数字电视转换设计指南(I)

2005-02-05 美国安维信公司(NVISION Inc.) 依马狮网

    一．数字电视环境
    在电视摄制和后期制作系统中使用数字技术已有20多年的历史。数字产品采用与其模拟对应产品相同的图像和声音格式工作，但提供更佳的信号性能（特别是经过多代记录后）以及在模拟领域不可能做到的强大的处理和编辑能力。
    现在，数字技术为节目制作者提供几乎无限的创作工具和技术。它允许创作过程的每一个环节的音频和视频质量都得到控制，确保最终的作品符合制作者的要求。不过，一旦此素材被传输到分配渠道（地面广播机构、卫星、有线电视设施或录像带），它就被转换为其模拟对等物，而质量控制就完全受所用的传输系统支配了。地面广播机构受信号不良接收特性的烦扰，有线系统常常遭遇交叉调制难题，而不管输入信号质量如何，模拟消费接收机向观众提供的是不甚完美的结果。
    在多年的考虑后，许多国家已经选择用新数字设施取代其模拟传输系统。这些新数字传输设施提供的灵活性水平是模拟环境中不能想象的。这种灵活性包括图像质量和宽高比的选择、声道选择，以及如电子节目指南和交互响应等的数据业务。全部这些新业务都包括用各种选择的行频和场频、图像宽高比和音频格式，传输高清晰度电视（HDTV）、标准清晰度电视（SDTV）及某些情况下的增强SDTV（EDTV）节目的条款。
    系统要针对预期的传输媒介提供适当输出格式，实现这样的系统面临大量的挑战：（1）新数字业务可能需要容纳多种声音和图像格式；（2）不同压缩技术将需要在一个系统内共存；（3）压缩系统可能产生复杂的信号延迟问题；（4）环绕声音频将带来新信号管理限制；（5）模拟业务将继续存在多年。
    本讲座的目的是帮助确定针对这些挑战的解决方案，同时着重指出设计、建造或运行这些提供新数字电视业务的系统之人士可能面对的潜在隐患。
    1．图像和声音格式
    到现在为止，世界上采用两种基本图像格式525/59.94和625/50，两者皆为2:1隔行扫描。与原有系统的兼容性、技术问题和政治是决定下一代格式的因素。技术上，我们都愿意看到全世界都采用一种标准。这样一来我们的生活会非常简单，而且不需了解那么多的东西。但事与愿违，标准非常复杂，并可能为我们提供正在进行工作的保障。
    两个团体，美国ATSC（高级电视制式委员会）和欧洲DVB（数字视频广播）各自制定了图像、声音和信号格式的标准。它们已经被各国管理全国通信的政府机构（如美国的联邦通信委员会FCC）采纳和批准为标准。
    DVB格式提供简单的选择：一种HDTV格式、一种EDTV格式和两种SDTV格式。ATSC系统提供大量可传输到家庭和ATSC接收机的图像格式选择，这些接收机必须全都能显示它们。
    2．信号传输格式
    所有这些可能的图像格式都能被这些一致同意的数字传输标准传输吗?答案是否定的，在标准的取样率是不可行的。请看下面的例子：
    一个标清525/29.97、4:2:2分量信号具有13.5MHz的取样率。因此：
    13.5MHz/29.97=450450取样/帧
    450450/525=858取样/行
    但是，30Hz帧频的相同信号算出的结果是：
    13.5MHz/30=450000取样/帧
    450000/525=857.1428571429取样/帧
    这是不可行的。为了通过正常的数字传输流（SMPTE 259M/ITU 601）分配标清信号，只可能使用29.97的帧频。事实上所有13.5MHz取样率的525行信号必须使用基于30/1.001（29.97）的帧频。进一步的研究表明，此唯一可能传输的646×480取样率必须有29.97的帧频，且再变换为SMPTE 259M。
    高清信号可从两个取样率—74.25MHz（用于整数帧频）和74.25MHz/1.001（用于与525行兼容）—得到。这意味着与共享公共数据率（270Mb/s）的SDI格式不同，HD-SDI信号有两种可能的数据率。记住普通提及1.5Gb/s HD传输时并没有告诉你实际的数据率，这很重要。
    有趣的是，许多不同的图像格式可以通过一个公共串行接口传输。
    由于多数图像格式非直接兼容或可互换，节目制作将要求有特有格式或多格式的设备。任何系统设计都需要适应于支持特定图像和声音格式的摄像机、存储器和编辑设备，即使此连通性要求可能非常普通的情况下都应如此。
    到目前为止，我们仅仅论及了视频，但数字电视环境的音频部分存在一些新难题。在ATSC和DVB系统中，音频容量是5.1声道，可以包含单声混合、立体声、Pro Logic、多语言，以及全环绕声。
    为传输声音到用户处，已经开发和标准化了信号压缩系统—Dolby Digital（AC-3）和MPEG-2，但基带环绕声信号的传输、存储和编辑最少需6个通道（3个AES信号）。当前，标准的DVTR无多于4个通道的容量（某些极其专门的HDTV录像机例外）。此外，如果存在能适应此通道要求的视频存储设备（即数字硬盘录像机），维持精确的相位调准也存在不少复杂的问题。
    为把多声道音频处理为一个基带数据流或在一个中间层的压缩数据流，定义了接口，硬件正在开发之中。第3讲将详细讨论这些技术。
    显然，待处理的信号格式选择由每个应用决定。一个标准可能满足某些应用，而有些标准可能要处理各种各样的应用。

    二.拍摄/后期制作
    提供摄制或后期制作业务的任何机构面对困难的选择。为了提供要求的业务，可能需要管理若干种格式。理想情况下，一种其它所有格式都能由其输出的通用格式将提供一个完美的解决方案。目前，唯一的通用格式是电影（其尺寸可以变化，但电视电影运营商可以对付此情况），但电影剪辑和创造光效是不经济，不受欢迎的，某些情况下是不可能的。
    当前，国际发行中双格式后期制作（525/625）非常普遍。电影胶转磁两次（每种格式一次）并不罕见，因此避免了视频制式转换。实现可接受的高质量转换是一个非常专业的任务，许多制作人员仍喜欢胶转磁节目在最后的视频格式下的外观。这要求大多数节目被转换和编辑两次，因此成本大大高于只为本地分配制作的节目。随着世界通信系统的迅速发展，对国际节目发行的需求也不断增加。
    增加新图像格式可能会令节目生产的后期制作部分增加大量的成本，并且要求设计非常复杂的技术系统以适应所有需要的标准。
    后期制作界的讨论集中于产生一种可用于所有拍摄和后期制作阶段期间的电子电影格式，作品完成后，此格式接着转换为每个发行渠道所要求的传输格式。
    此格式理想的候选者是1080P/24，它为电影直接的电子等效格式，易于转换为所有可能的帧频，又不会引入讨厌的运动失真。可以使用简单的行内插法获得可能的行频。图1表示1080P/24（1/1001格式时为23.97）通过重复场或帧的处理被转换为基于30/29.97的格式。此处理确实在物体某些速度和方向上产生可察觉的运动“抖动”。（抖动是电影帧被2和3个帧/场交替显示的结果）但它被公认为所有24帧电影转换为NTSC视频的标准惯例。转换到25帧格式要求4.1%的变速，这影响运行时间，并对音频内容增加了一个变调。