前高清时代的挑战与应用

　　高清是广电行业技术发展的必然趋势，但从标清向高清的转换需要一个“过渡期”，即在一段时间内必须考虑高标清并存的工作方式。现在大部分电视受众的接收终端仍然是标清终端，而高清技术无论在非线性制作或者系统解决方案上基本已经成熟，完全具备全面高清化运作的可能。对于一个电视台而言，如果其内部的采编播系统已经准备好或者已经开始向全面高清化运作过渡，而同时需要考虑电视受众的标清接收的要求，那么就意味着进入“前高清时代”。

　　这是一个“混合的时代”，是个承上启下的时代。需要我们考虑兼容标清的历史环境，又要为高清的发展做好节目储备和技术上过渡的准备。你，准备好了吗？

　　1、局面和挑战

　　从当前局面情况看，美国市场90%的电视台开始制作高清节目，55%的播出节目是高清节目;日本在2006年全面开始高清播出，主要应用于新闻和体育转播等。中国的高清节目制作量每年几乎都要翻番，大量的节目制作公司都瞄准未来高清市场，直接采用高清设备进行节目摄制，而全国各大型电视台也从试用高清设备，过渡到开设高清频道，部分节目直接采用高清格式录制以储备片源的阶段。CCTV更是高举高清的大旗，在CCTV新台址项目的节目制播系统中将采用全面高清化运作。

　　从显示设备的角度看，目前16∶9尺寸的液晶或者等离子平板电视已经成为主流，老式的CRT电视也将被逐渐淘汰。而这几年也是广大电视受众对电视机进行更新换代的几年，家庭的客厅将被大尺寸轻薄的平板电视占据，10000元以下的FULL HD电视越来越多的走进我们的视野。

　　从电视制播技术上看，网络化、高清化、数字化一直是电视技术革命的主流。早在几年前，国内外知名厂商已经推出了网络化高清制作播出的设备及解决方案，目前已经趋于成熟，并有了许多实际运行的案例。这一切似乎都在告诉我们高清时代的来临，而且要比许多人想象的快，全面转向高清制作已是不可回避的发展方向。但同时也带来许多问题和挑战：

　　● 国内电视接收终端宽高比虽然在从4∶3向16∶9过渡，但从比例上看，标清4∶3的电视终端还是占绝大多数，所以一段时间内高清频道必然需要支持高标清同播;

　　● 高清制作设备采购成本、制作的时间成本较之标清明显增加，而电视台的收益没有大幅提高，高清节目销售虽然可以提供一定的广告收入，但电视台的主要收入——广告销售不会有大幅提高。

　　因此进行低成本的制作是高清推广的关键问题之一;

　　● 大量播后节目、历史资料以及收录画面都是标清素材，除非制作节目的所有画面内容完全自采，否则肯定会出现高标清混合制播的问题;

　　● 网络化高清格式为了达到更好的画面以及更低码率的目的，往往采用更高的压缩比，更复杂的压缩算法。高压缩比的高清格式在多代复制以及多次打包后，其质量下降情况如何？

　　● 高清制作对网络码率和存储容量的要求更高，在标清环境下非常成熟的网络体系架构、技术以及设备是否还能适用？

　　● 采用更先进的压缩算法、更高的码率后，非线性编辑的性能和稳定性是否会降低，是否还能达到原来标清的应用感受？

　　● 高清环境下，我们的制作、播出、存储归档、浏览的码率以及格式应该如何选择？

　　2、“前高清时代”的关键技术问题

　　高标清上下变换的过程

　　谈到高标清的混合编辑及同播问题，就不能不谈高标清的上下变换问题。高标清变换，实际就是对视频信号或者文件的时空采样的结构变换。即在时间上和空间上，实现分辨率的变换及其组合。采样结构的变换主要是通过空间域上的插值和抽取滤波器来实现速率和像素的变换。下变换，即高清变换为标清，可由高分辨信号通过抽取滤波变换为低分辨率信号;上变换，即标清变换为高清，可在保持原视频信号频谱不变的前提下，提高采样频率，并对原有信号进行内插值变换。

　　高标清上下变换的信号处理流程如下图所示：

　　

　　上下变换的图像质量由两个因素决定：去交织（去隔行）算法和重采样算法，最后的质量依赖于所选用的算法类型和精度。上变换质量方面我们应该更关注噪声和边沿的处理，下变换方面应更关注频谱和细节。

　　应用于上变换的去交织算法类型很多，主要有线性滤波和非线性滤波方式，线性滤波比较简单，占用资源少，但是效果差一些;非线性滤波复杂，算法精度高，占用的存储和计算资源较多，但效果很好。

　　图像重采样算法的精度直接影响最终变换质量。目前下变换主要有两种方式：空域变换与频域变换。

　　空域变换：主要是通过像素点普通线性或非线性插值来进行重采样，优点是方法简单，速度快，缺点是质量不高。由于采样精度的误差（像素点的缺失，以及采样像素的随机性），造成图像模糊或有烟雾笼罩的感觉。同时对于高亮度细节变换较快的素材，容易产生闪烁现象。归纳起来也就是目标图像细节不够，同时抗闪烁程度不高。

　　频域变换：主要是通过对原始图像进行频谱分析，对影响目标图像的频率进行相应的调整与修改，从而达到细节保留与增强，同时也抗闪烁的效果。这个方法优点是标清图像质量稳定，效果好，缺点是速度较慢，但随着计算机性能的提高，以及多核时代的到来，速度问题将不再是瓶颈。目前大洋的高清非编系统均采用基于频域下变换，在INTEL的八核心CPU平台上已经实现超实时下变换。

　　上下变换的模式

　　上变换，即标清格式变换为高清格式有以下三种模式，如图。

　　

　　Full width：将画面进行纵向剪切，画面比例正常，但损失了一部分画面内容;

　　Pillar box：在画面的左右两侧加黑边，保留了全部画面内容，画面比例正常;

　　Stretch：将画面横向拉伸，保留了全部画面内容，但画面产生变形。

　　下变换，即高清格式变换为标清格式有以下三种模式，如图。

　　

　　Letter box：在画面的上下两侧加黑边，保留了全部画面内容，画面比例正常，但清晰度有损失;

　　Edge crop：画面左右两侧被剪切，清晰度好，画面比例正常，但损失了一部分画面内容;

　　Squeeze：将画面横向压缩，保留了全部画面内容，清晰度好，但画面产生变形。

　　在“前高清时代”，高清节目在高清频道和标清频道同播的情况大量存在，而节目编辑过程也会混合使用高标清素材，这就存在着连续上下变换的问题。

　　标清上变换后再下变换模式：高清节目的制作过程中，使用了媒资系统中的历史资料，这些资料为标清格式素材，制作的成品节目以高清格式输出，在总控高清播出的同时，可能会在标清频道同播或者将高清节目带下变换后送标清频道播出。下图为标清素材被高清节目引用后，连续变换的各种情况。从图中可以看出，如果上下变换方案选择的不恰当，会出现标清素材经过上变换和下变换后，产生画面内容损失或严重变形的结果。因此，选择合适的上下变换策略对于保证节目播出效果是至关重要的。

　　

　　高清下变换后再上变换模式，实际是指高清素材被标清节目引用，然后又到高清频道同播或者将成品节目上变换后送高清频道播出，当然这种情况我们往往力图避免。下图为高清素材被标清节目引用后，连续变换的各种可能情况。

　　

　　3、“前高清时代”的策略

　　建立高标清兼容的“低成本制作”系统

　　采用高清系统之后，系统整体成本确实提高了，但高清技术的运用对电视台的整体收益的提高实际来看没有那么大，广电“高清化”大势所趋不可逆转，因此在前高清阶段，如何建立高标清兼容的“低成本制作”系统，如何实现“高清化运作，标清化成本”这个目标，是我们需要首先考虑的问题。

　　系统成本可以分成两个部分：设备采购成本和使用成本。制播系统“网络化”之后，存储以及网络设备占用系统采购成本的很大比例，但从这几年网络和存储设备的发展情况看，这部分成本实际上反而降低了。

　　

　　从1998年国内网络系统开始快速发展以来，硬盘容量增加了100倍，那时候的高容量硬盘是9GB，而现在是1TB，而每块硬盘的价格反而是下降了。而存储网也从1GbFC发展到4Gb，以太网方面，千兆网成为目前计算机终端的标准配置。而网络和存储设备的使用成本，应该说与标清时代持平，无论是从其更新周期还是从运营维护的角度看都是这样。

　　从标清过渡到高清，整体成本的提高主要还是体现在各类高中低端的非线性设备采购成本上。从非编系统的成本构成上也可以看出，用于采购进口高清处理板卡的费用占据了全部成本的很大一部份，同时高清板卡与标清编辑板卡的采购成本有着巨大的差距，高清编辑工作站仍然价格不菲。而目前国产高清板卡还未正式推出，这使非编的整机成本仍难以控制。

　　因此建设一个高标清兼容的制作系统，全部以采用进口高清板卡的编辑系统进行设备换代，其成本之高是可以想见的。解决思路可以有几种：第一是等待国产高清板卡的推出，当然随着国产高清板卡的推出，进口板卡的价格也会应声下落，那时高清非线性设备的价格也许就可以接受了;第二是通过解决方案的配置降低整体价格，由于多核CPU和高端GPU的性能不断提升，处理高清码率的能力也不断加强，而且越来越多的前期设备使用如USB、1394等标准接口，可以使计算机直接使用介质的NATIVE文件，对具有HD-SDI输出接口的终端数量要求相对降低了，所以我们可以在某个系统中，配置大量具有高标清编辑能力、但无需板卡支持的高性能高清非编工作站，少量配置采用进口板卡，具有HD-SDI输出能力的工作站，通过网络系统的共享能力进行协同编辑和处理。

　　播出系统目前是个特例，高清播出服务器基本为国外产品垄断，各种视音频周边设备价格也非常高昂，在前高清阶段设备采购成本的大幅度提高几乎是必然的。

　　再谈谈系统的高标清兼容性问题。系统整体的兼容性主要体现在非线性编辑系统的兼容能力以及解决方案中转码系统的能力上。这里面可研究的课题很多，由于篇幅所限不完全展开，但对于使用者和设备采购者来说，需要关注以下几个要点：

　　● 非线性编辑系统对编码格式、文件格式、制式等方面的兼容能力

　　● 非线性编辑系统在做高标清变换时的实时性能以及质量情况

　　● 输出以及预览时对各种变换模式支持情况

　　● 转码系统效率以及工作模式

　　根据实际情况制定“上下变换策略”

　　在“前高清时代”，高标清上下变换不仅仅是一个简单的技术问题，而实际上涉及到电视台的制播流程、字幕分离播出、制作效率、设备成本和运营成本等问题。在确定台内的“上下变换”策略之前，我们应该事先制定上下变换的原则：

　　原则1：原始的发送信号不能变形，就是上变换中拉伸变形（stretch）以及下变换中的挤压变形（squeeze）在最终发送时不能使用。变形功能在电视受众的终端往往都提供;

　　原则2：尽可能撑满屏幕，减少电视消费者的疑虑和不满，电视画面不满，黑条占得面积过大，电视节目消费者会认为被侵害了权益;

　　原则3：考虑电视观众的观看习惯问题。如播放16∶9的宽银幕电影采用LETTER BOX模式，虽上下有黑条但观众基本已经接受，黑条部分也是原版电影字幕的最佳位置，拥有平板电视的观众可以通过电视的16∶9或者14∶9变形的功能得到更好的收看效果;

　　原则4：不能因为画面的变化影响内容的传达，这一点与第一点相似。如上变换采用上下切边模式（Full Width），画面主体出现砍头砍脚的问题就会极大的影响画面内容的表达;

　　原则5：经济性原则。设备成本、运行成本、时间成本及人力资源投入的成本不能因为高标清混合制播和上下变换而有过大的提高;

　　原则6：流程简化原则。制定的策略不能因为增加了高标清变换环节而使得流程过于复杂，并完全改变原有的制作过程和习惯。

　　不同的变换策略对技术的要求不同，由此产生的成本也有很大差异。我们建议电视台可根据自己的理解和实际情况来制定各自变换的策略，以达到最理想的效果。下面就新闻节目的高标清混合制播举两个例子说明：

　　新闻节目的高标清混合制播的策略：

　　

　　● 新闻拍摄可以采用高清设备，为了支持标清满画幅输出，新闻构图可以直接利用拍摄设备提供的4∶3安全框，将画面主体置于安全框内;

　　● 新闻制作过程中，高清直接利用，标清采用Pillar Box模式（两边加黑边）上变化，编辑回放时可以切换16∶9或者4∶3模式预览高清和标清播出效果，字幕编辑在编辑系统提供的4∶3安全框范围内实现;

　　● 在“前高清时代”，考虑到消费主体是以4∶3为主电视终端，参考上文的原则2，即消费主体满屏画面原则。高清频道播出时整体不变化，使用16∶9高清电视观看时被引用的标清画面出现黑边。

　　标清频道同播时采用Edge Crop模式，标清画面满屏且原始像素没有损失。

　　综合制作节目的高标清混合制播的策略：

　　

　　● 节目录制采集完全使用高清设备进行拍摄，16∶9的构图方式;

　　● 后期编辑过程中，同样的高清素材如果直接利用，标清素材采用Full Width （上下切边）模式，字幕编辑在16∶9的画幅完成;

　　● 高清节目在高清频道播出时整体不变换，高清电视收视效果为满画幅。标清频道同播时，参考上文的原则3，即考虑目前观众对电影、电视、纪录片等等的收视习惯，采用LETTER BOX模式进行变换。这其中对于高清节目中引用的标清历史资料的上下两边就被切掉了。

　　4、我们的解决方案

　　“前高清时代”带来的不仅仅是挑战，也是求发展谋变化的大好机遇。作为我国主要的精神文明宣传窗口，各级广播电视机构更应该抓住这个发展契机，与时俱进，在各方面做好准备。

　　我国目前拥有数量众多的中小电视台，作为中国广播电视行业中重要的组成部分，他们同资金雄厚、技术实力强大的国家级、省级电视台一样面临着来自各方面的挑战：市场竞争不断加剧、新的媒体形式不断涌现、观众对节目的内容和质量的要求越来越高。如何将生产业务平台向系统化、网络化的方向改造？如何降低业务平台的总体拥有成本、提高业务平台的生产效率？如何在标清向高清过渡时有效保护现有投资？这些都是中小电视台不得不考虑的问题。

　　北京中科大洋科技发展股份有限公司作为中国广电行业的领军企业，非常理解中小电视台所面临的巨大挑战，也注意到了中小电视台应对挑战时所做出的各种转型努力，凭借在网络建设方面丰富的实践经验以及对高清技术的深刻理解，针对中小电视台用户率先推出了国内第一款高标清一体化解决方案产品——DPower HD。