超高清、高标清系统中上下变换板卡的应用分析

董桂平 毛红静 王鑫淼

【摘要】在广播电视播出系统中4K超高清、高清及标清信号在上、下变换的过程中存在信息的损失，针对该问题本文详细介绍了播出系统中的信号的上下变换，分析了不同格式信号变换过程中存在的问题和解决办法，为同行业者提供参考。

【关键词】高标清下变换;对XVP3901板卡;索贝Smart-4K上变换

中图分类号：TN929                                  文献标识码：A                          DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.05.015

广播电视行业以“高质量，不间断，既经济，又安全”的十二字方针为指导，在保证高质量发展的前提下，经济、实用、稳定的播出同播系统运用而生。在大力推进4K超高清视频产业的同时，也要兼顾高清电视节目和标清电视节目的播出，因此由转换器进行4K HDR和HD SDR之间的相互转换是各大电视台解决这一问题的基本技术手段。

随着4K超高清电视技术和4K产业的发展，4K超高清HDR（High Dynamic Range，高动态范围）与高清SDR（Standard Dynamic Range，标准动态范围）和标清SDI（serial digital interface，数字分量串行接口）信号共存。当4K超高清HDR的逐渐成为主流，由于节目片源不足，需要将SDR节目上变换为HDR信号，既在制作流程上简化了制作系统，也提高了生产效率。出于兼容性及避免重复建设的考虑，高清SDR下变换为标清SDI信号，本文通过对目前市面上主流上、下边换板卡进行测试中，针对不同信号利用不同的板卡加以实现，本文就涉及到的板卡XVP3901下变换板卡和索贝Smart-4K上变换的部分参数进行一些技术上的探讨。

1. 高标清同播系统中下变换板卡应用

目前国内大部分电视台采用高标清同播系统，高标同播的核心就是高清下变换器（下变换板卡）。由于高标清在画面分辨率和宽高比不同，实现对视频信号或文件的时空采样结构进行变换，即在时间和空间上实现分辨率的变换，也就是我们说的下变换。使用高清下变换必然带来视频画面的图形画幅的变化，要想做到在16：9的高清电视中很好的展现变换后的画面，就要对变换板卡中变换方式和变换数据进行合理的设置，达到最佳的观看体验。

在同播系统中我们采用XVP3901下变换板卡来实现视频的高清下变换标清。最初系统主要采用的是切边模式或信箱模式的方式，这是根据在高标清同播中，标清素材占据相当大的比例且CRT电视还处于主流地位。但是随着时代的发展，高清素材比例已经处于绝对主力地位且画幅为16：9的平板电视已经成为主流。因此挤压模式成为了主流，挤压后的画面在16：9的电视中画幅被拉伸，除了画质的降低外，视觉上基本与高清画面一样。

XVP3901下变换板卡是一款高度集成的3G/HD/SD帧同步器/长宽比转换器和可选的视频/音频信号处理器，用于同步和处理3G/HD/SD混合设备的高清和SD信号。有up/down/crossconversion能力。FS模型可以對SD信号进行ARC控制，在将16：9 SD信号转换为4：3 SD信号。高质量的纵横比转换在50和59.94Hz，基于多种复杂的处理技术。为了确保信号在播放时以正确的宽高比传送，XVP-3901-FS完全支持AFD。

AFD（Active Format Description）是活动图像格式描述的缩写。它主要用来描述一个视频编码帧中，人们感兴趣的那部分活动图像的显示格式。AFD可以嵌入在MPEG视频流、基带SDI信号的辅助数据区和MXF文件内的元数据区，实际播出中可以在HD/SD-SDI信号流和MXF文件中写入AFD信息，达到自适应选择宽高比变换方式的目的。在进行高标清下变换过程中，若不根据AFD值进行变换，产生不一样的幅形变换。目前系统方案选择挤压方式，如图1。

同播系统利用XVP3901下变换板卡配置成挤压方式播出，配合目前16：9的高清电视的高普及率，使得高标清同播方案在画面幅形变化方面得到了很好的解决，也更符合观众观看习惯。

2. 高清上变换4K

在4K超高清和高清同播系统中，由于节目片源不足，需要将SDR节目上变换为HDR信号，将会涉及到高清素材上变换到4K节目使用。既在制作流程上简化了制作系统，也提高了生产效率。但是上变换要求输出的4K视频效果与变换前的高清素材效果保持一致。

高清上变换4K测试发现，如果高清素材不进行上变换而直接在4K设备上播放使用，会出现整体画面过暗的问题。SDR节目上转换到HDR-HLG后，图像会比原版SDR节目亮度暗，因此可在上转换过程中提升SDR到HDR的亮度映射电平来部分解决这一问题。通常情况下，在上转换过程中，对于高于100%动态范围的拐点部分用直接映射方式（Direct Mapping）完成上转换。对此，ITU组织颁发的BT.2390标准定义了上变换的转换算法，如图2所示。

当输入的信号源为HDR高清信号（或为是外来高清直播信号，CCTV高清信号时），而矩阵（或演播室）却需要4K超高清信号时，需将输入信号进行上变换操作如图3所示。

本系统采用索贝Smart 4K全能转换器，可实现上变换功能，其作用是将外来的高清信号（SDR BT.709）信号转换成4K信号（HLG BT.2020）进入到4K的制播系统进行信号的调用。

对多格式转换器的选择，不能只单纯地停留在从超高清到高清、高清到标清转换，而只关注分辨率的转换，关键是要看其在不同动态和不同色域之间的转换能力，经过转换后的信号能把4K画面的高动态，宽色域的真实色彩还原出来，如图4。转换后的4K画质更加明亮，细节还原度更高。

针对4K节目下变换至高清，ITU BT.2390标准也给出了相关的思路。在进行下变换时，色域根据对应的标准一对一进行映射，但需要更多考虑动态曲线的转换，即伽马的转换。对不同的下变换方式进行测试发现：整体压缩的方法会导致图像整体过暗;裁切高亮部分的方法会导致图像过曝;设立亮度拐点，适当压缩亮度超过拐点的部分，完好保留亮度低于拐点的部分，能够最大程度保留HDR的画面。

Smart 4K全能轉换器可以对不同动态，不同格式和不同色域的制作实时转换，包括支持超高清HDR与高清SDR或超高清4K与高清HDR之间的转换，支持ITU-R.709和ITU-R BT.2020色域之间的转换以及分辨率为3840x2160和1920x1080之间的转换等功能，实现了4K和HDR节目的同步播出。在系统中进行信号上下变换的时候，需要注意的是4K与HDR和SDR的转换增益差的调整。

4K与HD在相互转换过程中，上转换（实质信息没有增加，通过插值和扩展映射实现）容易出现对比度、饱和度降低的现象。因此在上转换的过程中，要对系统增益、对比度及饱和度做出适当的调整。这些参数在制作和播出领域应统一。当4K节目兼顾高清制作的时候，现阶段应以高清（SDR）图像质量为基准进行4K摄像机曝光等控制，以确保同时获得高质量的4K和高清图像。

3. 总结

在广播电视播出系统中4K超高清、高清及标清信号在上、下变换的过程中存在信息的损失，通过选用的不同的上、下变换器板卡，既要保证4K超高清、高清节目的画面视觉效果，还要避免由于上、下转换带来的亮度过高或过低、彩色失真等安全播出隐患在4K HDR BT.2020、HD BT.709、SDR BT.601 之间的相互转换过程中，上、下转换器的选择可以有效避免因亮度过高或过低产生的过曝现象，并解决彩色失真等安全播出问题。伴随新技术的不断推进，图像效果也会不断提升。此外，对于上变换为4K信号的参数配置和技术分析的不断深入，也是为8K技术开展做好准备工作。

参考文献：

[1]王惠明.高标清同播时期的16：9标清可行性研究，总局广播电视规划院编著

[2]杨勇强.对高清上、下变换使用的思考，电视字幕特技与动画，2009.3.58

[3]罗映辉.关于4K超高清SDR节目上变换到HDR的一点建议，现代电视技术，2018.03.114

[4]Radiocommunication Sector of ITU.High Dynamic RangeTelevision for Production and International Programme Exchange：ITU R BT.2390-2[EB/OL]，2018-06-06

[5]高海珠.浅析下变换器在超高清和高清同播系统中的应用，现代电视技术，2021.003.59