數字電視轉換設計指南(I)

2005-02-05 美國安維信公司(NVISION Inc.) 依馬獅網

    一．數字電視環境
    在電視攝制和后期制作系統中使用數字技術已有20多年的歷史。數字產品采用與其模擬對應產品相同的圖像和聲音格式工作，但提供更佳的信號性能（特別是經過多代記錄后）以及在模擬領域不可能做到的強大的處理和編輯能力。
    現在，數字技術為節目制作者提供幾乎無限的創作工具和技術。它允許創作過程的每一個環節的音頻和視頻質量都得到控制，確保最終的作品符合制作者的要求。不過，一旦此素材被傳輸到分配渠道（地面廣播機構、衛星、有線電視設施或錄像帶），它就被轉換為其模擬對等物，而質量控制就完全受所用的傳輸系統支配了。地面廣播機構受信號不良接收特性的煩擾，有線系統常常遭遇交叉調制難題，而不管輸入信號質量如何，模擬消費接收機向觀眾提供的是不甚完美的結果。
    在多年的考慮后，許多國家已經選擇用新數字設施取代其模擬傳輸系統。這些新數字傳輸設施提供的靈活性水平是模擬環境中不能想象的。這種靈活性包括圖像質量和寬高比的選擇、聲道選擇，以及如電子節目指南和交互響應等的數據業務。全部這些新業務都包括用各種選擇的行頻和場頻、圖像寬高比和音頻格式，傳輸高清晰度電視（HDTV）、標準清晰度電視（SDTV）及某些情況下的增強SDTV（EDTV）節目的條款。
    系統要針對預期的傳輸媒介提供適當輸出格式，實現這樣的系統面臨大量的挑戰：（1）新數字業務可能需要容納多種聲音和圖像格式；（2）不同壓縮技術將需要在一個系統內共存；（3）壓縮系統可能產生復雜的信號延遲問題；（4）環繞聲音頻將帶來新信號管理限制；（5）模擬業務將繼續存在多年。
    本講座的目的是幫助確定針對這些挑戰的解決方案，同時著重指出設計、建造或運行這些提供新數字電視業務的系統之人士可能面對的潛在隱患。
    1．圖像和聲音格式
    到現在為止，世界上采用兩種基本圖像格式525/59.94和625/50，兩者皆為2:1隔行掃描。與原有系統的兼容性、技術問題和政治是決定下一代格式的因素。技術上，我們都愿意看到全世界都采用一種標準。這樣一來我們的生活會非常簡單，而且不需了解那么多的東西。但事與愿違，標準非常復雜，并可能為我們提供正在進行工作的保障。
    兩個團體，美國ATSC（高級電視制式委員會）和歐洲DVB（數字視頻廣播）各自制定了圖像、聲音和信號格式的標準。它們已經被各國管理全國通信的政府機構（如美國的聯邦通信委員會FCC）采納和批準為標準。
    DVB格式提供簡單的選擇：一種HDTV格式、一種EDTV格式和兩種SDTV格式。ATSC系統提供大量可傳輸到家庭和ATSC接收機的圖像格式選擇，這些接收機必須全都能顯示它們。
    2．信號傳輸格式
    所有這些可能的圖像格式都能被這些一致同意的數字傳輸標準傳輸嗎?答案是否定的，在標準的取樣率是不可行的。請看下面的例子：
    一個標清525/29.97、4:2:2分量信號具有13.5MHz的取樣率。因此：
    13.5MHz/29.97=450450取樣/幀
    450450/525=858取樣/行
    但是，30Hz幀頻的相同信號算出的結果是：
    13.5MHz/30=450000取樣/幀
    450000/525=857.1428571429取樣/幀
    這是不可行的。為了通過正常的數字傳輸流（SMPTE 259M/ITU 601）分配標清信號，只可能使用29.97的幀頻。事實上所有13.5MHz取樣率的525行信號必須使用基于30/1.001（29.97）的幀頻。進一步的研究表明，此唯一可能傳輸的646×480取樣率必須有29.97的幀頻，且再變換為SMPTE 259M。
    高清信號可從兩個取樣率—74.25MHz（用于整數幀頻）和74.25MHz/1.001（用于與525行兼容）—得到。這意味著與共享公共數據率（270Mb/s）的SDI格式不同，HD-SDI信號有兩種可能的數據率。記住普通提及1.5Gb/s HD傳輸時并沒有告訴你實際的數據率，這很重要。
    有趣的是，許多不同的圖像格式可以通過一個公共串行接口傳輸。
    由于多數圖像格式非直接兼容或可互換，節目制作將要求有特有格式或多格式的設備。任何系統設計都需要適應于支持特定圖像和聲音格式的攝像機、存儲器和編輯設備，即使此連通性要求可能非常普通的情況下都應如此。
    到目前為止，我們僅僅論及了視頻，但數字電視環境的音頻部分存在一些新難題。在ATSC和DVB系統中，音頻容量是5.1聲道，可以包含單聲混合、立體聲、Pro Logic、多語言，以及全環繞聲。
    為傳輸聲音到用戶處，已經開發和標準化了信號壓縮系統—Dolby Digital（AC-3）和MPEG-2，但基帶環繞聲信號的傳輸、存儲和編輯最少需6個通道（3個AES信號）。當前，標準的DVTR無多于4個通道的容量（某些極其專門的HDTV錄像機例外）。此外，如果存在能適應此通道要求的視頻存儲設備（即數字硬盤錄像機），維持精確的相位調準也存在不少復雜的問題。
    為把多聲道音頻處理為一個基帶數據流或在一個中間層的壓縮數據流，定義了接口，硬件正在開發之中。第3講將詳細討論這些技術。
    顯然，待處理的信號格式選擇由每個應用決定。一個標準可能滿足某些應用，而有些標準可能要處理各種各樣的應用。

    二.拍攝/后期制作
    提供攝制或后期制作業務的任何機構面對困難的選擇。為了提供要求的業務，可能需要管理若干種格式。理想情況下，一種其它所有格式都能由其輸出的通用格式將提供一個完美的解決方案。目前，唯一的通用格式是電影（其尺寸可以變化，但電視電影運營商可以對付此情況），但電影剪輯和創造光效是不經濟，不受歡迎的，某些情況下是不可能的。
    當前，國際發行中雙格式后期制作（525/625）非常普遍。電影膠轉磁兩次（每種格式一次）并不罕見，因此避免了視頻制式轉換。實現可接受的高質量轉換是一個非常專業的任務，許多制作人員仍喜歡膠轉磁節目在最后的視頻格式下的外觀。這要求大多數節目被轉換和編輯兩次，因此成本大大高于只為本地分配制作的節目。隨著世界通信系統的迅速發展，對國際節目發行的需求也不斷增加。
    增加新圖像格式可能會令節目生產的后期制作部分增加大量的成本，并且要求設計非常復雜的技術系統以適應所有需要的標準。
    后期制作界的討論集中于產生一種可用于所有拍攝和后期制作階段期間的電子電影格式，作品完成后，此格式接著轉換為每個發行渠道所要求的傳輸格式。
    此格式理想的候選者是1080P/24，它為電影直接的電子等效格式，易于轉換為所有可能的幀頻，又不會引入討厭的運動失真。可以使用簡單的行內插法獲得可能的行頻。圖1表示1080P/24（1/1001格式時為23.97）通過重復場或幀的處理被轉換為基于30/29.97的格式。此處理確實在物體某些速度和方向上產生可察覺的運動“抖動”。（抖動是電影幀被2和3個幀/場交替顯示的結果）但它被公認為所有24幀電影轉換為NTSC視頻的標準慣例。轉換到25幀格式要求4.1%的變速，這影響運行時間，并對音頻內容增加了一個變調。