高標(biāo)清會議電視系統(tǒng)兼容技術(shù)分析與實現(xiàn)

袁富芳?

摘 ?要：隨著科技發(fā)展，高清會議電視設(shè)備越來越多的應(yīng)用于新建工程中，標(biāo)清會議電視設(shè)備逐步被替代，在設(shè)備更新?lián)Q代期間，同一會議電視系統(tǒng)必須兼容兩種標(biāo)準(zhǔn)，才能完成正常會議功能。兼容系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是完成高標(biāo)清信號的相互轉(zhuǎn)換。本文首先介紹高清與標(biāo)清會議電視系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和特點，然后進(jìn)行高清轉(zhuǎn)換標(biāo)清技術(shù)分析，最后介紹高清與標(biāo)清兼容會議電視系統(tǒng)實例。

關(guān)鍵詞：高清與標(biāo)清兼容;會議電視系統(tǒng);技術(shù)分析與實現(xiàn)

中圖分類號：TN948.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-8122（2015）12-0123-03

隨著高清視頻技術(shù)的發(fā)展，高清晰度的攝像機(jī)、顯示器設(shè)備性價比日趨合理，新建的電視會議系統(tǒng)紛紛采用高清標(biāo)準(zhǔn)，高清會議電視系統(tǒng)呈高速發(fā)展的趨勢。由于資金限制或投資主體不同，原來建設(shè)的省級、市、縣標(biāo)清電視會議系統(tǒng)，不可能同時改造成為高清系統(tǒng)，還要繼續(xù)使用。這樣，在國家、省、市、縣幾級同一個會議電視系統(tǒng)中既有標(biāo)清信號，還有高清信號，那么這個系統(tǒng)必須是高清與標(biāo)清兼容的會議電視系統(tǒng)，才能保證會議正常召開，實現(xiàn)此兼容系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是高清信號與標(biāo)清信號的相互轉(zhuǎn)換。

一、高清、標(biāo)清會議電視系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與特點

會議電視系統(tǒng)由三部分組成，第一部分是通過攝像機(jī)采集的視音頻信號，第二部分是經(jīng)編解碼器編碼傳輸，第三部分是通過顯示器和音箱設(shè)備播放。系統(tǒng)集成時采集、編碼、播放三部分都采用高清設(shè)備的叫高清會議電視系統(tǒng)。三部分中有任何一部分采用標(biāo)清設(shè)備，都不是高清會議電視系統(tǒng)。

（一）高標(biāo)清采集和顯示設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)特點

標(biāo)清和高清顯示器和攝像機(jī)，主要從分辨率、寬高比兩個指標(biāo)來確定。

國際電信聯(lián)盟-無線電標(biāo)準(zhǔn)部制定的ITU—R BT.601標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視SDTV是：分辨率720X576、總有效象素41萬、畫幅寬高比4︰3、場頻50Hz、隔行掃描。簡稱576/50i。ITU—R BT.709-3標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定高清晰度數(shù)字電視HDTV是：分辨率1920X1080、總有效像素207萬、畫幅寬高比16︰9、場頻50Hz、隔行掃描。簡稱1080/50i[1]。

美國電影電視工程師協(xié)會，制定SMPTE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高清分普通高清和全高清。全高清的有兩種，隔行掃描方式用i表示，逐行掃描方式用P表示。分辨率是水平1920個像素數(shù)，垂直是1080個像素數(shù)，記為1920*1080，簡寫為“1080/50i”或“1080/50P”。普通高清的分辨率是水平1280個像素數(shù)，垂直720個像素數(shù)，記為1280*720，采用逐行掃描方式，簡寫為720/60p”。

對應(yīng)國家廣播電影電視總局2000年8月公布GY/T155—2000行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分辨率為1920*1080i、1920*1080p、1280*720p，寬高比為16：9稱為高清。分辨率低于1280*720p，寬高比為4：3稱為標(biāo)清。具體指分辨率為480i、576i、625i視頻格式。例如VCD的CIF（分辨率為352*288）、DVD的4CIF（分辨率為704*576）圖像[2]。

標(biāo)清攝像機(jī)像素在40～50萬之間，成像器件為1/4CCD或者CMOS。而對于高清攝像機(jī)，像素在100～200萬之間，成像器件為3*1/3CCD或者CMOS。

（二）高標(biāo)清編解碼器的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特點

會議電視編解碼設(shè)備的作用是將開會地點（主會場）視音頻信號通過編碼器按照圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，變換成不同碼率的傳輸信號，傳送到收看會議地點（分會場），通過解碼器變換成高標(biāo)清信號在顯示器播放。

1.高標(biāo)清圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)。通信網(wǎng)中會議電視使用的圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，滿足ITU-T國際電信聯(lián)盟-電信標(biāo)準(zhǔn)部制定的H.261、H.262、H.263、H.264協(xié)議。常使用的標(biāo)清視頻會議圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)是H.261、H.263，高清視頻會議圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)是H.264。各標(biāo)準(zhǔn)使用范圍和特點如下：

H.261標(biāo)準(zhǔn)支持QCIF（176*144）和CIF（352*288）圖像輸入格式，采用衡定碼流可變質(zhì)量編碼，通過2M傳輸碼率的PCM傳輸標(biāo)清會議電視信號。也適用于P*64kbps速率的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）傳輸電視電話。H.261傳送運動圖像比傳送靜止圖像差。

H.262是為異步傳輸模式ATM制定的會議電視標(biāo)準(zhǔn)，支持各種分辨率圖像格式，通過4M帶寬傳輸視頻信號，壓縮比低，數(shù)據(jù)量大，不便傳輸，適用于通過寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）信道傳輸。

H.263標(biāo)準(zhǔn)支持4CIF和16CIF等5種圖像輸入格式，傳輸帶寬20K-24Kbps，提供更好圖像質(zhì)量，節(jié)省帶寬和存儲空間，安裝方便，可二次開發(fā)，與H.261比較采用半像素運動補(bǔ)償，增加了4種有效編碼模式。不僅適用于通過公共交換電話網(wǎng)和電路交換網(wǎng)絡(luò)傳輸，也適用于流媒體和英特網(wǎng)傳輸。

H.264標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合前幾個標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點，使用了整數(shù)變換、空域內(nèi)的幀內(nèi)預(yù)測等很多先進(jìn)的技術(shù)，提高了算法的復(fù)雜度，具有較高的壓縮比，傳輸帶寬1M。適用不同碼率和分辨率范圍視頻輸入。適用于電路交換網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)傳輸。是ITU-T和ISO/IEC制定的目前使用范圍較廣的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264技術(shù)非常適合視頻會議，主要特點如下：（1）高壓縮比。比其他編碼標(biāo)準(zhǔn)減小一半以上碼率;（2）網(wǎng)絡(luò)和時延適應(yīng)性更強(qiáng)。既可用于會議電視等實時業(yè)務(wù)，又可用于視頻存儲等無時延限制的業(yè)務(wù);（3）適用不同碼率和分辨率，范圍更廣;（4）質(zhì)量和編解碼復(fù)雜度分級設(shè)計，高質(zhì)量運動圖像處理能力;（5）不同廠家生產(chǎn)的視頻會議設(shè)備容易集成，互通性好[3]。

2.高標(biāo)清會議電視音頻標(biāo)準(zhǔn)。對于標(biāo)清視頻會議音頻編碼協(xié)議，通常使用G.711/G.722/G.728等標(biāo)準(zhǔn)，頻響范圍300HZ-3400HZ，采樣率8KHZ，每路聲音占用帶寬為8K-64K，單聲道。高清視頻會議音頻編解碼協(xié)議，國際電聯(lián)推出了G.722.1Annexc/MPEG4-AAC系列。頻響范圍14KHZ/20HZ- 20KHZ，雙聲道，不但有處理44KHz立體聲效果的音頻編碼能力，也必須能處理立體聲回聲抑制。

3.高標(biāo)清會議電視常用接口。常用的標(biāo)清視頻接口有RF射頻接口、RCA蓮花端子、S端子，常用高清視頻接口有DVI、HDMI、HD-SDI、displayport。高標(biāo)清混合使用的VGA、YPbPr、BNC。接口主要特點如下：

（1）RF射頻接口。標(biāo)清顯示設(shè)備最常見的視頻接口，接口傳輸視頻、音頻混合編碼信號，缺點是容易互相干擾，畫面輸出質(zhì)量較差[4]。

（2）RCA蓮花接口，也叫復(fù)合視頻。通常用黃色接頭，同一信道傳輸亮度和色度模擬信號，缺點是分離不好時會出現(xiàn)虛影。

（3）S端子，也叫S-Video，英文Separate Video。常用視頻輸出接口，亮度和色度分離輸出，S端子是五芯接口，一路公共屏蔽地線，兩路亮度視頻信號、兩路色度視頻信號組成。因為分別傳送亮度和色度信號，S端子效果要好于蓮花接口，圖像的清晰度有所提高。缺點是抗干擾弱，傳輸距離不超過7米。

（4）YPbPr接口。也叫色差分量接口，不是數(shù)字接口，是模擬視頻接口，將亮度、色度（Pb、Pr兩個）分成3路傳輸，用綠色傳輸亮度信號，紅色和藍(lán)色傳輸顏色差別信號。傳輸速率較低30MHZ，傳輸距離較長50米，YPbPr的接頭可以使用同軸電纜和BNC接頭，也可用普通蓮花頭，傳輸線價格便宜，傳輸質(zhì)量效果比S端子好。

（5）BNC接口，英文“Bayonet Nut Connector”，同軸電纜卡環(huán)形接口。視頻信號輸入線分別接收紅、綠、藍(lán)、垂直、水平同步信號，這種接頭能把是視頻中三基色分開，由于同軸電纜屏蔽功能，使其具有傳輸視頻信號距離長，互相間干擾少的特點，而且由于接口設(shè)計獨特連接非常緊，不宜松動。常用專業(yè)級監(jiān)視器，PCM傳輸設(shè)備E1接口。

（6）VGA接口。廣泛用于顯卡，是顯示器主要接口，所傳輸?shù)哪M信號輸出到顯示器上，VGA共有15針空，2根不接信號、3根顯示數(shù)據(jù)總線和5個GND信號，3根RGB彩色分量信號和2根掃描同步信號。傳輸損耗小，不失真、不重影。

（7）DVI接口。英文“Digital Visual Interface”，中文數(shù)字視頻接口。用于傳輸速率高，傳輸距離不遠(yuǎn)的控制中心機(jī)房到高清監(jiān)視器、大屏之間的接口。傳輸速率為8Gbps，傳輸有效距離為5米左右。與VGA的區(qū)別是DVI傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此減少了數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換過程，數(shù)字圖像信息直接被傳送到顯示設(shè)備上。圖像質(zhì)量高，傳輸速率高。DVI接口分為兩種，一個是DVI-D接口，只能接收數(shù)字信號，接口上只有3排8列共24個針腳，其中右上角的一個針腳為空。不兼容模擬信號。另外一種則是DVI-I接口，可同時兼容模擬和數(shù)字信號[5]。

（8）DisplayPort接口。是DVI接口升級，同時支持外置和內(nèi)置顯示，內(nèi)置的可用于筆記本電腦。與DVI接口的區(qū)別是，它在傳輸視頻信號的同時傳輸高清音頻信號，支持更高的分辨率和刷新率。

（9）HDMI接口。英文是“High Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒體接口。DVI的強(qiáng)化和延伸，兩者可兼容，無需在信號傳送前進(jìn)行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換，與DVI一樣是矩陣到高清監(jiān)視器、大屏拼接墻之間常用接口。不同的是，HDMI可以同時傳送無壓縮高清視頻信號和音視頻信號，HDMI接口傳輸速率5Gbps，可自動協(xié)商輸出格式，只需要一條HDMI線，便可以替代多條模擬傳輸線同時傳送視頻、音頻信號，傳輸質(zhì)量高。最遠(yuǎn)可傳輸15米[6]。

（10）HD-SDI接口。高清串行數(shù)據(jù)接口，高清會議電視攝像機(jī)、光端機(jī)、矩陣等常用接口。HD-SDI是根據(jù)SMPTE292M協(xié)議，規(guī)定傳輸速率為1.485Gb/s或1.485/1.001 Gb /s，還規(guī)定數(shù)據(jù)格式、信道編碼方式，連接光纜、電纜、接頭的類型。優(yōu)點是未壓縮、低時延、易安裝、低成本，傳輸距離長，有效距離為100M，超過100M必須使用中繼器。

二、高標(biāo)清轉(zhuǎn)換技術(shù)分析

要實現(xiàn)高標(biāo)清會議電視的兼容，關(guān)鍵是如何完成高標(biāo)清會議電視信號的相互轉(zhuǎn)換。高清信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)清信號通常稱為下變換，標(biāo)清信號轉(zhuǎn)換為高清信號通常稱為上變換。上、下變換就是分辨率和寬高比變換。上面我們對高清和標(biāo)清信號進(jìn)行了對比，下面我們來看看高標(biāo)清信號如何相互轉(zhuǎn)換（如圖1所示）。

圖1 ?高標(biāo)清變換的信號處理流程[7]

第一個步驟是去隔行。輸入高標(biāo)清視頻信號有隔行掃描、逐行掃描，通過不同的去隔行算法，完成高標(biāo)清逐行掃描與隔行掃描變換。上、下變換器去隔行算法很多，常用的去隔行算法有兩大類，線性濾波和非線性濾波。線性濾波算法有空間線性濾波、時間線性濾波、時空線性濾波。比較簡單，占用資源少，但變換質(zhì)量差;非線性濾波算法有運動自適應(yīng)算法、運動補(bǔ)償算法。比較復(fù)雜，算法精度高，占用的存儲和計算資源多，變換質(zhì)量好。

第二個步驟是重采樣。SD 視頻與HD視頻的上下變換，需要一個分辨率進(jìn)行處理過程。上變換是通過信號內(nèi)插提高數(shù)字信號的取樣頻率，可分別在垂直方向和水平方向上插值，改變輸出分辨率，圖像下變換時，通過濾波器抽取原有信號的取樣點值，增大采樣的點空間距離，從而降低每行的水平行和垂直行有效像素，實現(xiàn)圖像格式的轉(zhuǎn)換。

第三步驟是彩色空間轉(zhuǎn)換處理。由于不同制式的SD信號和HD信號其色域不同，進(jìn)行如上、下轉(zhuǎn)換等格式變換時，需考慮彩色空間轉(zhuǎn)換。即從YCrCb域到XYZ域，然后又從XYZ域回到Y(jié)CrCb域。常用的彩色空間轉(zhuǎn)換方法有兩種，一種方法是簡單線性轉(zhuǎn)換，但有轉(zhuǎn)換誤差20%，另一種技術(shù)，即在進(jìn)行彩色矩陣處理之前，把信號源先還原，這種處理精度高，增加了復(fù)雜性，用于高端格式轉(zhuǎn)換器。

第四個步驟是寬高比轉(zhuǎn)換。上、下變換中寬高比轉(zhuǎn)換是必須進(jìn)行的。SD素材的寬度與高度之比為4︰3，HD素材的寬高比為16︰9。主要是通過對圖像進(jìn)行裁剪、拉伸、擠壓處理，調(diào)整圖像形狀，完成寬高比變換。SD上變換采用模式有擴(kuò)展、信箱、加邊三種變換模式。HD下變換采用模式有壓縮、信箱、切邊三種變換模式。4︰3 變換到16︰9我們通常使用加邊模式，16︰9變換到4︰3 通常使用切邊模式[8]。

第五步驟是圖像增強(qiáng)。在上變換之后，變換后的圖像，無法達(dá)到期望的HD清晰度，如果提升信號高頻部分來增加清晰度，又產(chǎn)生噪音，因此在圖像增強(qiáng)之前一般會通過濾波器采取降噪處理。濾波器對整體圖像質(zhì)量起增強(qiáng)了作用，但同時也使圖像部分細(xì)節(jié)產(chǎn)生模糊。對圖像輪廓銳度進(jìn)行增強(qiáng)校正可以增強(qiáng)圖像的亮度細(xì)節(jié)和彩色細(xì)節(jié)。對細(xì)節(jié)增強(qiáng)通常是通過數(shù)學(xué)方法提升高頻成分來提高圖像的對比度，以達(dá)到提高圖像清晰度的效果。

上下變換的關(guān)鍵技術(shù)，是通過去隔行、重采樣、彩色空間轉(zhuǎn)換改變分辨率，再進(jìn)行寬高比轉(zhuǎn)換和細(xì)節(jié)增強(qiáng)，實現(xiàn)高標(biāo)清信號的變換。

三、高清和標(biāo)清會議電視兼容系統(tǒng)的實現(xiàn)

我們在實際工作中，通過添加上、下變換器（高清轉(zhuǎn)標(biāo)清和標(biāo)清轉(zhuǎn)高清設(shè)備）實現(xiàn)了新建高清省級控制中心與原有的標(biāo)清分會場、市縣會議電視系統(tǒng)兼容，經(jīng)過 200多場會議檢驗，達(dá)到會議電視系統(tǒng)的驗收規(guī)范的要求，聲音和圖像均符合標(biāo)準(zhǔn)。

如圖2所示，新建的省級高清控制中心，將高清信號通過下變換器變?yōu)闃?biāo)清信號，經(jīng)編解碼后轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送到分會場矩陣和調(diào)音臺召開會議。分會場標(biāo)清信號通過上變換器變成高清信號，送到控制中心矩陣和調(diào)音臺使用。各市的標(biāo)清信號通過4*E1先送到多點會議控制設(shè)備MCU，再上變換為高清信號與高清矩陣和調(diào)音臺使用。

上轉(zhuǎn)換器，將標(biāo)清視頻轉(zhuǎn)換為高清數(shù)字視頻，同時具有音頻加嵌功能。輸出分辨率可手動調(diào)節(jié)，符合SMPTE424M，SMPTE292M，SMPTE259M，SMPTE297M，SMPTE305M，SMPTE310M標(biāo)準(zhǔn)。自動適應(yīng)143M，177M，270M，360M，540M，1483.5M，1485M，2970Mbps速率。

下轉(zhuǎn)換器，將高清數(shù)字視頻信號，轉(zhuǎn)換為標(biāo)清信號。自動識別輸入高清信號，無須手動選擇。符合SMPTE424M，SMPTE292M，SMPTE259M，SMPTE297M，SMPTE305M，SMPTE310M標(biāo)準(zhǔn)。自動適應(yīng)143M，177M，270M，360M，540M，1483.5M，1485M，2970Mbps速率，信號輸入具有自動電纜均衡功能。

圖2 ?高清和標(biāo)清會議電視兼容系統(tǒng)圖

四、結(jié) 語

近幾年，高清視頻及技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)趨勢，無論是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)、高清電視都逐步向越來越清晰發(fā)展，新建的電視會議系統(tǒng)也紛紛采用高清標(biāo)準(zhǔn)。隨著高清設(shè)備使用越來越多，標(biāo)清電視會議系統(tǒng)將逐步被高清系統(tǒng)替代，在標(biāo)清與高清會議電視系統(tǒng)長期共存過程中。會議電視控制中心必須兼容高清會議電視系統(tǒng)與標(biāo)清會議電視的系統(tǒng)，才能保證會議系統(tǒng)運行正常。本文首先介紹高清與標(biāo)清會議電視技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點，并對高清轉(zhuǎn)換標(biāo)清進(jìn)行技術(shù)分析，通過在控制中心增加上、下轉(zhuǎn)換器，從而實現(xiàn)高清會議電視系統(tǒng)與標(biāo)清會議電視系統(tǒng)兼容，既保證了會議正常召開，又為會議電視系統(tǒng)逐步實現(xiàn)高清化探索一條可行之路。

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[責(zé)任編輯：艾涓]