演播系统中高、标清信号的应用

2015-12-23孟庆昆徐州广播电视台

视听界(广播电视技术) 2015年1期

孟庆昆徐州广播电视台

一、引言

我台600平米演播室改造完成投入使用后，视音频系统依靠转播车来完成节目的录制工作。后决定将原200平米演播室的4讯道标清录制系统改建至600平米使用，以完成演播室独立录制节目的要求。现600平米演播室内新建了一块56平米高清LED显示屏，与高清屏连接的信号处理器为DVI信号输入，需要解决的问题是如何给大屏幕提供高清信号，同时又能将同一信号送给标清系统完成录制。

演播室改造需完成：

1. 原有标清系统继续使用，系统包括4台标清摄像机，KAYAK切换台，SOUNDCRAFT调音台，以及标清信号分配系统，同步系统，TALLY系统等。

2. 演播室高清LED屏幕，彩幕等需要高清信号源，LED屏幕接口为DVI，需要解决接口匹配等问题。

3. 在保证信号质量的前提下，高清信号系统需要与原有标清系统对接、互通，完成正常节目制作需求。

二、LED屏幕显示系统组成

1. 硬件系统

本系统采用的Blackmagic的ATEM Television Studio经济型SDI/HDMI广播级切换台，SDI TO DVI Extender，一台软件切换台控制机，一台高清非编系统。LED屏幕显示系统硬件组成如图1所示。

■ATEM Television Studio经济型SDI/HDMI广播级切换台

ATEM Television Studio是世界首款将专业切换台和广播级H.264编码器结合在一起的直播制作切换台,采用全数字10 bit设计，切换台具备6路视频输入：2路SDI输入，2路HDMI输入，2路SDI/HDMI选择输入，每路`视频输入都配有一个帧同步器。

■AVID 高清非编系统

主机：AVID非编工作站。CPU：1个Xeon E5503处理器，内存：8G DDR3显卡：AMD HD6850 1G（带HDMI接口），硬盘：1TB。

■AVID MOJO DX外置卡

主机与计算机连接方式：PCIe。

视频连接： SDI（SD 和 HD，复合接口）。

音频连接： 8 通道嵌入式 SD-SDI 音频 I/O，16 通道道嵌入式 HD-SDI 音频 I/OM，8 通道光纤 ADAT I/O，2 通道光纤 S/PDIF I/O。

模拟音频： 2 通道 1/4 英寸 TRS I/O，立体声耳机输出（3.5 毫米 TRS）。

监控： HDMI 输出（支持所有速率，包括全高清1920 x 1080 HD）。

同步：黑场信号或高清三电平输入。

■SDI TO HDMI转换器

BlackmagicMini Converte可以将SDI转换为带有内嵌HDMI音频的HDMI视频，再通过HDMI转DVI的接口变为DVI信号送给LED屏幕处理器，完成HDSDI信号接入LED屏幕的功能。HDMI在针脚上与DVI兼容，只是采用了不同的封装，传输无损的数字视频信号，HDMI接口在输出端可完全兼容DVI接口，因此接口的转换并不会使信号质量下降而影响画质。

2. 软件系统

■ATEM Control Panel软件切系统。

使用一根网线将控制机与切换主机连接并安装软件，软件运行界面见图2。

软件界面采用了熟悉的M／E风格操作方式，有在传统切换台上常见的切换（Cut）、混合（Mix）和划像（Wipe）特技功能，标配的2个媒体播放器帧存可自定义字幕和图标，提供一个支持色键、类型键、形状键和线性键的上游键，还提供两个下游键和独立的渐黑键（FTB），同时ATEM的多画面分割功能允许在一台SDI或HDMI电视机或监视器上同时显示10路视频画面。显示画面可以通过切换选择，可以自定义标签，也可以在预监显示器上设定安全框；多画面分割显示提供Tally功能，正在播出的视频源画面周边以红色边框标示，而预监视频源画面周边以绿色边框标示。

三、高、标清系统的互联

1. 原演播室标清信号系统由4台池上摄像机，KAYAK ME 2.5级特技台，监视系统，信号分配系统，通话系统，同步系统等组成，可以满足正常演播室的录制需求。

2. 高、标清系统的互连主要是解决两套系统间的信号公用问题，标清至高清的上变换和高清至标清的下变换的解决方案是通过BLACKMAGIC Teranex 2D处理器来完成高、标清信号的变换。

■BLACKMAGIC Teranex处理器

Teranex利用丰富的宽高比选项和多向对角滤波器消除了画面中的“锯齿”，可将NTSC或PAL制式的SD视频转换成高质量720HD或1080HD视频，还可将高清视频源下变换为高质量SD信号。它的高质量去隔行技术和多向对角滤波器，可将1080HD和720HD视频转换成各种宽高比的标清视频格式。Teranex具有时域递归降噪功能，可用于消除传输链路、磁带或摄像机造成的视频噪点。提供完全可调式画幅尺寸设定功能。该功能可用于自定义画面宽高比，或用于裁去图像边缘的瑕疵，并重构画面。Teranex支持丰富的宽高比选项，包括可变宽高比和固定宽高比，并支持主动填充。其自有的Smart Aspect技术会在4:3到16:9宽高比变换时对图像进行弯曲处理，让画面看起来不会有拉伸的痕迹。

3. 上、下变换方式

由标清信号转换为高清信号的格式变换称作上变换，由高清信号转换为标清信号的格式变换则称作下变换。高、标清信号由于扫描格式的不同，每行有效像素和每帧有效行数都不同，它们之间的上、下变换主要是通过空间域的插值和抽取滤波器来实现行速率和像素的变换。

上变换时，首先将隔行标清信号通过去隔行变成逐行标清信号，然后将此逐行标清信号（一帧包含625行）通过上采样（内插）的方式变成一帧包含5625（625和1125的最小公倍数）行的逐行信号，对此信号进行滤波（防止混叠），再进行下采样（抽取）变成一帧包含1125行的逐行高清信号，最后通过隔行变成隔行高清信号。

下变换时，首先将隔行高清信号通过去隔行变成逐行高清信号，然后将此逐行高清信号（一帧包含1125行）通过上采样（内插）的方式变成一帧包含5625（625和1125的最小公倍数）行的逐行信号，对此信号进行滤波（防止混叠），再进行下采样（抽取）变成一帧包含625行的逐行标清信号，最后通过隔行变成隔行标清信号。

■上下变换的幅型模式

高清信号的画面宽高比为16：9，而标清信号则为4：3，在上、下变换过程中，必然需要考虑到幅型变换的问题。

由标清（4：3）上变换至高清（16：9）有三种幅型模式。

①上下切边模式：将原4：3图像上下各切掉一部分，使图像充满整个16：9屏幕，画面比例保持不变，但损失一部分画面内容。

②左右加边模式：将原4：3图像垂直方向充满屏幕，水平方向左右各加一条黑边，画面比例保持不变，且保留全部画面内容。

③拉伸模式：将原4：3图像垂直方向充满屏幕，水平方向拉伸至充满整个16：9屏幕，虽然保留了全部画面内容，但画面产生横向变形。

由高清（16：9）下变换至标清（4：3）也有三种幅型模式。

①信箱模式：将原16：9图像水平方向充满屏幕，垂直方向上下各加一条黑边，画面比例保持不变，且保留全部画面内容，但清晰度有损失。

②切边模式：将原16：9图像垂直方向充满屏幕，水平方向左右各切掉一部分，画面比例保持不变，清晰度好，但损失一部分画面内容。

③压缩模式：将原16：9图像垂直方向充满屏幕，水平方向压缩至充满整个4：3屏幕，虽然保留了全部画面内容且清晰度好，但画面产生横向变形。

根据我台节目制作需要，选择的上变换方式为左右加边模式，下变换则采用了切边模式。

四、高、标清两套系统的同步

原标清系统配置有同步机，为系统内设备提供模拟BB信号，对于从ATEM Television Studio特技台通过Mini Converters完成高清至标清的下变换输入的信号，必须经过同步板卡（或经录像机环出），加入同步信号后，才能进入系统，避免切换信号时画面的跳动。

ATEM Television Studio特技台的每个视频输入都配有一个自动帧同步器，因此输入信号的同步问题不需解决。

五、实际应用

LED屏幕的信号输入是通过ATEM切换台的切换来实现的。ATEM切换台具有HD-SDI、HDMI接口，同时切换软件可以导入图片做为一路信号源，以下是几种不同信号源的实际使用。

1. HD-SDI的输入

导播室内放置了一台AVID高清非编系统，并配有MOJO视音频接口卡，可以输出高质量HD-SDI信号给切换台，平时制作节目时最常用到的是用AVID非编播放相关栏目视频，选手资料，宣传片等。用非编来播放视频的优点是：可以随时调整多个视频的播放顺序，随时增加、删减视频内容。

Teranex 2D处理器将来自标清系统的信号上变换为高清信号送至ATEM Television Studio特技台。

2. HDMI输入

电脑上很多应用是非编无法实现的，如播放PPT，播放实时网络视频、动画等。利用HDMI端口接入电脑信号后，最方便的就是把这些平时应用很多，但不容易接入系统的信号接入切换台，丰富了演播室节目制作形式。以播放PPT为例：打开要播放的PPT后，选择“幻灯片放映”→“显示位置”→“第二显示器”，这样在播放PPT时，通过切换台就可以在大屏幕上显示了。同时，在笔记本端仍可以方便的进行其它操作，比如：即时修改PPT内容等。