由幀頻轉(zhuǎn)換技術(shù)看不同高清電視系統(tǒng)的差別

韓振雷，侯慶來

（山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，山東 淄博 255049）

1 高清電視系統(tǒng)規(guī)格簡介

根據(jù)分辨力不同，高清電視系統(tǒng)可分為兩種：1080系統(tǒng)和720系統(tǒng)。1080系統(tǒng)有1 920×1 080和1 440×1 080兩種規(guī)格，另外有1 080i和1 080p兩種掃描方式。720系統(tǒng)只有1 280×720一種規(guī)格且只有720p一種逐行掃描方式。除此之外，兩種高清系統(tǒng)分別采用了不同的下拉變換技術(shù)，其輸出信號的格式不同——720系統(tǒng)輸出信號的幀結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的逐行幀，而1080系統(tǒng)在逐行模式下輸出的是具有隔行特征的“分段幀”。表1給出了兩種高清電視系統(tǒng)的部分技術(shù)規(guī)格[1-2]，其中29.97，59.94，60均指NTSC電視系統(tǒng)，25和50為PAL電視系統(tǒng)，23.98 f/s（幀/秒）是拍攝數(shù)字電影的幀速率標(biāo)準(zhǔn)?！癷”表示隔行，“p”表示逐行，PsF意為來自逐行幀的分段幀。

表1 兩種高清電視系統(tǒng)的部分視頻規(guī)格

下面以下拉變換技術(shù)為主線，剖析兩種高清電視系統(tǒng)的主要區(qū)別。

2 1080高清系統(tǒng)的2∶2下拉變換

表中的2∶2是2∶2 Pull down的簡寫，意為2∶2下拉變換，其作用是實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)畫面數(shù)量的倍增。逐行掃描有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在相同條件下數(shù)據(jù)碼流是隔行掃描2倍的缺點(diǎn)。對于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）的高幀率模式，由于數(shù)據(jù)碼率太高，目前還不被現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備所支持。但是如果攝像機(jī)以25 f/s（PAL制）或29.97 f/s（NTSC制）記錄并輸出逐行信號，由于刷新頻率太低，在視頻回放時(shí)畫面不流暢，頓挫感嚴(yán)重。通過2∶2下拉變換，在保持逐行信號優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可使畫面的刷新頻率提高一倍，保證了回放時(shí)的畫面流暢，在存儲、編輯、傳輸和顯示等方面，極大地降低了對技術(shù)和設(shè)備的要求。

1080系統(tǒng)采用幀拆分方式進(jìn)行2∶2下拉變換，基本原理是將一幀畫面的所有奇數(shù)行和偶數(shù)行進(jìn)行拆分，使一個(gè)逐行幀變?yōu)閮蓚€(gè)分段幀——一個(gè)類似隔行掃描奇數(shù)場的奇數(shù)行分段幀和一個(gè)類似偶數(shù)場的偶數(shù)行分段幀，這樣就可以將25p或29.97p的逐行信號轉(zhuǎn)換為50i或59.94i的“隔行”信號，圖像的數(shù)據(jù)量、解析度及同等存儲容量下的記錄時(shí)間均保持不變，但刷新頻率得以倍增，逐行信號的優(yōu)點(diǎn)得以繼承，并且在后期編輯可以很容易地通過合并兩個(gè)相鄰的分段幀恢復(fù)原始的逐行幀，變換原理如圖1所示。

這里的50i和59.94i是在25p和29.97p的基礎(chǔ)上，將一個(gè)逐行幀拆分成兩個(gè)具有隔行特征的分段幀而得來的，這樣的信號并不是真正的隔行信號，因?yàn)椴鸱趾蟮膬蓤鰞?nèi)容是來自同一幀畫面，兩者的信息幾乎完全相同，原來相鄰的兩個(gè)圖像行雖然被拆分到兩個(gè)幀結(jié)構(gòu)中，但回放時(shí)兩者在空間位置上仍然是相鄰的圖像行，相鄰行之間的時(shí)間差是系統(tǒng)掃描的行周期，時(shí)間為微秒級，非常短暫，可以忽略不計(jì)。如果是真正的隔行信號，回放時(shí)在空間位置上相鄰的圖像行之間的時(shí)間差是系統(tǒng)掃描的場周期，時(shí)間是毫秒級，當(dāng)水平方向上畫面快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在逐行顯示的終端上就會出現(xiàn)明顯的鼠齒（Mouse Teeth）現(xiàn)象。另外，通過幀拆分而產(chǎn)生的分段幀信號在播放時(shí)不會出現(xiàn)原生隔行信號常見的行間閃爍（Interline Twitter）現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)由于并行原因而導(dǎo)致的垂直分辨力下降問題。因此，通過幀拆分下拉變換而產(chǎn)生的50i或59.94i分段幀信號，雖然具有隔行信號的形式特征，但卻仍然保持著逐行信號的屬性和優(yōu)點(diǎn)。

如果輸出、記錄的均是拆分變換后的50i或59.94i的分段幀信號，這樣的記錄格式即29.97p over 59.94i或25p over 50i，輸出格式則稱為29.97 PsF over 59.94i或25 PsF over 50i；如果輸出格式不變，而記錄的是拆分前的25p或29.97p逐行幀信號，那么其記錄格式是29.97p-29.97pN或25p-25pN，字母N指“Native”，即記錄的是原生逐行幀。

事實(shí)上，通過幀拆分產(chǎn)生的兩個(gè)分段幀，既不是傳統(tǒng)意義上基于隔行掃描的奇數(shù)場或偶數(shù)場，也不再是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的逐行幀。在松下和索尼的攝像機(jī)上，將這種由逐行幀拆分而產(chǎn)生的分段幀叫做Progressive segmented Frame[3]，意即將逐行幀拆分而成的片斷幀，縮寫為PsF，或干脆進(jìn)一步縮寫為sF。將逐行幀拆分為分段幀是一種隔行化（Interlacing）處理手段，通過下拉變換分別將畫面刷新頻率從29.97 Hz（NTSC制）和25 Hz（PAL制）倍增到59.94 Hz和50 Hz，根本目的是提高畫面的刷新頻率，克服回放時(shí)畫面的頓挫現(xiàn)象。

3 1080高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換

1080高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換也是采用幀拆分方式，原理如圖2所示（含上拉變換）。

圖2中，A，B，C，D為4個(gè)原始的逐行幀。幀拆分的過程是：A逐行幀拆分為一個(gè)奇數(shù)行分段幀Ao和偶數(shù)行分段幀Ae；B逐行幀拆分為一個(gè)奇數(shù)行分段幀Bo和偶數(shù)行分段幀Be，然后再復(fù)制一個(gè)奇數(shù)行分段幀Bo；C幀也是拆為Ce和Co兩個(gè)分段幀；D幀和B幀拆分情況類似，只是分段幀的順序稍有不同。這樣，4個(gè)原始的逐行幀就拆分為10個(gè)具有隔行特征的分段幀，其中5個(gè)奇數(shù)行分段幀，5個(gè)偶數(shù)行分段幀，且奇、偶分段幀正好交錯(cuò)相連，在后期編輯時(shí)可以很方便地將相鄰的兩個(gè)分段幀合并，恢復(fù)為符合NTSC標(biāo)準(zhǔn)的逐行電視信號，這一過程叫做反2∶3下拉變換或2∶3上拉變換（Pull up）。由于變換過程是以4個(gè)原始幀為周期，以2∶3∶2∶3的規(guī)律循環(huán)變化，所以簡稱為2∶3下拉變換，變換的結(jié)果是將23.98p的電影格式變換為59.94i的NTSC制電視標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有的NTSC制隔行電視系統(tǒng)完全兼容。從表1可以看出，不管是哪一種高清系統(tǒng)，2∶3下拉變換僅適用于電影標(biāo)準(zhǔn)到NTSC制電視標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，另外這種變換與50 Hz的PAL制電視系統(tǒng)完全沒有關(guān)系。1080高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換輸出格式均為23.98 PsF over 59.94i，但記錄格式也有23.98p over 59.94i（記錄PsF分段幀）和23.98p-23.98pN（記錄原生逐行幀）兩種情況。

4 720高清系統(tǒng)的2∶2下拉變換

720高清系統(tǒng)的2∶2下拉變換不是采用幀拆分方式，而是采用了更為簡單的幀復(fù)制方式——通過直接復(fù)制每一幀原始逐行畫面，從而產(chǎn)生數(shù)量倍增的逐行幀，達(dá)到刷新頻率提高一倍的目的，其本質(zhì)是一種幀倍頻技術(shù)，變換原理如圖3所示。

幀復(fù)制方式的2∶2下拉變換，變換前后都是標(biāo)準(zhǔn)的逐行幀，可以將25p或29.97p的逐行幀轉(zhuǎn)換為50p或59.94p的逐行幀，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)的碼率也增大了1倍，同等存儲容量的記錄時(shí)間縮短1倍，對應(yīng)的行掃描頻率也提高1倍。

720系統(tǒng)的輸出幀速為50 f/s（PAL制）或59.94 f/s（NTSC制），在記錄方面則有兩種情況，一種是只記錄2∶2變換前的原始逐行幀，即25p-25pN或29.97p-29.97pN的原生記錄格式，另一種是直接以50p或59.94p進(jìn)行拍攝并記錄，這種情況輸出畫面不需要進(jìn)行倍頻處理即可獲得流暢的回放效果。嚴(yán)格說來，這才是真正的720p高清格式，缺點(diǎn)是同等條件下，數(shù)據(jù)碼率增大一倍，對記錄、編輯、傳輸?shù)忍岢隽烁叩囊蟆?/p>

5 720高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換

720高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換也是采用簡單的幀復(fù)制方式，基本原理與幀拆分方式的2:3下拉變換一樣，也是以4個(gè)原始幀為循環(huán)周期，幀復(fù)制的規(guī)律是2∶3∶2∶3…，變換的結(jié)果是將23.98p的電影標(biāo)準(zhǔn)變換為59.94p的NTSC制逐行電視標(biāo)準(zhǔn)，變換前后的畫面均為逐行幀，但變換后的數(shù)據(jù)量是變換前的2.5倍。720高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換只記錄23.98p的有效原生幀，另外這種下拉變換也和PAL制電視系統(tǒng)沒有關(guān)系。限于篇幅，示意圖從略。

6 結(jié)束語

綜上所述，1080系統(tǒng)以幀拆分方式進(jìn)行下拉變換，輸出畫面的幀率提高以后，數(shù)據(jù)碼率與變換前及同等頻率的原生隔行信號完全一樣。720系統(tǒng)以幀復(fù)制方式進(jìn)行下拉變換，變換后的幀率提高以后，數(shù)據(jù)碼率等也相應(yīng)地提高1倍（2∶2下拉變換）或1倍以上（2∶3下拉變換）。換句話說，PsF分段幀只出現(xiàn)在1080系統(tǒng)中，720系統(tǒng)不需要幀拆分技術(shù)。表2是索尼BVM-L231廣播級主控監(jiān)視器的部分技術(shù)規(guī)格及對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，通過對其解讀不難理解為什么兩種高清系統(tǒng)會存在這一差別。

從表2可以看出，1 920×1 080/50p和1 920×1 080/60p兩種高清系統(tǒng)，和幀速低1倍的其他1080系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)相比，需要高1倍的水平掃描頻率，另外其傳輸接口的采樣頻率、系統(tǒng)碼率等也都需要提高1倍，這對存儲、編輯、傳輸和顯示等諸多環(huán)節(jié)都提出了極高要求。再就是，1 920×1 080/50p和1 920×1 080/60p兩種高清標(biāo)準(zhǔn)，在10 bit量化，4∶2∶2采樣時(shí)，必須通過雙鏈路HD-SDI或3G-SDI高清數(shù)字接口才能正常傳輸（其他高清標(biāo)準(zhǔn)只有在4∶4∶4采樣時(shí)，才需要雙鏈路HD-SDI或3G-SDI接口傳輸，這種采樣結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)在個(gè)別的專門面向數(shù)字電影發(fā)布的頂級攝像機(jī)中），而一般的編輯系統(tǒng)和顯示終端是不支持這類接口的。因此，考慮到技術(shù)、成本等因素，目前各國的高清電視標(biāo)準(zhǔn)都不支持1080高清系統(tǒng)的50p/60p格式。通過幀拆分變換技術(shù)將逐行幀變換為分段幀，既可保持?jǐn)?shù)據(jù)碼率、采樣頻率、掃描頻率不變，又提高了刷新頻率，在記錄、編輯、傳輸、顯示等方面與現(xiàn)有的隔行系統(tǒng)完全兼容。因此，通過2∶2或2∶3下拉變換技術(shù)，將逐行幀拆分為具有隔行特征同時(shí)又保留逐行優(yōu)勢的分段幀，無疑是一種科學(xué)而現(xiàn)實(shí)的“權(quán)宜之計(jì)”。至于720系統(tǒng)，由于其分辨力及每幀畫面的像素?cái)?shù)相對要低得多，即使采用50p/60p的高幀率格式，其數(shù)據(jù)碼率、采樣及掃描頻率等也和低1倍幀率的1080系統(tǒng)相差無幾，完全被現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備所支持。因此，高幀率的720p高清系統(tǒng)除分辨力不占優(yōu)勢外，其他方面的表現(xiàn)略優(yōu)于1080系統(tǒng)。這也是兩種高清系統(tǒng)并存，分別為不同國家所采用的主要原因。

表2 兩種高清系統(tǒng)的部分技術(shù)規(guī)格及對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)

[1]松下電器（中國）有限公司.AJ-HPX3700MC、AJ-HPX2700MC產(chǎn)品目錄[EB/OL].[2010-08-11].http：//panasonic.cn/support/download/4939.

[2]韓振雷.XDCAM無帶化存儲攝像機(jī)的技術(shù)規(guī)格及應(yīng)用選型[J].電視技術(shù)，2009，33（6）：74-76.

[3]Progressive segmented frame[EB/OL].[2010-08-11].http：//en.wikipedia.org/wiki/Progressive_segmented_frame.