從EBU R.128響度標準看電視播出的響度控制

【摘要】 本文簡析EBU R.128各響度單位的意義，響度控制應該達到的目標，以及播控中心響度控制的方法。

【關鍵詞】響度電平 K計權 算法 響度范圍 真實峰值電平 響度控制

電視播出的目的，是將節目安全、優質地呈現在觀眾面前。然而，伴隨節目切換而發生的電視音量突跳（響度問題），一直困擾觀眾。造成響度問題的重要原因是缺少合適的客觀指標。為此，ITU制訂了BS.1770系列標準，推薦了一種基于RLB加權的響度算法。

EBU PLOUD小組以ITU標準為基礎，制訂了EBU R.128建議書，對響度的被測主體、積分窗長等細節作了更加明確的定義，其配套的Tech 3341、3342、3343、3344文檔，詳細介紹了EBU制式（EBU Mode）響度單位的定義與測量、響度控制，以及制作、傳輸等環節應當注意的事項，對電視臺解決響度問題及音頻的安全播出具有重要的指導意義。本文介紹的是EBU最新修訂的R.128-2011。

一.響度單位的定義與測量

EBU R.128規定的響度單位有三個：響度電平、響度范圍和真實峰值電平。

1.響度電平（Loudness Level）

響度電平用來描述節目的響度，即被測音頻節目在指定的重放條件及相同的播出時長下，其主觀音量相較于標準參考節目的大小。EBU制式的響度電平分為LUFS（參照滿度電平）和LU（參照校準電平）兩種，-23.0 LUFS = 0.0 LU（帶有1位小數），數值越大，節目越響。

相同響度電平的節目，音量基本一致 。LU值的相反數表示將節目標準化到參考響度所需的增益。控制節目的響度電平，可有效提高播出音量的一致性。

（1）響度算法

EBU R.128沿用ITU-R BS.1770定義的、基于K計權的響度算法。這種算法實現簡單，并且適合測量從單聲道到5.1聲道的各種音頻。算法共分三步：

第一步，用一個滑動矩形窗，從待測音頻中，截取一段時長為T的響度塊，進行K計權濾波。K計權濾波器由前置濾波器和RLB濾波器串聯而成，前置濾波器用來模仿人頭部高頻擱架式抬升的頻率響應，而RLB濾波器則用來模仿人耳低頻滾降的聽覺特性。

第二步，計算出濾波后，各聲道音頻樣本的均方能量：

最后，對各聲道的均方值進行加權累加、取對數值，就可獲得響度電平。不同聲道的加權值不同，如圖1。

滑動矩形窗的長度雖然為秒級，但每次截取的音頻片斷都有所重疊，因此響度電平的示值仍然能夠以較高的頻率更新顯示，能夠滿足實時測量的要求。

（2）三種響度示值

EBU R.128規定了三種響度示值：瞬時響度、短時響度和整體響度（integrated loudness），具有不同的時間尺度（如表2）。瞬時響度與短時響度的時間尺度為秒，適合現場制作的實時觀察及廣告的響度控制；整體響度的時間尺度是整個節目，適合節目質量分析及自動化的響度對齊。

其中，整體響度帶有“選通測量”（gated measurement）算法，去除節目底聲（“背景聲”），保證其示值主要反映“節目主體”（或“前景聲”）在整個節目時長上的平均響度。節目主體包含對白、音樂以及關鍵音效，它們是主觀響度的主要成分；而底噪、靜音、墊樂等背景成分，對于響度幾乎沒有貢獻，卻會拉低響度平均值 ，影響響度對齊的一致性。

整體響度電平實際是通過拆分成瞬時響度塊計算的。選通測量的所謂“選通”，就是將計算過程中，響度電平低于門限的響度塊數據去掉。為了讓結果更加精確（尤其是短節目），R.128規定，用于計算整體響度的兩個瞬時響度塊之間，帶有75%（0.1秒）的重疊 。

選通測量分為兩步，首先進行絕對選通，去掉瞬時響度電平低于-70 LUFS（絕對選通門限）的響度塊，計算剩余響度塊的總體響度；接著進行相對選通，去掉比前述總體響度電平低10 LU的響度塊，然后再次計算剩余響度塊的總體響度，所得結果即為最終的整體響度電平。

實時響度表每個時刻的整體響度及其相對選通門限都由響度的歷史數據重新確定和計算，所以計量結果與非實時響度表基本一致（最大誤差為0.1LU）。

2.響度范圍（Loudness Range，LRA）

響度范圍，用來描述節目的響度反差，即節目短時響度電平的離散度，或者說最常出現的那85%的響度的分布范圍，它決定著是否根據目標受眾對節目的動態范圍進行壓縮。

響度范圍的大小與節目類型有關。流行音樂、廣告等節目通常都進行了良好的壓縮、激勵甚至削波處理，響度范圍?。ㄒ话銥?～5 LU），能量集中，聽起來很破甚至非常吵鬧，壓迫感強烈；新聞、訪談節目的響度范圍比較適中，聽感較為舒適（6～10 LU）；而電影、電視劇、戲曲、交響樂等節目出于藝術表現，響度范圍較大（10 LU以上），聲音比較悶，經壓限處理之后才能在電視上良好地重放。

響度范圍的測量方法分為如下4步：

（1）將節目音頻切割成相互重疊（至少2秒相互重疊）的短時響度塊；

（2）以響度為橫軸，出現的概率密度為縱軸，繪制出節目的響度-概率分布圖；

（3）去掉低于-70 LUFS（靜音）及絕對選通總體響度下方20LU（底聲）的橫軸部分；

（4）剩余響度累積分布函數的10%至95%兩點之間所對應的橫軸寬度，即為響度范圍。

選通測量去掉了節目的靜音和不太重要的背景聲。10%至95%的概率設置，避免了極少數異常的音效（笑聲、掌聲、槍聲等）對響度范圍的干擾。

3.真實峰值電平（True Peak Level）

我們習慣使用的PPM“峰值電平”是準峰值電平，與確切的峰值電平存在較大誤差 。模擬準峰值表（QPPM）的瞬態響應受上升時間的限制 ，無法顯示短于上升時間的峰值；而以采樣峰值表（sample peak meters）方式實現的數字PPM表，指示的是采樣點的極大值，無法反映采樣點之間的峰值 。

電視臺的分發傳輸鏈路日漸數字化，音頻編解碼器在壓縮過程中會縮減信號的帶寬，或者去除聽覺不敏感的成分，這些過程都會產生附加的振鈴和上沖，使得音頻的峰值電平提高。這種振鈴和上沖，無法在PPM表上看到，卻有可能引起播出傳輸過程中的削波及過調。

真實峰值電平表（TP表）是改進的采樣峰值表，它先對音頻進行至少4倍的升采樣（例如，從48kHz插值到192kHz），再讀取采樣峰值。相對于PPM表，TP表的誤差較?。?.5dB），可減少為示數的不確定性預留的余量，最大化地利用數字信號的動態范圍。

真實峰值電平的單位為dBTP或TPFS，以滿度電平為參考。

二. 響度控制目標

1.規范響度電平

響度控制的首要目標是將節目切換點的突跳控制在舒適區，它要求素材間的響度基本一致或者有所過渡。其次，是設法讓所有的節目素材都圍繞著標準響度電平制作播出。這里的圍繞并不是要求節目每時每刻的響度都符合目標響度，而是節目主體（對白）部分的響度重心，穩定在目標響度上。此外，還要限制節目的最大短時響度，避免廣告（尤其是節目內插廣告）對短時響度的濫用。

在節目已經制作完畢的情況下，調整節目的整體響度通常采用改變增益的辦法。不過它只改變整體響度，不改變動態范圍，在提升峰值儲備較大的節目時還可能引起削波，因此需要后續兩步作為補充。

對于標準響度電平，EBU R.128-2011標準規定，節目的整體響度應當標準化至-23.0 LUFS的目標響度電平（Target Level）（帶有選通測量）。直播節目的節目響度與目標響度電平的偏差一般不超過±1 LU。 此時，如果節目經過良好制作，則整體響度相同的兩個節目，基本上是一樣響。

對于很短的節目，EBU Tech 3343認為，其最大瞬時響度應控制在-15 LUFS，短時響度應控制在-20 LUFS。

對于舒適區，ITU-R BS.1864建議書認為，聽眾可以容忍的響度變化“舒適區”，是“偏離理想的響度約+3至-5 dB的響度窗口?！背^舒適區，觀眾有明顯的變吵或變小的感覺。

從響度電平的計算公式可以看出，單聲道音源在傳統編碼器或者機頂盒復制成雙聲道之后，響度電平將增加3 dB。此時應按雙聲道計算響度，才能保證響度測量的準確。此外，單聲道的頻道在播出時，最好以“單聲道”或者 “雙單聲道”（偽立體聲）方式播出，而不要采用“立體聲-僅左聲道”方式播出，避免節目在機頂盒“立體聲/單聲道/左聲道/右聲道”四種模式下播出音量的不一致，這樣才能保證單聲道頻道在任何聲道模式下（包括模擬播出時）的響度都與立體聲頻道一致。

2.控制響度范圍

響度范圍需要與聽音環境相匹配。聽音環境的動態范圍受限于居室的本底噪聲、聽覺的痛閾及最大還音功率。典型居室的本底噪聲在45～55dBA，而電視的典型收聽音量為60～75dBA，因此電視所能重現的動態范圍，或者說響度范圍容限（DRT）很窄，只有20dB左右。輕薄便攜的液晶電視甚至更差，因為留給揚聲器的空間很小，功率做不大，并且為了降低功耗，常常使用底噪較大的D類功放。

響度范圍過大的負面效應多見于電影和電視劇，觀眾常常會感覺到節目沉悶，因為它們是為大熒幕制作的，影劇院通常都具有良好的裝修和一流的音響，而電視不能還原那么大的動態范圍，此時就需要進行響度范圍轉換，對較弱的片斷進行提升，對少數過響的音效進行限制。這可利用一個低門限值（小于-40dBFS）低壓縮比（1：1.2～1：1.5）且帶有補償增益（make-up gain）的壓縮器實現，提升聽覺體驗。而對于廣告這類能量集中的節目來說，可直接平移節目的響度電平，有時甚至應當以短時響度的最大值作為廣告響度的依據，進行響度懲罰，超得越多，降得越多。筆者認為，對于標清語言類電視節目，在不造成明顯失真的前提下，LRA控制在6～12會比較舒適，既不會太悶，也不會太吵。

響度范圍過大的另一個原因是節目制作不規范，節目內嵌多段整體響度不同的素材，類似于臺階。這種節目的LRA和整體響度并不真正反映節目的類型和響度的重心，并且起伏很大，難以校正。多代引用這類節目素材時會引起響度參差的累積，造成高階響度問題，必須在制作階段就予以解決。

一個節目的LRA如果和流派不相符，那么這個節目的制作就可能存在問題，例如上文提到的響度參差（會使響度范圍變大），以及電平不匹配引起的削波（會使響度范圍變小）。

（這個節目的整體響度為-22.5LUFS，其中1是宣傳片片頭，2～13號素材為廣告。片頭響度過大。

若按片頭平移響度，則素材2、3、4、6、7、9、10、12、13的響度都將低于-30LUFS）

3.限制峰值電平

限制峰值電平，保證不過調、不切峰，是安全播出的需要。

EBU R.128推薦的制作域的最大允許真實峰值電平為-1dBTP，播出系統受傳輸、發射設備的限制，最大峰值電平要降低許多。在設定播出的最大峰值電平標準時，應當全面了解傳輸設備特別是模擬傳輸設備的峰值儲備及增益情況。

對于單位增益的數字電視傳輸來說，其最高峰值電平可設置為-1dBTP（對于立體聲頻道為-4dBTP），但按照我國現行的GY/T 223-2007標準，應設為-6dBTP。即便標準放開，也應酌情考慮傳輸編解碼及數模轉換所帶來的峰值升高。中央臺目前采用的最高峰值電平即為-6dBTP。

對于模擬電視發射，EBU Tech3344建議，PAL D/K發射機的限制器門限為-6.7dBTP。當向發射機送入-6.7dBTP 1kHz正弦信號時，發射機的峰值調制度應剛好限制于50kHz。限制器置于預加重之后，保證調制度不超標。

三.播出級響度控制

從播出部門先行緩解響度問題，涉及的設備和部門相對較少，并且節目素材集中，標準容易實現。依響度控制設備位置的不同，可分為信號流響度控制和文件型響度控制。兩種方式各有優缺點，因此播出部門應當根據自身情況選擇最適合自己的技術。

播出響度突跳的主要原因是自辦欄目與廣告響度的不匹配（嚴格地說，是自辦欄目的響度偏小。因為臺內的制作人員通常不對，也沒有條件對節目進行精細的動態范圍處理，峰值儲備較大），此外還有節目內部各段素材之間的響度不匹配。在播出級主要處理的是離散的節目來源和上載操作所引起的響度不匹配，廣告內部及節目內部響度參差的調整不屬播出級響度控制的職責，應退回制作線修改。遷就這些節目，會使正常節目的音頻質量發生惡化。

1.信號流響度控制

信號流響度控制是在信號通道對播出響度進行規范，一般是在播出末級串接響度控制器或響度服務器，對響度進行實時控制。響度控制器不僅可以校正響度，還能夠上下混音，規范播出音頻的格式。響度控制器是一種改進的自動電平控制器，通常由自動響度校正（ALC）、動態范圍控制（DRC）、限制器（Limiter）三級串接完成。

ALC是改進的自動電平控制器，它對節目的瞬間及短時響度進行實時測量，以響度電平為反饋值調整增益，按一定比例縮小響度差異。ALC具有多個緩慢的時間常數，同時限制了增益與衰減范圍，防止節目寂靜片斷或背景噪聲的過度提升。因為時間常數緩慢，ALC級只具有輕微的動態范圍控制能力。

LRA的控制由DRC級完成。DRC級是一個改進的多段壓限器，它對高電平的聲音進行壓縮，限制過響的音效，對中電平的聲音進行提升，提高語音的清晰度，又對低電平進行擴張，抑制背景噪聲。

限制器對門限之上的音頻信號進行∞：1的硬限制和柔性剪峰，避免超限電平的出現。

響度控制器是一種簡潔的響度控制手段，但它與播控系統是分離的，因此處理的效果依賴于輸入響度的離散度，不合適的參數會使音頻出現一定程度的劣化；當輸入信號與目標響度的差異超出校正范圍時，播出響度仍會超標。因此在剛開始進行響度控制的時候，需要比較嚴格的參數，隨著制作的規范，逐漸放開控制程度。此外，響度控制器的音視頻是分開處理的，使用時應特別留意聲畫同步；作為在線設備，應具備掉電直通。

2.文件型響度控制

文件型響度控制是通過響度服務器及控制軟件對播出服務器的素材響度進行規范。響度控制軟件從上載服務器拉取新上載素材文件的音頻，進行響度縮放及動態范圍控制，然后生成新的音頻，重新打包成完整的素材。文件型響度處理可以提供精確的響度對齊，對廣告音量的控制尤其有效，通過多次通過處理（multi-pass process），可以獲得準確的響度范圍控制。

文件型響度控制對原有系統的依賴性強，響度控制置于上載遷移流程的哪個位置，怎么對素材進行轉碼，是審看前、審看后，還是遷移時，如何區分已轉換和未轉換的素材，如何進行一致性管理，關系到播出的安全和穩定，要解決這些問題，必須要有一套自動化的技審方案。

此外，文件型響度控制只能處理硬盤素材，無法處理直、轉播信號及錄像機信源。

信號流響度控制與文件型響度控制并不是對立的。文件存取與信號流處理相比較為復雜，因此容易出現問題，可靠性較差。對此，我們可以將掃描到的素材響度及節目切換點信息通過RS485等接口發送給外部設備，指導信號流設備的增益調控，完成響度處理，做到這點，需要各廠商的通力合作。

四.展望

EBU R.128對ITU-R BS.1770標準做了十分有益的補充，其配套技術文檔為響度控制提供了重要指導。從播出級先行進行響度控制，可以盡早緩解響度突跳，提高播出質量，并為響度控制提供經驗，將響度標準化工作從播出級逐漸推廣到制作級。R.128與其它標準大同小異，了解R.128，有助于更好地理解其它各種響度標準。

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