高清晰度電視制作的技術(shù)基礎(chǔ)
電視信號的數(shù)字化和基于數(shù)字化的壓縮編碼算法是高清晰度電視制作最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，這兩項革命性的技術(shù)發(fā)展都是在標(biāo)清數(shù)字化時代完成的，可以說標(biāo)清電視的數(shù)字化技術(shù)奠定了高清電視制作的基礎(chǔ)。在美國一般把數(shù)字標(biāo)清和高清統(tǒng)稱為數(shù)字電視——DTV，因為它們的技術(shù)基礎(chǔ)是相同的。
壓縮編碼技術(shù)是數(shù)字時代最偉大的發(fā)明之一，電視信號的壓縮編碼處理降低了傳輸和記錄碼率，使數(shù)字化記錄成為可能。降低數(shù)字電視信號碼率的方法有兩種，一種是非壓縮的預(yù)濾波（亞取樣）處理，另一種是壓縮編碼。壓縮編碼算法還可以分為無損壓縮和有損壓縮兩種，在實際的產(chǎn)品中為降低記錄碼率通常是把非壓縮與壓縮編碼技術(shù)混合使用，以達到在有限資源（碼率）的條件下實現(xiàn)圖像質(zhì)量、成本與可靠性的平衡。
采用先進的壓縮編碼技術(shù)后標(biāo)清數(shù)字電視信號的碼率降低到了前期拍攝的攝錄一體機能夠處理的水平，從90年代開始廣播級標(biāo)清數(shù)字攝錄一體機和錄像機開始產(chǎn)品化。與標(biāo)清相比高清的數(shù)據(jù)量要大得多，但遺憾的是目前的技術(shù)水平并沒有完全超越數(shù)字標(biāo)清時代，因此各廠家必須在上一代技術(shù)平臺的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高清攝錄一體機的產(chǎn)品化。這是一個巨大的挑戰(zhàn)，HDCAM就是Sony對這個挑戰(zhàn)的回答。
預(yù)濾波
標(biāo)清數(shù)字攝錄一體機技術(shù)平臺的基礎(chǔ)是磁帶記錄和基于DCT（離散余弦變換）的壓縮編碼，這其中一個是記錄媒體技術(shù)，另一個是壓縮編碼技術(shù)。高清的數(shù)據(jù)量是標(biāo)清的5至6倍，很明顯實現(xiàn)高清記錄必須從提高記錄媒體的讀寫速度、存儲容量以及更高效率的壓縮編碼算法入手。
磁帶這種傳統(tǒng)的記錄媒體既可以記錄模擬信號也可以記錄數(shù)字信號，是成本最低、技術(shù)最成熟的線性記錄媒體。目前使用最廣泛的磁帶平臺有1/2英寸和1/4英寸兩種，經(jīng)過多年不斷的研發(fā)磁帶的讀寫速度已經(jīng)幾乎達到了技術(shù)極限：1/2英寸磁帶平臺最高的有效碼率已經(jīng)達到了440/880Mb/s，在合理的成本和可靠性的基礎(chǔ)上1/2英寸磁帶平臺的有效記錄碼率大約是200Mb/s，1/4英寸磁帶平臺的最高有效碼率達到了100Mb/s，分別是標(biāo)清時代的2倍左右。很明顯，只靠提高磁帶平臺的性能是不能滿足高清記錄需求的。
除了線性的磁帶以外近年來非線性的記錄媒體如硬盤、光盤和閃存等也開始被引入到前期拍攝的攝錄一體機中，在電視制作技術(shù)越來越IT化的趨勢下非線性記錄媒體與后期非線性編輯設(shè)備具有的天然親和性可以減少上下載時間，提高工作效率。不過與磁帶相比目前非線性記錄媒體還不能完全滿足前期高清記錄的高碼率、大容量、低成本以及穩(wěn)定可靠的要求。
既然靠改善記錄媒體性能來提高碼率不能完全滿足前期高清記錄的需求，那么就必須在降低記錄碼率上做文章了。前面已經(jīng)談到，降低數(shù)字電視信號碼率的方法有兩種，一種是非壓縮的預(yù)濾波（亞取樣）處理，另一種是壓縮編碼。目前使用最廣泛的基于DCT的壓縮編碼是一種有損算法，采用幀內(nèi)編碼時其壓縮比超過6:1就會有可見的圖像質(zhì)量損失，因此簡單地在DCT編碼方案的基礎(chǔ)上通過增大壓縮比降低碼率的方法是行不通的，必須采用壓縮效率更高的編碼方案才能在保證圖像質(zhì)量的前提下降低碼率。近年來各公司投入了大量資源研發(fā)新一代高效率壓縮算法，不過到目前為止這些新的壓縮編碼方案還沒有在廣播級攝錄一體機上實現(xiàn)產(chǎn)品化。
理想與現(xiàn)實終究是存在差距的，在提高記錄媒體性能和改善壓縮編碼效率都不能滿足高清記錄要求的情況下現(xiàn)實的選擇就只有非壓縮的預(yù)濾波了。所謂預(yù)濾波（亞取樣）就是通過降低亮度和彩色信號的分辨率來減少有效信息量，這與模擬電路采用低通濾波器降低信號帶寬的方法是完全相同的。具體地說HDCAM記錄的每行亮度信號取樣點數(shù)量從ITU-R709規(guī)定的1920減少到1440，色度信號的每行取樣點數(shù)量也從ITU規(guī)定的960減少到480，也就是通常所說的從4:2:2降低到了3:1:1。與此相對應(yīng)HDCAM的亮度信號記錄帶寬從ITU規(guī)定的30MHz降低到了24MHz，色度信號帶寬則從ITU的15MHz降低到了7.5MHz，這樣在8比特量化時1080/60i高清信號的有效碼率就從995Mb/s降低到了622Mb/s，數(shù)據(jù)量減少了將近40%。
預(yù)濾波是靠犧牲分辨率來降低碼率的，這是一個在現(xiàn)有技術(shù)條件下現(xiàn)實的選擇。在碼率被限定的情況下不降低分辨率就要增大壓縮比，而在壓縮編碼效率不能提高的情況下增大壓縮比的結(jié)果就是圖像質(zhì)量的惡化，因此從技術(shù)上說HDCAM是一個實用化的產(chǎn)品。
其實預(yù)濾波在標(biāo)清數(shù)字時代就已經(jīng)被廣泛使用了，25Mb/s的DV/DVCAM/DVCPRO采用預(yù)濾波技術(shù)把166Mb/s的8比特4:2:2數(shù)字電視信號碼率降低到124Mb/s的4:2:0或4:1:1，數(shù)據(jù)量減少了25%，壓縮比為124Mb/s:25Mb/s=5:1。如果不采用預(yù)濾波技術(shù)那么用25Mb/s記錄4:2:2信號時其壓縮比將達到166Mb/s:25Mb/s=6.64:1，雖然理論上彩色信號的清晰度比4:2:0或4:1:1更高但實際上因壓縮比太大圖像質(zhì)量會嚴重惡化，這也是一種實用化的選擇。
壓縮編碼的圖像質(zhì)量
在采用壓縮編碼的數(shù)字記錄技術(shù)中，壓縮比、帶寬和量化比特這三個因素決定了圖像的綜合質(zhì)量。很明顯在壓縮編碼效率為定值的情況下壓縮比越小圖像質(zhì)量越高，帶寬越寬也就是記錄像素越多清晰度越高，量化比特越高圖像電平的精度誤差越小，信噪比也越高。不過提高這三個因素中的任意一項都需要付出增大碼率的代價，因此在碼率為一定值的情況下必須在這三個因素之間尋求最佳平衡。
實際上在已經(jīng)確定了壓縮編碼算法和碼率的前提下圖像的綜合質(zhì)量就被確定了，在這里碼率就是可用的資源，有限的碼率就是有限的資源。這些資源如果在分辨率上被占用過多就必然會增大壓縮比，這樣分辨率增加帶來的圖像質(zhì)量提升就會被壓縮比增大帶來的圖像質(zhì)量劣化所抵消。同樣地，增加量化比特可以提高量化精度，但在碼率為一定值的情況下提高量化精度就必然降低分辨率或增大壓縮比，這樣通過提高量化精度改善的圖像質(zhì)量就會被分辨率降低或壓縮比增大引起的圖像質(zhì)量劣化抵消。因此在有限資源的條件下適當(dāng)降低分辨率以減小壓縮比才能取得最佳平衡，這就是HDCAM采用預(yù)濾波降低分辨率的原因，因為在有限碼率的條件下單獨提高分辨率并不能提高圖像質(zhì)量。
如果不對高清基帶信號進行預(yù)濾波處理直接用HDCAM的碼率編碼記錄，這時的壓縮比是995Mb/s:144Mb/s=7:1。這樣大的壓縮比會使圖像的細節(jié)及輪廓部分（即信號的高頻成份）馬賽克化，圖像細節(jié)及輪廓部分的馬賽克化既降低了水平分辨率也降低了垂直分辨率，在這樣的情況下更多的像素（也就是更寬的傳輸帶寬）并不意味著更高的清晰度。
HDCAM的記錄碼率是144Mb/s，經(jīng)過預(yù)濾波處理壓縮編碼前的碼率為622Mb/s，壓縮比大約是622Mb/s:144Mb/s=4.4:1，8比特量化。經(jīng)過多次試驗、測試和近10年來大量用戶的使用，證明HDCAM采用的各種參數(shù)組合是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下兼