高標(biāo)清信號(hào)上下變換的實(shí)現(xiàn)方法

李 鍵

(中央電視臺(tái) 播出部,北京 100859)

高標(biāo)清信號(hào)上下變換的實(shí)現(xiàn)方法

李 鍵

(中央電視臺(tái) 播出部,北京 100859)

隨著高標(biāo)清同播頻道的開播,我們進(jìn)入了一個(gè)從標(biāo)清到高清的過渡期。本文具體論述了如何解決信號(hào)上下變換的問題:基于信號(hào)和文件所采取的硬件或軟件的具體實(shí)現(xiàn)的方法。涉及板卡的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的模式以及實(shí)際應(yīng)用中遇到問題的分析等。

信號(hào);文件;高清轉(zhuǎn)換平臺(tái);軟件上下變換器;高標(biāo)清同播服務(wù)器

1 引言

隨著高標(biāo)清同播頻道的開播,我們進(jìn)入了一個(gè)從標(biāo)清到高清的過渡期。這將是一個(gè)循序漸進(jìn)的時(shí)代,在很長的一段時(shí)間里,我們都要面臨信號(hào)上下變換的問題。在一個(gè)高標(biāo)清同播的系統(tǒng)中,我們需要進(jìn)行處理的對象將是兩大類型——信號(hào)和文件,處理的方式則可以采取硬件或軟件的手段,下面就進(jìn)行具體的分析和論述。

2 高清轉(zhuǎn)換平臺(tái)

由于我們目前的同播系統(tǒng)是基于信號(hào)進(jìn)行上下變換的,因此選擇下面這種高清轉(zhuǎn)換平臺(tái)來完成。首先,我們來看一下這個(gè)板卡的結(jié)構(gòu)。

圖1 高清轉(zhuǎn)換平臺(tái)框圖

2.1 板卡結(jié)構(gòu)

2.2 運(yùn)行模式

板卡通常提供以下三種運(yùn)行模式:

(1)矩陣模式(Routing Mode)

圖2 矩陣模式框圖

如圖 2所示,這是一種最普遍的應(yīng)用方式。板卡具有糾錯(cuò)功能,可以從輸入的兩路信號(hào)中選取好的一路進(jìn)行處理,視頻、音頻信號(hào)是分開進(jìn)行的。其中,視頻信號(hào)經(jīng)過幀同步以后,進(jìn)入 Scalar處理器,在這里可以進(jìn)行上下變換、交叉變換、縱橫比變換等。由于這些變換會(huì)造成信號(hào)的延時(shí),因此在做處理的同時(shí),需要從選取的信號(hào)(含嵌入音頻)中將音頻解嵌出來,經(jīng)過同步,再送入嵌入器,最后,將音頻嵌入到視頻信號(hào)以后進(jìn)行輸出。

(2)兩翼模式(I-Wings Mode)

圖3 兩翼模式框圖

如圖 3所示,這種模式通過做鍵的方式,實(shí)現(xiàn)在畫面的兩邊疊加不同的圖像。兩翼模式可以用于標(biāo)清 4:3信號(hào)的上變換。SDI in 1為填充信號(hào),SDI in 2為鍵信號(hào),同樣地具有糾錯(cuò)功能,當(dāng)板卡檢測到SDI in 2信號(hào)丟失,會(huì)進(jìn)行報(bào)警,并自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)黑

如圖 4所示,這種模式可以保證在做高標(biāo)清信號(hào)變換的時(shí)候,取得最小的延時(shí)量。需要注意的是采用這種模式,輸入信號(hào)的格式必須提前確定,板卡只接受確定的標(biāo)清格式的信號(hào)和與之幀頻兼容的高清信號(hào),在這種模式下,輸入信號(hào)的格式的自動(dòng)檢測功能是不具備的。如果輸入信號(hào)的格式不符,板卡會(huì)進(jìn)行報(bào)警。此外,在這種模式下,背景顏色缺省為黑色,不能選擇其它顏色。場信號(hào)。框圖與矩陣模式類似,視頻、音頻信號(hào)同樣是分開進(jìn)行的,變換的參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置,經(jīng)過處理,最后將音頻嵌入到視頻信號(hào)以后輸出。

(3)快速變換模式(Fast-Switching Mode)

2.3 音頻處理

在音頻處理部分,板卡可以在立體聲和 5.1環(huán)繞聲之間提供上下變換和響度控制。需要注意的是,做處理的音頻源必須是分離的、兩維的,包含寬度和深度的空間參數(shù)。板卡采用水印的專利處理技術(shù),可以對信號(hào)在強(qiáng)度、時(shí)間、連續(xù)性、極性、相位等方面的重疊部分做相應(yīng)的校正,通過無縫的、不間斷的變換,從而避免出現(xiàn)“噼啪”聲。

圖4 快速變換模式框圖

2.4 縱橫比變換(ARC)

在縱橫比變換方面,板卡提供一種標(biāo)準(zhǔn)的變換和十種可以自己定制的變換。我們可以通過設(shè)定不同的參數(shù)來改變輸出圖像的尺寸和位置,并進(jìn)行存儲(chǔ)、選擇和調(diào)用。

在調(diào)用預(yù)置的縱橫比變換的時(shí)候,我們可以通過使用 AFD(Active FormatDescription)信息,保證無論在4:3或16:9的情況下,圖像都可以得到最優(yōu)化地顯示。因?yàn)?如果沒有 AFD信息,轉(zhuǎn)換的圖像可能會(huì)失真或丟失。AFD嵌入到 SDI信號(hào)的 VANC輔助數(shù)據(jù)中,板卡可以對其進(jìn)行編、解碼,也可以對早期的 VI(Video Index)和 WSS(Wide Screen Signalling)進(jìn)行編、解碼。

板卡可以檢測出來嵌入到視頻信號(hào)中的 AFD、VI和 WSS數(shù)據(jù),并將其讀出,用于自動(dòng)控制圖像縱橫比,然后,AFD、VI和 WSS數(shù)據(jù)可以以手動(dòng)或自動(dòng)方式嵌入到輸出的視頻信號(hào)中。

若選擇自動(dòng)方式,板卡可以自動(dòng)選擇嵌入的數(shù)據(jù);

若選擇定制方式,我們就可以通過選擇不同的參數(shù),改變輸出的代碼;

若選擇旁通方式,如果輸入、輸出的視頻標(biāo)準(zhǔn)相匹配,那么最初的 AFD、VI和 WSS數(shù)據(jù)將被再次嵌入到視頻流中。

如果被 AFD、VI和 WSS控制的 ARC數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的情況,板卡提供以下兩種解決方法:維持目前的縱橫比不變或復(fù)位到受控前的設(shè)置。

2.5 延時(shí)

由于板卡提供高標(biāo)清信號(hào)的上下變換,在變換過程中,會(huì)對主處理通道中的主路信號(hào)造成一定的延時(shí)。延時(shí)量的大小取決于需要進(jìn)行處理的類型:幀同步、ARC變換、輸出延時(shí)等。在矩陣模式中,為了信號(hào)匹配的需要,提供了一個(gè)延時(shí)界面:可以以一幀為單位從零到八幀范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整的延時(shí)量。在兩翼模式中,由于 SDI in 2信號(hào)沒有接入幀同步器,因此板卡對這個(gè)信號(hào)不提供延時(shí)界面。

2.6 實(shí)際應(yīng)用

了解了板卡的結(jié)構(gòu),接下來在實(shí)際的同播系統(tǒng)中,我們將這個(gè)板卡用于標(biāo)清節(jié)目源的上變換。具體的流程是:備播時(shí),在節(jié)目單編輯軟件上增加AFD控制信息的欄目,在播出過程中,根據(jù)播出單實(shí)時(shí)控制板卡,完成上變換的工作。通常情況下,采用左右加邊的方式。我們將板卡接入系統(tǒng),利用測試信號(hào)輸出黑場、疊加在節(jié)目兩邊,通過高清錄像機(jī)將輸出信號(hào)收錄下來以后,逐幀播放,以便查找問題。首先,我們發(fā)現(xiàn),在節(jié)目和黑場銜接的地方出現(xiàn)了亂畫面。經(jīng)過分析,我們了解到這是由于有的節(jié)目制作時(shí)欠掃描的原因。通過調(diào)整板卡的 ARC Crop參數(shù),我們將圖像兩邊黑場的寬度加大,從而解決了這個(gè)問題。

此外,由于板卡需要進(jìn)行上變換等處理,這樣,就會(huì)給輸出信號(hào)造成延時(shí)。為了解決這個(gè)問題,同樣地,我們通過錄制的磁帶,檢測出具體的延時(shí)量。由于目前系統(tǒng)需要進(jìn)行高標(biāo)清同播,我們就要根據(jù)板卡的延時(shí)量調(diào)整相應(yīng)的自動(dòng)控制的切換時(shí)間,從而保證高清節(jié)目和標(biāo)清上變換節(jié)目之間的順利銜接。

3 軟件上下變換器

在傳統(tǒng)的方案中,高標(biāo)清上下變換大多是基于硬件完成的,以往的軟件上下變換器雖然在靈活度上遠(yuǎn)優(yōu)于硬件,但其最大的問題在于質(zhì)量不佳,效率較低。目前,上下變換算法有了突破,采用分級(jí)處理機(jī)制。接下來,我們就了解一下軟件上下變換器。

3.1 AFD設(shè)置

首先,我們可以通過 Advance界面進(jìn)行播出附屬數(shù)據(jù)中的 AFD設(shè)置。

如圖 5所示,AFD:選擇該項(xiàng)表示在采集窗口中顯示采集圖像的 AFD信息。

使能選項(xiàng):

AFD Enable:選擇該項(xiàng)表示播出 AFD。Aspect Ratio:用于設(shè)置AFD信息的圖像比例位。AFD格式:用于設(shè)置 AFD信息的圖像格式位。Bar Top/Left:用于設(shè)置 AFD信息的相應(yīng)位域,表明黑邊寬度信息(左邊緣或上邊緣)。

Bar Bottom/Right:用于設(shè)置 AFD信息的相應(yīng)位域,表明黑邊寬度信息(右邊緣或下邊緣)。

LetterBox:用于設(shè)置 AFD信息的相應(yīng)位,表明圖像的上、下邊緣有黑邊。

PillarBox:用于設(shè)置 AFD信息的相應(yīng)位,表明圖像的左、右邊緣有黑邊。

3.2 Dual play功能

接下來,我們可以使用 Dual play功能進(jìn)行播出。Dual play功能是指板卡上的兩個(gè)播出通道能夠同時(shí)播出主機(jī)傳送過來的 1路視音頻數(shù)據(jù)。由于板卡上集成了 Scalar處理器,選擇 Dual p lay功能后,可以將另一路視頻經(jīng)過上下變換以后再播出。

通過點(diǎn)擊 Dual Play設(shè)置按鈕,可以彈出如圖 6所示的對話框,由于此時(shí) Dual Play選項(xiàng)沒有設(shè)置,板卡的兩個(gè)播出通道是獨(dú)立的。選上 Dual Play選項(xiàng),此時(shí)兩個(gè)播出通道可以同時(shí)播出主機(jī)傳送過來的 1路視音頻數(shù)據(jù)。

由于板卡集成了 Scalar處理器,在選擇 Dual play后進(jìn)一步設(shè)置,就可以將另一路視頻經(jīng)上下變換后再播出。

圖5 Advance界面

如圖 7所示,選擇 Dual Play選項(xiàng),同時(shí)縮放比例為 1080-PAL,縮放模式為 Normal,這樣兩個(gè)播出通道可以同時(shí)播出主機(jī)傳送過來的 1路視音頻數(shù)據(jù),并且第二路視頻以 Normal模式下變換后再播出。如圖所示,下變換有三種模式:Normal、Letterbox和Squeezed。

切邊模式(Normal):垂直方向充滿,左右兩邊一部分信息被去掉;

信箱模式(Letterbox):水平方向充滿,上下部分會(huì)出現(xiàn)黑邊;

壓縮模式(Squeezed):垂直方向充滿,水平方向壓縮后充滿,使物體變高。

3.3 M ixer和 Sw itcher邏輯結(jié)構(gòu)

此外,Mixer和 Switcher是視頻數(shù)據(jù)輸出前的處理模塊,主要負(fù)責(zé)圖文播出、混疊、以及最終輸出前的切換。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖 8所示:

圖8 Mixer和 Switcher的邏輯示意圖

從圖中可以看出,這是由兩組完全相同的功能模塊組成的,每個(gè)模塊對應(yīng)兩個(gè) SDI輸出端口,4個(gè)SDI輸出中 Out1和 Out3可以播出的內(nèi)容包括:

A當(dāng)前通道播出的圖文數(shù)據(jù)和下列三種視頻數(shù)據(jù)之一混合后的結(jié)果

a背景(來自 Video Input,具有零幀延時(shí)特性)

b另一個(gè)播出通道的視頻

c黑色視頻

B當(dāng)前通道的圖文或視頻

C黑色視頻

D背景(來自 Video Input)

E另一個(gè)播出通道的視頻

Out2和 Out4可以播出的內(nèi)容包括:

A各自播出通道的 Key

B黑色 Key

如圖 9所示,我們可以通過 Mixer Control界面進(jìn)行通道 1和通道 2的混疊器設(shè)置:

混疊模式:

Graphic＆Key:可以同時(shí)輸出圖文和鍵信號(hào),用于使用切換臺(tái)的場合;

圖9 Mixer Control界面

Over Black:可以在黑場上疊加圖文,用于監(jiān)看;

Graphic Over Video:可以在輸入背景上疊加圖文,用于字幕機(jī)等系統(tǒng);

Over Layer2:在圖文層 2上疊加圖文層 1。

4 高標(biāo)清同播服務(wù)器

最后,如果同播系統(tǒng)是基于文件進(jìn)行上下變換的,那么可以選擇高標(biāo)清同播服務(wù)器來完成。這個(gè)高標(biāo)清同播服務(wù)器是一個(gè)雙通道同播解碼器,每個(gè)通道含兩個(gè)物理輸出口,標(biāo)清和高清通道可以播放同一個(gè)視頻素材,內(nèi)部的切換器能夠保證在一個(gè)物理輸出口上實(shí)現(xiàn) B-to-B的幀精度播出。

這個(gè)高標(biāo)清同播服務(wù)器可以自動(dòng)實(shí)時(shí)進(jìn)行上下變換:

支持標(biāo)清、高清解碼播出同一素材列表;

如果是標(biāo)清素材,可以解碼輸出 SD-SDI信號(hào),并同時(shí)上變換輸出 HD-SDI信號(hào);

如果是高清素材,可以解碼輸出 HD-SDI信號(hào),并同時(shí)下變換輸出 SD-SDI信號(hào)。

這個(gè)高標(biāo)清同播服務(wù)器可以在編碼時(shí)記錄AFD數(shù)據(jù),能夠自動(dòng)更新素材元數(shù)據(jù),并在播放時(shí)可以逐條調(diào)整素材播放的寬高比。

5 結(jié)束語

本文針對高標(biāo)清信號(hào)上下變換的問題進(jìn)行了具體的分析,提出了基于信號(hào)和文件的硬件及軟件的解決方法。在同播系統(tǒng)的建設(shè)中,我們可以根據(jù)實(shí)際的情況選擇相應(yīng)的方法,從而順利完成節(jié)目的播出。

[1] Harris Corporation.XHD-3903 HDTV Conversion Platform Installation and Operation Manual,Edition C[Z].2008.

[2] Seachange International,Inc.SeaChangeRMediaClientTM6000 Series[Z].2008.

[3] 中科大洋公司.RedBridgeIII板卡規(guī)格與使用說明書[Z].2009.

The Methods to Achieve HD/SD-SDIUp and Down Conversion

LIJian
(BroadcastDepartment,China Central Television Station,Beijing 100859,China)

With the launch of HD/SD multicast channel,we have entered a transitional period from SD to HD.This paper specifically discusses how to solve the problem of signal up and down conversion:the concrete realization of the hardware or software approach based on signal and file.Related to board structure,operational mode,as well as the analysis of the problems encountered in the practical application.

signal;file;HDTV conversion platform;software up and down converter;SD-HD simulcast server

TN949.17

B

1673-4793(2010)01-0083-06

2009-11-30

李鍵(1968-),女(漢族),北京市人,中央電視臺(tái)高級(jí)工程師。

(責(zé)任編輯

:龍學(xué)鋒)