響度差異的數(shù)學量化分析

崔俊生　覃毅力　寧金輝　鄧向冬　張建東

【摘要】本文在對我國響度差異問題進行充分調(diào)研、測試的基礎上，結合我國廣播電視技術體系和運行體系，建立了響度差異原因分析的數(shù)學模型。通過該模型把導致響度差異的各個因素進行分解并量化，分析出導致響度差異的主要因素，同時分析各個因素所對應的技術環(huán)節(jié)和運行環(huán)節(jié)，為響度差異控制提供理論指導。

【關鍵詞】響度控制 響度差異分析 響度差異分析建模

一. 引言

目前，電視節(jié)目響度差異問題造成的影響已經(jīng)越來越大，國際、國內(nèi)主要廣播電視運行機構和相關工程技術人員正在努力解決響度差異問題。電視節(jié)目響度差異問題到底有多嚴重？是什么原因導致響度差異，及其不同原因對響度差異的影響如何？導致響度差異的因素主要涉及哪些技術環(huán)節(jié)和運行環(huán)節(jié)？

本文在我國主要上星節(jié)目的響度實測數(shù)據(jù)與實驗室響度舒適區(qū)試驗數(shù)據(jù)基礎上，首先模擬用戶換臺對測試數(shù)據(jù)進行響度差異的統(tǒng)計分析，其次結合我國廣播電視技術體系與運行體系的分析，建立了電視節(jié)目響度差異分析的數(shù)學模型。通過用數(shù)學模型對實際測量數(shù)據(jù)的分析計算，定量的分析出導致響度差異的各個因素、及其各個因素所導致響度差異的比重。同時對各個因素對應的技術環(huán)節(jié)和運行環(huán)節(jié)進行了分析。根據(jù)這些，可以使我們方便的找出導致響度差異比較大的技術環(huán)節(jié)，并對應到相關運行實體，從而使以較小的代價換取最大程度的改善響度差異成為可能。

二. 廣播電視的基本技術體系和運行體系

目前，我國廣播電視的響度差異問題影響較大的是各個上星的綜合頻道，為了便于理解數(shù)學模型，本文首先對上星綜合頻道的技術體系和運行體系進行簡要的說明。

1. 我國廣播電視運行體系

我國廣播電視運行機構有電視臺、衛(wèi)星地球站、有線電視網(wǎng)絡公司、直播衛(wèi)星運行機構、地面電視運行機構和廣播電視SDH/WDM傳輸網(wǎng)絡。在以上運行機構中，由于直播衛(wèi)星用戶、地面數(shù)字電視用戶與有線電視用戶相比所占比重太少，而且都屬于傳輸覆蓋的運行機構，因此本文以有線網(wǎng)絡公司觀眾的接收鏈路為代表進行闡述。

我國廣播電視基本的運行體系是：電視臺負責制作節(jié)目、購買節(jié)目并播出；電視臺播出的節(jié)目信號通過衛(wèi)星地球站進行傳輸；各地有線網(wǎng)絡公司接收來自衛(wèi)星的廣播電視信號，重新復用后通過有線電視網(wǎng)絡發(fā)送到觀眾家中。

我國廣播電視運行的另一個重要特點是：各上星綜合電視頻道均轉播中央電視臺的新聞聯(lián)播節(jié)目。

2. 我國廣播電視基本技術體系

根據(jù)我國廣播電視的基本運行體系，電視節(jié)目從信號采集到觀眾家中經(jīng)過的技術環(huán)節(jié)如圖1所示。在圖1中，我們可以看到廣播電視信號從電視臺至最終觀眾家中，涉及到的節(jié)目制作、收錄、配音、播出、傳輸、接入等諸多技術環(huán)節(jié)。

根據(jù)傳輸鏈路中涉及的不同單位以及單位內(nèi)不同的部門，對“圖1 廣播信號流程”中的設備/信號處理按照最小化部門功能進行了分組，即按照實際運營機構中可能存在最小部門分工，并抽象為邏輯功能實體；其中每一個邏輯功能實體實現(xiàn)廣播電視信號處理的特定功能，這些功能基本與實際運行中廣播電視運行機構/部門的職能一致或者與運行機構/部門的部分職能一致。因此，實際廣播電視運行機構中的一個單位/部門可能對應一個邏輯功能實體，也可能對應多個邏輯功能實體。

經(jīng)過對我國廣播電視運行體系的調(diào)研分析，我們按照以上分組原則把圖1“廣播電視信號流程圖”中設備進行抽象整理，整理為如圖2所示的廣播電視信號處理鏈路的邏輯功能示意框圖。其中，圖2中的一個邏輯功能實體有可能對應實際運行機構的一個單位/部門，也有可能連續(xù)多個邏輯功能實體對應實際運行機構的一個單位/部門。

根據(jù)我們的調(diào)查、測試與分析，圖2中黃色邏輯功能實體是可能改變節(jié)目響度的地方[1]。

三. 響度測試數(shù)據(jù)介紹

項目組對不同的上星頻道、不同的節(jié)目在不同的時間段進行了測試，積累了大量原始響度數(shù)據(jù)。但是面對這些響度測試數(shù)據(jù)和復雜的廣播電視運行技術體系，很難定性、定量的分析出：

（1）我國目前數(shù)字電視響度差異問題在觀眾實際看電視過程中的嚴重程度；

（2數(shù)字電視各運行機構負責的各個技術環(huán)節(jié)對響度問題定量的影響程度。

只能根據(jù)經(jīng)驗進行定性的初步分析，得出如下結論：

（1）由于節(jié)目形態(tài)各異，節(jié)目出處不同，由節(jié)目制作所產(chǎn)生的響度差異問題普遍存在。如：項目組對中央電視臺1套以及湖北衛(wèi)視、貴州衛(wèi)視、青海衛(wèi)視、遼寧衛(wèi)視、山西衛(wèi)視、四川衛(wèi)視、新疆衛(wèi)視等上星頻道中不同節(jié)目的響度值進行了監(jiān)測，這些節(jié)目的類型包括廣告、電視購物、動畫片、天氣預報、專題片、電視劇、新聞聯(lián)播等。監(jiān)測結果顯示：頻道內(nèi)存在一定的響度差，部分省級衛(wèi)視臺內(nèi)各類節(jié)目的響度差高達10dB，甚至達到14dB；某些省級衛(wèi)視臺廣告類節(jié)目的平均響度比其它類型的節(jié)目的平均響度高，有廣告類節(jié)目的平均響度比轉播新聞聯(lián)播的平均響度高9dB。

（2）另一個響度差異貢獻因素存在于傳輸域：傳輸鏈路增益。在各衛(wèi)視轉播中央電視臺新聞聯(lián)播時，各上星頻道間存在較大的響度差，被測的頻道間最大的響度差達16.6dB。由于測試時的節(jié)目源相同，響度差異為傳輸鏈路增益所致。

因此，我們需要一個數(shù)學模型對大量的響度數(shù)據(jù)進行分析，從而定量的分析出影響響度的各個因素以及出現(xiàn)的環(huán)節(jié)。

四. 總體數(shù)學模型

1. 數(shù)學建模

為了便于分析并解決響度問題，需要把影響節(jié)目響度的各個因素量化并引入到一個數(shù)學模型中，從而便于把復雜的響度問題分解為較簡單的問題，逐一解決。但在國內(nèi)外現(xiàn)有文獻中找不到有關內(nèi)容，以下為我們的提出的數(shù)學模型，以及用數(shù)學模型對大量數(shù)據(jù)的驗算分析。

因此我們定量的得出了我國目前數(shù)字電視響度差異問題在觀眾實際看電視過程中的嚴重程度，也就是說，根據(jù)我國目前的抽樣數(shù)據(jù)：

（1）切換前后，響度差異的平均值達到了7.01dB；

（2）切換前后，觀眾會有明顯響度差異感覺占總切換次數(shù)的64%；

（3）切換前后，觀眾會感覺到響度差異讓人討厭的，占總切換次數(shù)的40%。

可見，我國目前的響度問題相當嚴重。

3. 響度差異的分量分析

通過以上對響度測試數(shù)據(jù)的模擬計算，可見響度問題相當嚴重，但是這些響度差異到底是由那些因素影響呢？不同的因素影響的程度有多大？根據(jù)上述數(shù)學模型，響度的差異主要由于、、 三個分量決定，現(xiàn)在分析、對于觀眾處響度差異的影響。

（2）節(jié)目平均響度的影響

如果各個頻道傳輸鏈路對所傳輸?shù)墓?jié)目無增益，則各個節(jié)目間的平均響度差為，我們對同一頻道的不同電視節(jié)目的平均響度差進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如圖5所示。

同一頻道節(jié)目間平均響度的差的平均值為3.31dB。

4. 數(shù)學模型分析的指導意義

通過上述數(shù)學分析和實例試算，可以知道，要總體上減小頻道/節(jié)目切換前后的響度差值，應主要減小和這兩個分量。

如果能夠控制所有鏈路的，通過播出和傳輸部門的鏈路調(diào)整，將其減小為0或控制不讓其出現(xiàn)較大值，則會使切換頻道/節(jié)目的平均響度差異大大減少。

同時，如果能夠控制，通過節(jié)目制作部門的音頻調(diào)整，所有節(jié)目的平均響度都向同一個標準值靠攏，則節(jié)目間的響度差減小，總的頻道/節(jié)目切換響度差異也減少。B&P

參考文獻

[1]中國電視節(jié)目伴音響度差異情況調(diào)查及原因分析

[2]電視節(jié)目伴音響度控制之相關實驗室研究