淺談視頻文件幀頻轉換的一些方法及常見問題

□劉海蘭 李海彬 李榮瑋 黎朗

淺談視頻文件幀頻轉換的一些方法及常見問題

□劉海蘭 李海彬 李榮瑋 黎朗

國內電視的播出幀頻是25幀/秒，但很多攝錄設備并不按此幀頻進行拍攝，要將這些視頻在電視上播出，必須進行幀頻轉換。本文主要闡述幀頻轉換的一些技術要點和注意事項，并針對幀頻轉換的一些方法進行重點介紹和分析。

幀頻；電視制式；采樣時間

在使用非編系統制作電視節目時，常常會遇到不同攝錄設備產生的視頻文件，既有記者使用專業攝像機拍攝的視頻，也有通過相機、手機拍攝的視頻，但在節目制作中，一些電腦上播放流暢的視頻，經過非編軟件處理后在電視機上播出時，畫面卻出現抖動，這是怎么回事呢？較大的可能是原始視頻的幀頻與電視播出的幀頻不同造成的。

一、電視制式和幀頻

在模擬電視時代，電視分為NTSC、PAL、SECAM三大制式。

（一）NTSC制式電視的分辨率為720×480，幀頻為每秒29.97幀(一般簡化為30幀)，場頻為每秒60場，這種制式的色度信號調制特點為平衡正交調幅制，即包括了平衡調制和正交調制兩種。

（二）PAL制式電視的分辨率為720×576，幀頻為每秒25幀，場頻為每秒50場，它對同時傳送的兩個色差信號中的一個色差信號采用逐行倒相，另一個色差信號進行正交調制方式，是中國目前使用的制式。

（三）SECAM制式電視的分辨率為720×576，幀頻為每秒25幀，場頻為每秒50場，在信號傳輸過程中，亮度信號每行傳送，而兩個色差信號則逐行依次傳送。

幀頻（frame rate）是指每秒鐘放映或顯示的幀或圖像的數量。因為以前的電視機使用顯像管來成像，所以三大制式都采用隔行掃描的方式，即將1幀畫面分為奇數場和偶數場來顯像，因而場頻是幀頻的一倍。

由于三大制式之間的參數不同，在使用錄像機進行電視節目的編輯時，不同制式的錄像帶是不能互相兼容的，制式間的轉換也需要專門的設備，一般很少進行轉換。

在數字電視時代，電視制式被漸漸忽略了，至少在節目制作域中，它已經被淡化了。因為電視素材的來源，已不僅僅是用專業的攝像機來錄制的視頻，手機、照相機、攝像頭等設備都可以錄制視頻并以文件的方式存儲，這些文件是沒有制式之說的。

但是視頻的幀頻對于電視的播出仍然是重要的，因為國內各電視臺的節目播出，標清采用PAL制，高清采用1080 50i，其幀頻都是25幀/秒，在使用非編軟件制作電視節目時，無論原始視頻的幀頻是多少，最終必須轉換為25幀/秒，而幀頻的轉換可能會影響最終的節目成像質量。

二、幀頻和采樣間隔時間的關系

人眼視覺惰性的活動閾值是每秒24次，即每秒鐘連續顯示24幅以上的不同靜止畫面時人眼就會感覺圖像是連續運動的而不會把它們分辨為一幅幅靜止畫面。

在拍攝電視時，視頻的錄制并不是連續的，而是每隔一個固定的時間拍攝一幀畫面并記錄下來，播放時再按拍攝的速度進行重放，由于相鄰兩幀畫面的間隔時間很短，人眼看來就是連續的了。

根據設置的幀頻，可以確定每秒記錄幾幀畫面，以及相鄰兩幀畫面的采樣間隔時間，它與幀頻的計算公式為：采樣間隔時間=1000毫秒÷幀頻。當幀頻為25幀/秒時，1000÷25=40毫秒，30幀/秒時約等于33.33毫秒，50幀/秒時等于20毫秒，每幀畫面的時間戳將按這個間隔遞增。

拍攝時使用的幀頻越高，記錄的畫面就越多，圖象細節也會更豐富。在一些體育賽事的轉播中，經常會使用高速攝像機以電視幀頻兩倍以上的速度錄制視頻信號，再將錄制幀頻轉換為電視的播出幀頻；而在慢動作重放時，這些在正常播出時沒有用到的畫面發揮了很大的作用，它讓我們看到的慢動作過程是連貫的而不是卡頓的。

看到這里，你可能會有一種感覺，就是從高的幀頻轉為低的幀頻是沒有損失的，就像將一張4000×2250像素的照片，縮小到1920×1080像素，放到1280×720的顯示器里觀看，圖片的質量并不會降低。那幀頻從高向低轉換，是否也是這樣的？這個需要看情況而定。圖1是25幀/秒分別與30幀/秒、50幀/秒的采樣時間對比。

從圖1可以知道，除原點（即0ms）外，25幀/秒與30幀/秒每秒鐘內對畫面進行采樣的時間點位是不相同的；而50幀/秒采樣畫面的時間點，會與25幀/秒的出現重合周期。

當采用播出幀頻的倍頻錄制視頻時，如50幀/秒，將其幀頻降為25幀/秒，只需將50幀/秒的畫面每兩幀抽取1幀，即可降為25幀/秒，視頻的連續性基本不會有任何的影響，音頻也不會不同步，這就是為什么高速攝像機采用多倍頻進行記錄的原因。

而如果是反過來將25幀/秒提升至50幀/秒時也很方便，將25幀畫面每幀寫入2次即可，雖然畫質沒有提高，但不會出現任何問題。

圖1 視頻采樣記錄時間

但將幀頻從30幀/秒轉至25幀/秒，或者反方向轉換時，就沒有這么幸運了，由于兩者的采樣間隔時間不成整數倍關系，無論如何處理，都會對視頻的連續性和視音頻的同步產生些許影響。

三、降低幀頻的常用方法

國內電視制式的幀頻是25幀/秒，而手機、相機拍攝時常用的幀頻是30幀/秒，一方面拍攝者可能不清楚幀頻對電視播出的影響，另一方面某些手機、相機不支持以25幀/秒拍攝，因此幀頻從30幀/秒降為25幀/秒是比較常見的，下面介紹幾種降低幀頻的方法。

（一）丟棄部分幀并重組視頻

這種方法常見于轉碼軟件，轉換時將每秒30幀的圖像，每隔數幀丟棄1幀，將剩下的25幀重新組成1秒的視頻，圖2是轉碼軟件FFMPEG降幀頻后每秒保留的原幀畫面。

圖2 FFMPEG降幀頻后的畫面分解

降幀頻后，每秒內的30幀畫面，其中的第5、11、17、23、29幀被抽走并丟棄，不再出現在新組成的視頻中，并且除了第1幀外，其它各幀的采樣時間也發生了變化，如表1所示。

表1降頻前、后采樣時間及偏差值

從表1可知，新組成的各幀畫面，采樣時間最慢的是滯后原視頻畫面約21ms，最快的是超前6ms，即有些畫面出來得慢了，有些又出來得快了，加上丟棄了5幀，畫面的

連續性較差，并且視音頻會產生輕微的不同步。

（二）相鄰兩幀做透明疊加融合

這種方法多見于非編軟件，如Edius、大洋非編軟件等，它們的做法是將相鄰的兩幀進行一個類似于半透明的過渡處理，圖3是Edius降幀頻后重新生成的畫面。

從圖3可知，相鄰的兩幀畫面按不同的透明比例進行疊加融合，并重新渲染為新的一幀畫面，從某種意義上來說，這里沒有丟棄任何一幀畫面，因此畫面的連續性可以得到保證，但是又產生一個新的問題，即融合后的畫面可能會產生少許的重影、模糊、拖尾。

圖3 Edius降幀頻后的視頻分解圖

這種方式處理的視頻，其各幀的采樣時間已不好估算，無法計算出轉換后各幀的超前和滯后情況，但視音頻輕微不同步現象仍然不可避免。

（三）降速變換

這種方法有點像慢放，即將原來每秒鐘播放30幀改為播放25幀，但后面的5幀并不丟棄，而是放到下一秒鐘，原來1秒鐘的視頻變成了1秒加200毫秒，由于每秒鐘的視頻變慢了，因此音頻也要作相應的調整，這樣才能保證聲畫同步。由于轉換工序復雜，并且視頻明顯變慢，這種方法并不常見，僅在一些特殊情況下使用。

綜上，在原始幀頻與播出幀頻不存在倍頻關系的條件下，無論采用上述的何種處理方式，在降低幀頻后，畫面都會產生一定的失真。

四、提高幀頻的常用方法

提高幀頻的方法與降低幀頻的差不多，基本上就是其逆運算過程。

（一）按比例重復插幀：根據源幀頻與目標幀頻的差值，每隔數幀向目標視頻插入一幀，如15幀/秒提高至25幀/秒時，平均每1.66幀插入相鄰的1幀。

（二）某兩相鄰幀疊加產生第3幀：原幀畫面不變，根據轉換幀頻的比例，某兩幀畫面按不同的透明度疊加產生新的第3幀。

（三）全部相鄰幀疊加產生多幀：全部畫面重新渲染，相鄰兩幀按不同的透明度產生多幀。

當幀頻低于人眼視覺惰性的活動閾值時，由于原始畫面的細節丟失嚴重，無論通過何種方式，基本上無法提高畫面質量。

五、結語

當視頻的錄制幀頻與電視幀頻不是整數倍關系時，是一個比較難以處理的情況，轉換后的視頻肯定會有一些失真。文中談及的幾種轉換方法，并未提及何種方法更優，這需要根據視頻畫面的構成而定。我們要做的是，將轉換失真降到最低點，在有條件的情況下，盡可能采用幾種方法做轉換，在完成的視頻文件中挑選一個效果最好的。

（作者單位：廣西電視臺新聞中心）