之所以要确定色域的标准，其根本原因在于色域对高清图像传输和显示具有重要作用。因为摄像机和显示器在出厂时，如果没有统一的色域设定，在具体图像显示中将会出现混乱，造成显示效果不理想。

从实际图像观看效果来看，在高清信号传播过程中，应牢记高清信号的制作、传播和播放都是互相联系的，有某一个环节达不到要求，都会导致高清信号显示失真。这与标清信号存在一定的差别。在标清信号的制作、传播和播放中，由于标准多样，很难实现统一，因此，标清信号具有一定的自适应性。所以正确分析高清信号与标清信号的特征和区别，对做好高清信号的传输和提高高清信号的显示质量具有重要的促进作用。

高清电视只是电视技术发展的一个阶段。根据电视技术的兼容优先原则，需向前兼容标清电视，因而形成了以画面宽高比为主体的高标清同播技术。今后的4K乃至8K的超高清电视也将一如既往的向前兼容今天的高清电视，高标清同播的技术解决手段也将为其提供重要的技术思路和手段。高标清同播还需考虑录制格式、字幕图标、声音等方面的要求，加快推进高清电视发展。高标清同播的技术解决方案的确定取决于电视台的节目形式而不是技术本身，从纯技术角度上来讲，目前的技术已经具备了完善的高标清同播的解决手段。