演播系統(tǒng)中高、標(biāo)清信號(hào)的應(yīng)用

孟慶昆 徐州廣播電視臺(tái)

一、引言

我臺(tái)600平米演播室改造完成投入使用后，視音頻系統(tǒng)依靠轉(zhuǎn)播車來完成節(jié)目的錄制工作。后決定將原200平米演播室的4訊道標(biāo)清錄制系統(tǒng)改建至600平米使用，以完成演播室獨(dú)立錄制節(jié)目的要求。現(xiàn)600平米演播室內(nèi)新建了一塊56平米高清LED顯示屏，與高清屏連接的信號(hào)處理器為DVI信號(hào)輸入，需要解決的問題是如何給大屏幕提供高清信號(hào)，同時(shí)又能將同一信號(hào)送給標(biāo)清系統(tǒng)完成錄制。

演播室改造需完成：

1. 原有標(biāo)清系統(tǒng)繼續(xù)使用，系統(tǒng)包括4臺(tái)標(biāo)清攝像機(jī)，KAYAK切換臺(tái)，SOUNDCRAFT調(diào)音臺(tái)，以及標(biāo)清信號(hào)分配系統(tǒng)，同步系統(tǒng)，TALLY系統(tǒng)等。

2. 演播室高清LED屏幕，彩幕等需要高清信號(hào)源，LED屏幕接口為DVI，需要解決接口匹配等問題。

3. 在保證信號(hào)質(zhì)量的前提下，高清信號(hào)系統(tǒng)需要與原有標(biāo)清系統(tǒng)對(duì)接、互通，完成正常節(jié)目制作需求。

二、LED屏幕顯示系統(tǒng)組成

1. 硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用的Blackmagic的ATEM Television Studio經(jīng)濟(jì)型SDI/HDMI廣播級(jí)切換臺(tái)，SDI TO DVI Extender，一臺(tái)軟件切換臺(tái)控制機(jī)，一臺(tái)高清非編系統(tǒng)。LED屏幕顯示系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

■ATEM Television Studio經(jīng)濟(jì)型SDI/HDMI廣播級(jí)切換臺(tái)

ATEM Television Studio是世界首款將專業(yè)切換臺(tái)和廣播級(jí)H.264編碼器結(jié)合在一起的直播制作切換臺(tái),采用全數(shù)字10 bit設(shè)計(jì)，切換臺(tái)具備6路視頻輸入：2路SDI輸入，2路HDMI輸入，2路SDI/HDMI選擇輸入，每路`視頻輸入都配有一個(gè)幀同步器。

■AVID 高清非編系統(tǒng)

主機(jī)：AVID非編工作站。CPU：1個(gè)Xeon E5503處理器，內(nèi)存：8G DDR3顯卡：AMD HD6850 1G（帶HDMI接口），硬盤：1TB。

■AVID MOJO DX外置卡

主機(jī)與計(jì)算機(jī)連接方式：PCIe。

視頻連接： SDI（SD 和 HD，復(fù)合接口）。

音頻連接： 8 通道嵌入式 SD-SDI 音頻 I/O，16 通道道嵌入式 HD-SDI 音頻 I/OM，8 通道光纖 ADAT I/O，2 通道光纖 S/PDIF I/O。

模擬音頻： 2 通道 1/4 英寸 TRS I/O，立體聲耳機(jī)輸出（3.5 毫米 TRS）。

監(jiān)控： HDMI 輸出（支持所有速率，包括全高清1920 x 1080 HD）。

同步：黑場(chǎng)信號(hào)或高清三電平輸入。

■SDI TO HDMI轉(zhuǎn)換器

BlackmagicMini Converte可以將SDI轉(zhuǎn)換為帶有內(nèi)嵌HDMI音頻的HDMI視頻，再通過HDMI轉(zhuǎn)DVI的接口變?yōu)镈VI信號(hào)送給LED屏幕處理器，完成HDSDI信號(hào)接入LED屏幕的功能。HDMI在針腳上與DVI兼容，只是采用了不同的封裝，傳輸無損的數(shù)字視頻信號(hào)，HDMI接口在輸出端可完全兼容DVI接口，因此接口的轉(zhuǎn)換并不會(huì)使信號(hào)質(zhì)量下降而影響畫質(zhì)。

2. 軟件系統(tǒng)

■ATEM Control Panel軟件切系統(tǒng)。

使用一根網(wǎng)線將控制機(jī)與切換主機(jī)連接并安裝軟件，軟件運(yùn)行界面見圖2。

軟件界面采用了熟悉的M／E風(fēng)格操作方式，有在傳統(tǒng)切換臺(tái)上常見的切換（Cut）、混合（Mix）和劃像（Wipe）特技功能，標(biāo)配的2個(gè)媒體播放器幀存可自定義字幕和圖標(biāo)，提供一個(gè)支持色鍵、類型鍵、形狀鍵和線性鍵的上游鍵，還提供兩個(gè)下游鍵和獨(dú)立的漸黑鍵（FTB），同時(shí)ATEM的多畫面分割功能允許在一臺(tái)SDI或HDMI電視機(jī)或監(jiān)視器上同時(shí)顯示10路視頻畫面。顯示畫面可以通過切換選擇，可以自定義標(biāo)簽，也可以在預(yù)監(jiān)顯示器上設(shè)定安全框；多畫面分割顯示提供Tally功能，正在播出的視頻源畫面周邊以紅色邊框標(biāo)示，而預(yù)監(jiān)視頻源畫面周邊以綠色邊框標(biāo)示。

三、高、標(biāo)清系統(tǒng)的互聯(lián)

1. 原演播室標(biāo)清信號(hào)系統(tǒng)由4臺(tái)池上攝像機(jī)，KAYAK ME 2.5級(jí)特技臺(tái)，監(jiān)視系統(tǒng)，信號(hào)分配系統(tǒng)，通話系統(tǒng)，同步系統(tǒng)等組成，可以滿足正常演播室的錄制需求。

2. 高、標(biāo)清系統(tǒng)的互連主要是解決兩套系統(tǒng)間的信號(hào)公用問題，標(biāo)清至高清的上變換和高清至標(biāo)清的下變換的解決方案是通過BLACKMAGIC Teranex 2D處理器來完成高、標(biāo)清信號(hào)的變換。

■BLACKMAGIC Teranex處理器

Teranex利用豐富的寬高比選項(xiàng)和多向?qū)菫V波器消除了畫面中的“鋸齒”，可將NTSC或PAL制式的SD視頻轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量720HD或1080HD視頻，還可將高清視頻源下變換為高質(zhì)量SD信號(hào)。它的高質(zhì)量去隔行技術(shù)和多向?qū)菫V波器，可將1080HD和720HD視頻轉(zhuǎn)換成各種寬高比的標(biāo)清視頻格式。Teranex具有時(shí)域遞歸降噪功能，可用于消除傳輸鏈路、磁帶或攝像機(jī)造成的視頻噪點(diǎn)。提供完全可調(diào)式畫幅尺寸設(shè)定功能。該功能可用于自定義畫面寬高比，或用于裁去圖像邊緣的瑕疵，并重構(gòu)畫面。Teranex支持豐富的寬高比選項(xiàng)，包括可變寬高比和固定寬高比，并支持主動(dòng)填充。其自有的Smart Aspect技術(shù)會(huì)在4:3到16:9寬高比變換時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行彎曲處理，讓畫面看起來不會(huì)有拉伸的痕跡。

3. 上、下變換方式

由標(biāo)清信號(hào)轉(zhuǎn)換為高清信號(hào)的格式變換稱作上變換，由高清信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)清信號(hào)的格式變換則稱作下變換。高、標(biāo)清信號(hào)由于掃描格式的不同，每行有效像素和每幀有效行數(shù)都不同，它們之間的上、下變換主要是通過空間域的插值和抽取濾波器來實(shí)現(xiàn)行速率和像素的變換。

上變換時(shí)，首先將隔行標(biāo)清信號(hào)通過去隔行變成逐行標(biāo)清信號(hào)，然后將此逐行標(biāo)清信號(hào)（一幀包含625行）通過上采樣（內(nèi)插）的方式變成一幀包含5625（625和1125的最小公倍數(shù)）行的逐行信號(hào)，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行濾波（防止混疊），再進(jìn)行下采樣（抽?。┳兂梢粠?125行的逐行高清信號(hào)，最后通過隔行變成隔行高清信號(hào)。

下變換時(shí)，首先將隔行高清信號(hào)通過去隔行變成逐行高清信號(hào)，然后將此逐行高清信號(hào)（一幀包含1125行）通過上采樣（內(nèi)插）的方式變成一幀包含5625（625和1125的最小公倍數(shù)）行的逐行信號(hào)，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行濾波（防止混疊），再進(jìn)行下采樣（抽?。┳兂梢粠?25行的逐行標(biāo)清信號(hào)，最后通過隔行變成隔行標(biāo)清信號(hào)。

■上下變換的幅型模式

高清信號(hào)的畫面寬高比為16：9，而標(biāo)清信號(hào)則為4：3，在上、下變換過程中，必然需要考慮到幅型變換的問題。

由標(biāo)清（4：3）上變換至高清（16：9）有三種幅型模式。

①上下切邊模式：將原4：3圖像上下各切掉一部分，使圖像充滿整個(gè)16：9屏幕，畫面比例保持不變，但損失一部分畫面內(nèi)容。

②左右加邊模式：將原4：3圖像垂直方向充滿屏幕，水平方向左右各加一條黑邊，畫面比例保持不變，且保留全部畫面內(nèi)容。

③拉伸模式：將原4：3圖像垂直方向充滿屏幕，水平方向拉伸至充滿整個(gè)16：9屏幕，雖然保留了全部畫面內(nèi)容，但畫面產(chǎn)生橫向變形。

由高清（16：9）下變換至標(biāo)清（4：3）也有三種幅型模式。

①信箱模式：將原16：9圖像水平方向充滿屏幕，垂直方向上下各加一條黑邊，畫面比例保持不變，且保留全部畫面內(nèi)容，但清晰度有損失。

②切邊模式：將原16：9圖像垂直方向充滿屏幕，水平方向左右各切掉一部分，畫面比例保持不變，清晰度好，但損失一部分畫面內(nèi)容。

③壓縮模式：將原16：9圖像垂直方向充滿屏幕，水平方向壓縮至充滿整個(gè)4：3屏幕，雖然保留了全部畫面內(nèi)容且清晰度好，但畫面產(chǎn)生橫向變形。

根據(jù)我臺(tái)節(jié)目制作需要，選擇的上變換方式為左右加邊模式，下變換則采用了切邊模式。

四、高、標(biāo)清兩套系統(tǒng)的同步

原標(biāo)清系統(tǒng)配置有同步機(jī)，為系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備提供模擬BB信號(hào)，對(duì)于從ATEM Television Studio特技臺(tái)通過Mini Converters完成高清至標(biāo)清的下變換輸入的信號(hào)，必須經(jīng)過同步板卡（或經(jīng)錄像機(jī)環(huán)出），加入同步信號(hào)后，才能進(jìn)入系統(tǒng)，避免切換信號(hào)時(shí)畫面的跳動(dòng)。

ATEM Television Studio特技臺(tái)的每個(gè)視頻輸入都配有一個(gè)自動(dòng)幀同步器，因此輸入信號(hào)的同步問題不需解決。

五、實(shí)際應(yīng)用

LED屏幕的信號(hào)輸入是通過ATEM切換臺(tái)的切換來實(shí)現(xiàn)的。ATEM切換臺(tái)具有HD-SDI、HDMI接口，同時(shí)切換軟件可以導(dǎo)入圖片做為一路信號(hào)源，以下是幾種不同信號(hào)源的實(shí)際使用。

1. HD-SDI的輸入

導(dǎo)播室內(nèi)放置了一臺(tái)AVID高清非編系統(tǒng)，并配有MOJO視音頻接口卡，可以輸出高質(zhì)量HD-SDI信號(hào)給切換臺(tái)，平時(shí)制作節(jié)目時(shí)最常用到的是用AVID非編播放相關(guān)欄目視頻，選手資料，宣傳片等。用非編來播放視頻的優(yōu)點(diǎn)是：可以隨時(shí)調(diào)整多個(gè)視頻的播放順序，隨時(shí)增加、刪減視頻內(nèi)容。

Teranex 2D處理器將來自標(biāo)清系統(tǒng)的信號(hào)上變換為高清信號(hào)送至ATEM Television Studio特技臺(tái)。

2. HDMI輸入

電腦上很多應(yīng)用是非編無法實(shí)現(xiàn)的，如播放PPT，播放實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻、動(dòng)畫等。利用HDMI端口接入電腦信號(hào)后，最方便的就是把這些平時(shí)應(yīng)用很多，但不容易接入系統(tǒng)的信號(hào)接入切換臺(tái)，豐富了演播室節(jié)目制作形式。以播放PPT為例：打開要播放的PPT后，選擇“幻燈片放映”→“顯示位置”→“第二顯示器”，這樣在播放PPT時(shí)，通過切換臺(tái)就可以在大屏幕上顯示了。同時(shí)，在筆記本端仍可以方便的進(jìn)行其它操作，比如：即時(shí)修改PPT內(nèi)容等。

3. 本地靜態(tài)圖片

可通過導(dǎo)入本地或U盤上的靜態(tài)圖片做為一路信號(hào)源來使用。選擇“Media”頁面，在頁面左側(cè)選擇圖片，拖拉圖片至右側(cè)框內(nèi)（最多載入20個(gè)圖片），載入后即可通過切換臺(tái)將圖片切出至大屏幕。

同時(shí)，主切換面板還可以選擇不同顏色的色塊做為主背景，這個(gè)選項(xiàng)用的最多的是檢查屏幕是否有壞點(diǎn)。

六、結(jié)束語

這套高、標(biāo)清兼容的演播系統(tǒng)在我臺(tái)已使用了半年，每周制作2-4檔節(jié)目，Blackmagic等設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，與原有標(biāo)清信號(hào)系統(tǒng)兼容較好，解決了我臺(tái)在高、標(biāo)清信號(hào)共用階段的兼容問題。