淺談視頻文件幀頻轉(zhuǎn)換的一些方法及常見問題

□劉海蘭 李海彬 李榮瑋 黎朗

淺談視頻文件幀頻轉(zhuǎn)換的一些方法及常見問題

□劉海蘭 李海彬 李榮瑋 黎朗

國內(nèi)電視的播出幀頻是25幀/秒，但很多攝錄設(shè)備并不按此幀頻進(jìn)行拍攝，要將這些視頻在電視上播出，必須進(jìn)行幀頻轉(zhuǎn)換。本文主要闡述幀頻轉(zhuǎn)換的一些技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，并針對幀頻轉(zhuǎn)換的一些方法進(jìn)行重點(diǎn)介紹和分析。

幀頻；電視制式；采樣時(shí)間

在使用非編系統(tǒng)制作電視節(jié)目時(shí)，常常會(huì)遇到不同攝錄設(shè)備產(chǎn)生的視頻文件，既有記者使用專業(yè)攝像機(jī)拍攝的視頻，也有通過相機(jī)、手機(jī)拍攝的視頻，但在節(jié)目制作中，一些電腦上播放流暢的視頻，經(jīng)過非編軟件處理后在電視機(jī)上播出時(shí)，畫面卻出現(xiàn)抖動(dòng)，這是怎么回事呢？較大的可能是原始視頻的幀頻與電視播出的幀頻不同造成的。

一、電視制式和幀頻

在模擬電視時(shí)代，電視分為NTSC、PAL、SECAM三大制式。

（一）NTSC制式電視的分辨率為720×480，幀頻為每秒29.97幀(一般簡化為30幀)，場頻為每秒60場，這種制式的色度信號(hào)調(diào)制特點(diǎn)為平衡正交調(diào)幅制，即包括了平衡調(diào)制和正交調(diào)制兩種。

（二）PAL制式電視的分辨率為720×576，幀頻為每秒25幀，場頻為每秒50場，它對同時(shí)傳送的兩個(gè)色差信號(hào)中的一個(gè)色差信號(hào)采用逐行倒相，另一個(gè)色差信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制方式，是中國目前使用的制式。

（三）SECAM制式電視的分辨率為720×576，幀頻為每秒25幀，場頻為每秒50場，在信號(hào)傳輸過程中，亮度信號(hào)每行傳送，而兩個(gè)色差信號(hào)則逐行依次傳送。

幀頻（frame rate）是指每秒鐘放映或顯示的幀或圖像的數(shù)量。因?yàn)橐郧暗碾娨暀C(jī)使用顯像管來成像，所以三大制式都采用隔行掃描的方式，即將1幀畫面分為奇數(shù)場和偶數(shù)場來顯像，因而場頻是幀頻的一倍。

由于三大制式之間的參數(shù)不同，在使用錄像機(jī)進(jìn)行電視節(jié)目的編輯時(shí)，不同制式的錄像帶是不能互相兼容的，制式間的轉(zhuǎn)換也需要專門的設(shè)備，一般很少進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在數(shù)字電視時(shí)代，電視制式被漸漸忽略了，至少在節(jié)目制作域中，它已經(jīng)被淡化了。因?yàn)殡娨曀夭牡膩碓?，已不僅僅是用專業(yè)的攝像機(jī)來錄制的視頻，手機(jī)、照相機(jī)、攝像頭等設(shè)備都可以錄制視頻并以文件的方式存儲(chǔ)，這些文件是沒有制式之說的。

但是視頻的幀頻對于電視的播出仍然是重要的，因?yàn)閲鴥?nèi)各電視臺(tái)的節(jié)目播出，標(biāo)清采用PAL制，高清采用1080 50i，其幀頻都是25幀/秒，在使用非編軟件制作電視節(jié)目時(shí)，無論原始視頻的幀頻是多少，最終必須轉(zhuǎn)換為25幀/秒，而幀頻的轉(zhuǎn)換可能會(huì)影響最終的節(jié)目成像質(zhì)量。

二、幀頻和采樣間隔時(shí)間的關(guān)系

人眼視覺惰性的活動(dòng)閾值是每秒24次，即每秒鐘連續(xù)顯示24幅以上的不同靜止畫面時(shí)人眼就會(huì)感覺圖像是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的而不會(huì)把它們分辨為一幅幅靜止畫面。

在拍攝電視時(shí)，視頻的錄制并不是連續(xù)的，而是每隔一個(gè)固定的時(shí)間拍攝一幀畫面并記錄下來，播放時(shí)再按拍攝的速度進(jìn)行重放，由于相鄰兩幀畫面的間隔時(shí)間很短，人眼看來就是連續(xù)的了。

根據(jù)設(shè)置的幀頻，可以確定每秒記錄幾幀畫面，以及相鄰兩幀畫面的采樣間隔時(shí)間，它與幀頻的計(jì)算公式為：采樣間隔時(shí)間=1000毫秒÷幀頻。當(dāng)幀頻為25幀/秒時(shí)，1000÷25=40毫秒，30幀/秒時(shí)約等于33.33毫秒，50幀/秒時(shí)等于20毫秒，每幀畫面的時(shí)間戳將按這個(gè)間隔遞增。

拍攝時(shí)使用的幀頻越高，記錄的畫面就越多，圖象細(xì)節(jié)也會(huì)更豐富。在一些體育賽事的轉(zhuǎn)播中，經(jīng)常會(huì)使用高速攝像機(jī)以電視幀頻兩倍以上的速度錄制視頻信號(hào)，再將錄制幀頻轉(zhuǎn)換為電視的播出幀頻；而在慢動(dòng)作重放時(shí)，這些在正常播出時(shí)沒有用到的畫面發(fā)揮了很大的作用，它讓我們看到的慢動(dòng)作過程是連貫的而不是卡頓的。

看到這里，你可能會(huì)有一種感覺，就是從高的幀頻轉(zhuǎn)為低的幀頻是沒有損失的，就像將一張4000×2250像素的照片，縮小到1920×1080像素，放到1280×720的顯示器里觀看，圖片的質(zhì)量并不會(huì)降低。那幀頻從高向低轉(zhuǎn)換，是否也是這樣的？這個(gè)需要看情況而定。圖1是25幀/秒分別與30幀/秒、50幀/秒的采樣時(shí)間對比。

從圖1可以知道，除原點(diǎn)（即0ms）外，25幀/秒與30幀/秒每秒鐘內(nèi)對畫面進(jìn)行采樣的時(shí)間點(diǎn)位是不相同的；而50幀/秒采樣畫面的時(shí)間點(diǎn)，會(huì)與25幀/秒的出現(xiàn)重合周期。

當(dāng)采用播出幀頻的倍頻錄制視頻時(shí)，如50幀/秒，將其幀頻降為25幀/秒，只需將50幀/秒的畫面每兩幀抽取1幀，即可降為25幀/秒，視頻的連續(xù)性基本不會(huì)有任何的影響，音頻也不會(huì)不同步，這就是為什么高速攝像機(jī)采用多倍頻進(jìn)行記錄的原因。

而如果是反過來將25幀/秒提升至50幀/秒時(shí)也很方便，將25幀畫面每幀寫入2次即可，雖然畫質(zhì)沒有提高，但不會(huì)出現(xiàn)任何問題。

圖1 視頻采樣記錄時(shí)間

但將幀頻從30幀/秒轉(zhuǎn)至25幀/秒，或者反方向轉(zhuǎn)換時(shí)，就沒有這么幸運(yùn)了，由于兩者的采樣間隔時(shí)間不成整數(shù)倍關(guān)系，無論如何處理，都會(huì)對視頻的連續(xù)性和視音頻的同步產(chǎn)生些許影響。

三、降低幀頻的常用方法

國內(nèi)電視制式的幀頻是25幀/秒，而手機(jī)、相機(jī)拍攝時(shí)常用的幀頻是30幀/秒，一方面拍攝者可能不清楚幀頻對電視播出的影響，另一方面某些手機(jī)、相機(jī)不支持以25幀/秒拍攝，因此幀頻從30幀/秒降為25幀/秒是比較常見的，下面介紹幾種降低幀頻的方法。

（一）丟棄部分幀并重組視頻

這種方法常見于轉(zhuǎn)碼軟件，轉(zhuǎn)換時(shí)將每秒30幀的圖像，每隔數(shù)幀丟棄1幀，將剩下的25幀重新組成1秒的視頻，圖2是轉(zhuǎn)碼軟件FFMPEG降幀頻后每秒保留的原幀畫面。

圖2 FFMPEG降幀頻后的畫面分解

降幀頻后，每秒內(nèi)的30幀畫面，其中的第5、11、17、23、29幀被抽走并丟棄，不再出現(xiàn)在新組成的視頻中，并且除了第1幀外，其它各幀的采樣時(shí)間也發(fā)生了變化，如表1所示。

表1降頻前、后采樣時(shí)間及偏差值

從表1可知，新組成的各幀畫面，采樣時(shí)間最慢的是滯后原視頻畫面約21ms，最快的是超前6ms，即有些畫面出來得慢了，有些又出來得快了，加上丟棄了5幀，畫面的

連續(xù)性較差，并且視音頻會(huì)產(chǎn)生輕微的不同步。

（二）相鄰兩幀做透明疊加融合

這種方法多見于非編軟件，如Edius、大洋非編軟件等，它們的做法是將相鄰的兩幀進(jìn)行一個(gè)類似于半透明的過渡處理，圖3是Edius降幀頻后重新生成的畫面。

從圖3可知，相鄰的兩幀畫面按不同的透明比例進(jìn)行疊加融合，并重新渲染為新的一幀畫面，從某種意義上來說，這里沒有丟棄任何一幀畫面，因此畫面的連續(xù)性可以得到保證，但是又產(chǎn)生一個(gè)新的問題，即融合后的畫面可能會(huì)產(chǎn)生少許的重影、模糊、拖尾。

圖3 Edius降幀頻后的視頻分解圖

這種方式處理的視頻，其各幀的采樣時(shí)間已不好估算，無法計(jì)算出轉(zhuǎn)換后各幀的超前和滯后情況，但視音頻輕微不同步現(xiàn)象仍然不可避免。

（三）降速變換

這種方法有點(diǎn)像慢放，即將原來每秒鐘播放30幀改為播放25幀，但后面的5幀并不丟棄，而是放到下一秒鐘，原來1秒鐘的視頻變成了1秒加200毫秒，由于每秒鐘的視頻變慢了，因此音頻也要作相應(yīng)的調(diào)整，這樣才能保證聲畫同步。由于轉(zhuǎn)換工序復(fù)雜，并且視頻明顯變慢，這種方法并不常見，僅在一些特殊情況下使用。

綜上，在原始幀頻與播出幀頻不存在倍頻關(guān)系的條件下，無論采用上述的何種處理方式，在降低幀頻后，畫面都會(huì)產(chǎn)生一定的失真。

四、提高幀頻的常用方法

提高幀頻的方法與降低幀頻的差不多，基本上就是其逆運(yùn)算過程。

（一）按比例重復(fù)插幀：根據(jù)源幀頻與目標(biāo)幀頻的差值，每隔數(shù)幀向目標(biāo)視頻插入一幀，如15幀/秒提高至25幀/秒時(shí)，平均每1.66幀插入相鄰的1幀。

（二）某兩相鄰幀疊加產(chǎn)生第3幀：原幀畫面不變，根據(jù)轉(zhuǎn)換幀頻的比例，某兩幀畫面按不同的透明度疊加產(chǎn)生新的第3幀。

（三）全部相鄰幀疊加產(chǎn)生多幀：全部畫面重新渲染，相鄰兩幀按不同的透明度產(chǎn)生多幀。

當(dāng)幀頻低于人眼視覺惰性的活動(dòng)閾值時(shí)，由于原始畫面的細(xì)節(jié)丟失嚴(yán)重，無論通過何種方式，基本上無法提高畫面質(zhì)量。

五、結(jié)語

當(dāng)視頻的錄制幀頻與電視幀頻不是整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，是一個(gè)比較難以處理的情況，轉(zhuǎn)換后的視頻肯定會(huì)有一些失真。文中談及的幾種轉(zhuǎn)換方法，并未提及何種方法更優(yōu)，這需要根據(jù)視頻畫面的構(gòu)成而定。我們要做的是，將轉(zhuǎn)換失真降到最低點(diǎn)，在有條件的情況下，盡可能采用幾種方法做轉(zhuǎn)換，在完成的視頻文件中挑選一個(gè)效果最好的。

（作者單位：廣西電視臺(tái)新聞中心）