高標清同播系統中自動幅型變換的探索

鞠 峰，宋 磊

（濟南廣播電視臺 電視播出部，山東 濟南 250014）

高標清同播系統中自動幅型變換的探索

鞠 峰，宋 磊

（濟南廣播電視臺 電視播出部，山東 濟南 250014）

介紹了高標清同播系統中基于AFD自動幅型變換的關鍵技術。其優點是AFD信息在制播網的全域支持，即使幾經變換也能攜帶者創作人員的意圖。并結合濟南電視臺高標清同播系統建設的實際，闡述了幅型變換方式的選擇思路，提出了系統設計過程中需要注意的問題。

高標清同播；自動幅型變換；AFD；SMPTE2016鏈路設計

建設高標清同播系統，實現高、標清節目的兼容同播是濟南廣播電視臺進行高清系統建設的總體目標。高、標清同播是指同一頻道內容，同時采取高清和標清方式播出[1]。這必將會引入復雜的幅型管理，也是標清播出向高清播出過渡時期必須面對的問題。

AFD技術的提出實現了幅型管理的自動化，雖然它很早就被提出，但是由于其貫穿節目制作、播出全流程，其嵌入、解析、繼承等要求涉及到非編、視頻服務器和上下變換器等多個環節，成為妨礙其應用的一大難點，也對技術管理提出了挑戰。

1 幅型變換和AFD技術標準

高標清同播時期，標清節目源和高清節目源共同存在，它們有文件和信號兩種形態。上下變換意味著幅型比、分辨率、信號或文件的編碼格式等都發生了相應變化，其中幅型的變換對內容影響最大，所以有時在特定的語境中用“上變換”和“下變換”也指幅型的變換。幅型變換有多種上下變換的方式，根本上講是因為對不同節目的取景方式不同，也就是制作人員對待轉換圖像關注的區域不同，因而產生了多種轉換方式。高標清同播時代，4∶3幅型的標清節目，有按照16∶9取景拍攝的情況；16∶9幅型的高清節目，有兼顧4∶3取景拍攝的情況。常用的變換方式如圖1所示。

1.1 標清上變換的類型

1）上下切邊：16∶9取景的標清節目要上變換到高清播出，損失上下兩邊內容，構成16∶9的畫幅。

2）左右加邊：4∶3取景的標清節目要上變換到高清播出，左右加邊（黑邊或者包裝邊），構成16∶9的畫幅。

3）圖像拉伸：為了保全標清所有圖像內容，將4∶3比例的源畫幅橫向變形拉伸為16∶9畫幅。

圖1 變換方式

需要指出的是，上變換雖然滿足了幅型要求，而轉換后得到的高清圖像分辨率是靠插值達到的，因而不是真正高清的清晰度，依次插值和圖像補償能力也是上變換器選擇上的一個重要指標。

1.2 高清下變換的類型

1）上下加邊：16∶9取景的高清節目要下變換到標清播出，上下加遮幅，構成4∶3的畫幅。

2）左右切邊：4∶3取景的高清節目要上變換到標清播出，損失左右兩邊內容，構成4∶3的畫幅。

3）圖像擠壓：為了保全標清所有圖像內容，將16∶9比例的源畫幅橫向變形擠壓為4∶3畫幅。

需要指出的是，下變換從高分辨率降到低分辨率，圖像質量直觀上講應該沒有任何損失，而在實際中發現下變換后的圖像清晰度不好，對運動圖像有偽輪廓出現，還有斜向邊緣鋸齒現象。這些問題在后期調試時通過設置下變換器的圖像增強、運動補償等參數得以解決。

1.3 二次幅型變換可能的錯誤

二次變換會造成圖像質量損失較大，在實際工作中要求盡量避免。但是高清節目在制作時往往要用到標清素材，因此就會較多地存在“上變換-＞下變換”的情況。由圖2可見，二次變換容易造成四周黑邊的畫幅出現，稱為“郵票”錯誤，這是在實際使用中要杜絕的。

圖2 變換中的錯誤情況

1.4 特殊情況

1）標清節目遮幅中有對白

圖3為標清節目遮幅中有對白的情況。

圖3 遮幅中有對白的情況

某些標清電視劇節目采用16∶9取景，但是片源中對白疊加在下面的遮幅中，上變換時采用左右加邊就會造成“郵票”問題，上下切邊就會損失對白。對于上述問題，沒有很好的解決辦法，針對該情況要么允許“郵票”情況的存在，要么對節目重新制作（工作量很大），將對白做到有效圖像中。這也提醒大家，在影視劇引進的時必須考慮同播的兼容性。

2）轉播高清《新聞聯播》

該節目來自CCTV綜合高清頻道，但內容為高標清混合制作，臺標和右上角高清字幕都已經嵌入。如果要對其進行下變換播出，左右切邊會導致CCTV-1臺標和右側“高清”字幕被切斷。如果為了保證高清全畫幅，下變換采用上下加遮幅的方式，又會導致節目中郵票現象的出現。鑒于此，筆者考慮改造后保留標清頻道分控矩陣及相應控制，將標清CCTV-1信號加入分控切換矩陣中，即標清頻道轉播《新聞聯播》時選擇CCTV-1標清信號播出，而一般情況下選擇高清下變換器的輸出信號播出。

需要強調的是，節目幅型變換的結果必須反映制作人員的創作意圖。高、標清幅型變換的技術原因在于其幅型比不同，不同的幅型比決定了前期制作中構圖的表達區域不同。上變換和下變換的策略中都有內容損失的情況，都有可能會影響內容的表達。因此，幅型變換方式的選擇，必須以保證或者基本保證節目制作人員的創作意圖為原則，同時盡量減少多次變換。

1.5 基于AFD幅型變換

從上述討論可以看出，如果有一項技術能對視頻圖像中的關注區域進行描述，而且這種描述又能伴隨節目制作、播出始終，就可以做到無論幾經變換，也能讓變換結果是創作人員希望得到的畫面，而AFD就是這樣一種技術。

AFD全稱為ActiveFormatDescription，直譯為“有效版式描述”，目前行業內遵循的國際標準[3]如下：

1）SMPTE2016-1FormatforActiveFormatDe?scriptionandBarData定義了編碼格式。

2）SMPTE2016-3VerticalAncillaryDataMap?pingofActiveFormatDescriptionandBarData定義了AFD的消隱輔助數據字。

3）SMPTE2016-5KLVCodingforActiveFormat Description，BarData定義了MXF文件內KLV的編碼格式。

AFD是一種視頻元數據，用來描述電視圖像的原始寬高比和圖像活動區域信息，這里的活動特征信息就是上面說的創作人員感興趣的圖像區域。它可以存在于在視頻的生產、分配和傳輸過程中，也能在這些過程中被設置。AFD既可以嵌入在MPEG視頻流中，也可以嵌入到基帶SDI信號的輔助數據區，還可以嵌入MXF媒體文件KLV數據區內，在制作和播出時就可以使用AFD來達到自適應寬高比的目的。AFD在制作、轉換的過程中可以被下一級支持AFD的設備識別。變換后的視頻有可能還會進行多次變換，為了保證再次變換的準確性，變換器會對變換后的圖像格式重新嵌入AFD信息。如果能延續變換前的有效區域描述，則稱之為AFD信息的“繼承”，也有稱作“透傳”。另外，AFD可以達到幀精度級別的畫幅描述信息。

表1是SMPTE2016-3標準針對AFD在VANC（消隱輔助數據）描述。

表1 SMPTE2016-3中AFD的定義

AFD使用1bit的數據AR（Aspecstratio）描述寬高比，AR=0表示4∶3幅型，AR=1表示16∶9幅型。如果遇到特殊的幅型比，需要在BarDataValue中定義。AFD數據字使用4bit數據描述視頻幀的有效幅型，需要指出的是SMPTE2016-3并沒有明確規定AFD信息插入到哪一個消隱行中，理論上講可以放到切換行后的任意消隱行，但是為了給下游AFD信息的設備留出更多的處理時間，應盡早插入到緊隨切換行其后（標清切換行為6L/319L，高清切換行為7L/569L[4]）。這同時也提醒大家：系統建設時涉及到AFD信息嵌入和解析的設備，要盡早進行測試，以免不同廠家的AFD嵌入行定義有別。

使用AFD對4∶3幅型的視頻和16∶9幅型的視頻的活動區域進行描述就非常簡單。AFD有4bit描述，理論上講最多有16種定義，在SMPTE2016中針對4∶3畫幅定義了8種，針對16∶9畫幅定義了8種。

上文提到的4種常用的幅型變換方式，其定義如表2所示。

表2 常用變換的AFD編碼值

AFD有沒有“擠壓”和“拉伸”的描述？標準的AFD描述不具備這類描述。因為AFD提出的初衷就是為了保證畫面不變形，對于SMPTE2016-3明確標準規定的碼字，沒有使圖像變形的定義，但是AFD預留了幾個碼字，如“0001、0101、0110、0111”等，設備廠商可以對該碼字進行自定義，從而實現自己想要的變換方式。要實現這樣的特定需求，其中一個重要前提是，AFD全流程的設備必須遵循相同的定義，否則下游設備無法解析。

2 高標清同播的方式

高標清節目的同播依據節目變換發生的區域不同，可以分為以下兩種方式。

2.1 制作域源端變換

高標清節目的幅型變換是在源端完成的（見圖4），即在制作域完成高清、標清兩版素材，然后分別送往播出域的高清、標清兩個獨立的播出通道。這種方式也是全國第一批高標清同播衛視頻道普遍采用的實現方式。該方式保證了在播出域鏈路結構清晰，同時高標清系統通過設置在輸出端的上、下變換器，實現了播出通道的互備份，是較為安全穩妥的方案。當然該方案的不足也比較明顯，在制作域，欄目制作人員制作高標清兩版節目，工作量加大，文件的轉碼和傳輸壓力增大；在播出域，由于采用兩個獨立的播出通道，播控人員要同時維護同播頻道的兩份串播單，同播頻道的節目調整和應急處理復雜性提高。

圖4 制作域源端轉換示意

2.2 播出域輸出端變換

制作域只提供一版高清節目，播出域的標清信號直接來自于高清CLEAN輸出的下變換。根據下變換實現方式的不同，主要有以下3種自動變換方式：

1）播出單控制的單下變換器方式

高清播出通道只使用一個下變換器，其幅型變換的方式是由播出工作站按照節目單由GPI/422指令進行控制的（見圖5）。這種方式成本比較節省，但是由于控制指令到達下變換器的時間和高清切換矩陣信號送達下變換器的時間很難達到幀精度的同步，所以會造成非法變換畫面幀夾在標清播出信號中的情況。比如，“在播節目”是左右切邊的變換，“待播節目”是上下加邊的變換。切換的時刻控制指令已經到達下變換器，而切換矩陣仍未切換，這時本應左右切邊的信號就會上下加邊，非法畫面“夾幀”在最終輸出的標清信號中。解決的辦法是通過不斷的調試播出軟件，盡可能使播出軟件的指令時間與切換信號到達下變換的時間完全同步。

圖5 播出單控制的單下變換器方式

2）基于AFD信息的單下變換器方式

高清播出通道只使用一個下變換器，其幅型變換的方式完全由下變換器識別AFD信息進行控制（見圖6）。這種方式十分簡潔，但需要確保節目的在AFD信息經各級設備正確繼承。

圖6 基于AFD信息的單下變換器方式

3）基于鏈路選擇的多下變換器的方式[5]

高清播出通道使用多個下變換器，每個下變換器采用不同的固定下變換方式。播出工作站依照節目單中對下變換方式的預先指定，切換相應的下變換器輸出（見圖7）。該方式經兩級切換矩陣，多個下變換器中有一個正確的變換，如果標清的切換矩陣和高清的切換矩陣切換存在幀精度的時間差，也會造成標清信號中非法畫面“夾幀”的情況。

圖7 基于鏈路選擇的多下變換器的方式

3 濟南廣播電視臺同播系統的設計思路

選擇何種同播方式，必須以安全播出為總的前提，循序漸進地進行實施。濟南電視臺在高清頻道建設之初，由于節目生產的高清率較低，標清節目源大量存在，為了實現高標清同播，節目雙向變換的需求很大，因而采用了制作域源端轉換的方式[6]。之所最初設計時不選擇播出域輸出端變換，主要原因如下：

1）標清節目比例大，節目上、下變換鏈路設計復雜，播出路由調度復雜增加安全風險。

2）標清節目上變換后又用于下變換播出情況較多，畫面質量難以保證。

3）節目幅型變換的全臺制作規范尚未完善，節目制作人員高標清無同播意識，在對高清系統運行初期，將節目變換全部放到播出容易產生安全隱患。

隨著濟南廣播電視臺節目的高清率不斷提升，標清節目上變換的需求逐漸減弱，高清節目下變換成為主要需求。加之濟南廣播電視臺全臺網環境下媒體文件主要來自于制作網，少量廣告文件來自于播出部的上載子網，而基帶演播室信號大部分來自本臺制作部和轉播部。經筆者論證，若采用AFD技術，無論是文件級的AFD信息嵌入還是基帶信號的AFD信息嵌入都是可控的。所以，最終選擇基于與AFD和播出端控制結合的下變換方式（見圖8），設計目標為：

1）采用輸出端完全下變換的同播方式；

2）采用基于全流程AFD信息的單下變換器方式；

3）節目播出以單一節目為單位進行下變換控制；

4）播控工作站可對單一節目的變換方式進行修改；

5）下變換器具備遙控面板，可手動干預下變換方式。

高清通道使用單臺下變換器，默認工作情況為AFD模式，同時受控于播出工作站。一般的，對于來自制作環節的節目，下變換器依照AFD信息選擇下變換；對于沒有AFD信息的外來信號，實施默認下變換方式，特殊情況下可以通過發送GPI指令，對下變換強制變換。另外，保留了標清切換矩陣，以應對《新聞聯播》的轉播和標清頻道的并播等需求。

4 同播系統設計中需要注意的問題

4.1 AFD的全域支持

由于AFD技術的引入是為了方便幅型管理，其難點是要求所有入網的信號及媒體文件都要嵌入正確的AFD信息。這就要求：

1）制作域節目打包生成節目文件時將AFD信息準確寫入；

2）演播室的信號必須正確嵌入AFD信息；

3）播出域上載的節目要正確嵌入AFD信息；

4）播出域視頻服務器繼承文件AFD并將信息嵌入HD-SDI信號；

5）下變換器按照HD-SDI中輔助數據的AFD信息執行下變換；

6）所有設備AFD嵌入行和解析必須支持統一的定義。

4.2 將AFD納入節目流程管理

制定并嚴格執行《節目幅型變換管理規范》。要求節目文件傳輸必須跟隨相應的AFD信息元數據文件，以XML文件形式表示，由非編工作站打包生成媒體描述文件時一并產生。該元數據文件作為高清節目技術審看的比對依據。

4.3 完善AFD信息的技術質量控制

1）基于文件的檢測手段

擴展當前播前自動技審軟件功能，依照SMPTE 2016-5對MXF文件中AFD信息的文件審看，并與媒體描述文件比對一致性，如圖9所示。

圖9 技術審看文件的AFD信息（截圖）

2）基于信號的檢測手段[7]

使用泰克示波形監視器WFM7120，利用輔助數據狀態（AuxiliaryDataStatus）；利用輔助數據查看器（An?cillaryDataInspector）可方便地查看AFD在第幾行嵌入；利用其DataList可確認信號輔助數據的AFD編碼是否正確，如圖10所示。

4.4 系統可手動干預下變換方式

1）播出工作站修改節目的下變換方式；

2）下變換器支持遙控面板可手動干預。

4.5 應急強制變換時的夾幀情況

基于GPI/422控制的單下變換器會存在夾幀情況，可以由廠家進行多次調校，保證有播出工作站發出的控制指令和視頻服務器輸出的節目信號同一時間到達下變換器。由于此方式只用于AFD嵌入錯誤等極少的應急情況，即使有輕微夾幀現象，權衡增加1臺下變換器（使用固定方式下變換）而增加的投入，仍是可以接受的。

圖10 使用泰克WFM7120檢測AFD編碼和嵌入行示例（截圖）

5 結束語

高標清同播系統中，基于SMPTE2016AFD信息的幅型變換是較為理想的變換方式。其優點是AFD信息在制播網的全域支持，即使幾經變換也能攜帶者創作人員的意圖。然而任何技術都具有相對性，AFD的使用要求各個環節的正確嵌入、解析和繼承，這就要求必須輔以更完善的技術管理手段和更嚴格節目交換規范才能可靠運行。筆者相信在高標清同播這個較長的過渡時期內，基于AFD的自動幅型變換技術能夠扮演重要角色。

[1] 電 視臺數字化網絡 化建設白皮書（2009）[EB/OL]．[2013-06-15].http://wenku.baidu.com/link?url=9Nixs91WJWEge6 htI-UKbeFZHTaMR4GeVn1uYNOIizT6hOd6aM7otPiQSN_h2ayp_ v870j25NwVQHd-244JIeKdbFwu6csa3t2IyyOjeLlS.

[2] 姜秀華.數字電視原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[3] AFD-Aspect ratio management using AFD[EB/OL]．[2013-06-15].https：//www.smpte.org.

[4] 陳善移.數字視頻測量應用技術應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]金強.高標清同播播出鏈路設計中自動幅型變換的探索與實踐[J].電視工程，2012（4）：13-15.

[6] 宋磊，鞠峰，李震.城市臺高標清同播頻道的設計與實現[J].現代電視技術，2013（5）：92-94.

[7] Broadcastdataanalysis-Tektronix[EB/OL].[2013-06-15].https：// www.tek.com.

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2013-09-04

【本文獻信息】鞠峰，宋磊.高標清同播系統中自動幅型變換的探索[J].電視技術，2014，38（2）.

鞠 峰，濟南廣播電視臺電視播出部首席工程師；

宋 磊，濟南廣播電視臺電視播出部副主任高級工程師。