超高清、高標(biāo)清系統(tǒng)中上下變換板卡的應(yīng)用分析

董桂平 毛紅靜 王鑫淼

【摘要】在廣播電視播出系統(tǒng)中4K超高清、高清及標(biāo)清信號(hào)在上、下變換的過程中存在信息的損失，針對(duì)該問題本文詳細(xì)介紹了播出系統(tǒng)中的信號(hào)的上下變換，分析了不同格式信號(hào)變換過程中存在的問題和解決辦法，為同行業(yè)者提供參考。

【關(guān)鍵詞】高標(biāo)清下變換;對(duì)XVP3901板卡;索貝Smart-4K上變換

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.05.015

廣播電視行業(yè)以“高質(zhì)量，不間斷，既經(jīng)濟(jì)，又安全”的十二字方針為指導(dǎo)，在保證高質(zhì)量發(fā)展的前提下，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、穩(wěn)定的播出同播系統(tǒng)運(yùn)用而生。在大力推進(jìn)4K超高清視頻產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，也要兼顧高清電視節(jié)目和標(biāo)清電視節(jié)目的播出，因此由轉(zhuǎn)換器進(jìn)行4K HDR和HD SDR之間的相互轉(zhuǎn)換是各大電視臺(tái)解決這一問題的基本技術(shù)手段。

隨著4K超高清電視技術(shù)和4K產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，4K超高清HDR（High Dynamic Range，高動(dòng)態(tài)范圍）與高清SDR（Standard Dynamic Range，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍）和標(biāo)清SDI（serial digital interface，數(shù)字分量串行接口）信號(hào)共存。當(dāng)4K超高清HDR的逐漸成為主流，由于節(jié)目片源不足，需要將SDR節(jié)目上變換為HDR信號(hào)，既在制作流程上簡(jiǎn)化了制作系統(tǒng)，也提高了生產(chǎn)效率。出于兼容性及避免重復(fù)建設(shè)的考慮，高清SDR下變換為標(biāo)清SDI信號(hào)，本文通過對(duì)目前市面上主流上、下邊換板卡進(jìn)行測(cè)試中，針對(duì)不同信號(hào)利用不同的板卡加以實(shí)現(xiàn)，本文就涉及到的板卡XVP3901下變換板卡和索貝Smart-4K上變換的部分參數(shù)進(jìn)行一些技術(shù)上的探討。

1. 高標(biāo)清同播系統(tǒng)中下變換板卡應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)大部分電視臺(tái)采用高標(biāo)清同播系統(tǒng)，高標(biāo)同播的核心就是高清下變換器（下變換板卡）。由于高標(biāo)清在畫面分辨率和寬高比不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)或文件的時(shí)空采樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行變換，即在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)分辨率的變換，也就是我們說的下變換。使用高清下變換必然帶來視頻畫面的圖形畫幅的變化，要想做到在16：9的高清電視中很好的展現(xiàn)變換后的畫面，就要對(duì)變換板卡中變換方式和變換數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的設(shè)置，達(dá)到最佳的觀看體驗(yàn)。

在同播系統(tǒng)中我們采用XVP3901下變換板卡來實(shí)現(xiàn)視頻的高清下變換標(biāo)清。最初系統(tǒng)主要采用的是切邊模式或信箱模式的方式，這是根據(jù)在高標(biāo)清同播中，標(biāo)清素材占據(jù)相當(dāng)大的比例且CRT電視還處于主流地位。但是隨著時(shí)代的發(fā)展，高清素材比例已經(jīng)處于絕對(duì)主力地位且畫幅為16：9的平板電視已經(jīng)成為主流。因此擠壓模式成為了主流，擠壓后的畫面在16：9的電視中畫幅被拉伸，除了畫質(zhì)的降低外，視覺上基本與高清畫面一樣。

XVP3901下變換板卡是一款高度集成的3G/HD/SD幀同步器/長(zhǎng)寬比轉(zhuǎn)換器和可選的視頻/音頻信號(hào)處理器，用于同步和處理3G/HD/SD混合設(shè)備的高清和SD信號(hào)。有up/down/crossconversion能力。FS模型可以對(duì)SD信號(hào)進(jìn)行ARC控制，在將16：9 SD信號(hào)轉(zhuǎn)換為4：3 SD信號(hào)。高質(zhì)量的縱橫比轉(zhuǎn)換在50和59.94Hz，基于多種復(fù)雜的處理技術(shù)。為了確保信號(hào)在播放時(shí)以正確的寬高比傳送，XVP-3901-FS完全支持AFD。

AFD（Active Format Description）是活動(dòng)圖像格式描述的縮寫。它主要用來描述一個(gè)視頻編碼幀中，人們感興趣的那部分活動(dòng)圖像的顯示格式。AFD可以嵌入在MPEG視頻流、基帶SDI信號(hào)的輔助數(shù)據(jù)區(qū)和MXF文件內(nèi)的元數(shù)據(jù)區(qū)，實(shí)際播出中可以在HD/SD-SDI信號(hào)流和MXF文件中寫入AFD信息，達(dá)到自適應(yīng)選擇寬高比變換方式的目的。在進(jìn)行高標(biāo)清下變換過程中，若不根據(jù)AFD值進(jìn)行變換，產(chǎn)生不一樣的幅形變換。目前系統(tǒng)方案選擇擠壓方式，如圖1。

同播系統(tǒng)利用XVP3901下變換板卡配置成擠壓方式播出，配合目前16：9的高清電視的高普及率，使得高標(biāo)清同播方案在畫面幅形變化方面得到了很好的解決，也更符合觀眾觀看習(xí)慣。

2. 高清上變換4K

在4K超高清和高清同播系統(tǒng)中，由于節(jié)目片源不足，需要將SDR節(jié)目上變換為HDR信號(hào)，將會(huì)涉及到高清素材上變換到4K節(jié)目使用。既在制作流程上簡(jiǎn)化了制作系統(tǒng)，也提高了生產(chǎn)效率。但是上變換要求輸出的4K視頻效果與變換前的高清素材效果保持一致。

高清上變換4K測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如果高清素材不進(jìn)行上變換而直接在4K設(shè)備上播放使用，會(huì)出現(xiàn)整體畫面過暗的問題。SDR節(jié)目上轉(zhuǎn)換到HDR-HLG后，圖像會(huì)比原版SDR節(jié)目亮度暗，因此可在上轉(zhuǎn)換過程中提升SDR到HDR的亮度映射電平來部分解決這一問題。通常情況下，在上轉(zhuǎn)換過程中，對(duì)于高于100%動(dòng)態(tài)范圍的拐點(diǎn)部分用直接映射方式（Direct Mapping）完成上轉(zhuǎn)換。對(duì)此，ITU組織頒發(fā)的BT.2390標(biāo)準(zhǔn)定義了上變換的轉(zhuǎn)換算法，如圖2所示。

當(dāng)輸入的信號(hào)源為HDR高清信號(hào)（或?yàn)槭峭鈦砀咔逯辈バ盘?hào)，CCTV高清信號(hào)時(shí)），而矩陣（或演播室）卻需要4K超高清信號(hào)時(shí)，需將輸入信號(hào)進(jìn)行上變換操作如圖3所示。

本系統(tǒng)采用索貝Smart 4K全能轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)上變換功能，其作用是將外來的高清信號(hào)（SDR BT.709）信號(hào)轉(zhuǎn)換成4K信號(hào)（HLG BT.2020）進(jìn)入到4K的制播系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的調(diào)用。

對(duì)多格式轉(zhuǎn)換器的選擇，不能只單純地停留在從超高清到高清、高清到標(biāo)清轉(zhuǎn)換，而只關(guān)注分辨率的轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵是要看其在不同動(dòng)態(tài)和不同色域之間的轉(zhuǎn)換能力，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的信號(hào)能把4K畫面的高動(dòng)態(tài)，寬色域的真實(shí)色彩還原出來，如圖4。轉(zhuǎn)換后的4K畫質(zhì)更加明亮，細(xì)節(jié)還原度更高。

針對(duì)4K節(jié)目下變換至高清，ITU BT.2390標(biāo)準(zhǔn)也給出了相關(guān)的思路。在進(jìn)行下變換時(shí)，色域根據(jù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)一對(duì)一進(jìn)行映射，但需要更多考慮動(dòng)態(tài)曲線的轉(zhuǎn)換，即伽馬的轉(zhuǎn)換。對(duì)不同的下變換方式進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：整體壓縮的方法會(huì)導(dǎo)致圖像整體過暗;裁切高亮部分的方法會(huì)導(dǎo)致圖像過曝;設(shè)立亮度拐點(diǎn)，適當(dāng)壓縮亮度超過拐點(diǎn)的部分，完好保留亮度低于拐點(diǎn)的部分，能夠最大程度保留HDR的畫面。

Smart 4K全能轉(zhuǎn)換器可以對(duì)不同動(dòng)態(tài)，不同格式和不同色域的制作實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，包括支持超高清HDR與高清SDR或超高清4K與高清HDR之間的轉(zhuǎn)換，支持ITU-R.709和ITU-R BT.2020色域之間的轉(zhuǎn)換以及分辨率為3840x2160和1920x1080之間的轉(zhuǎn)換等功能，實(shí)現(xiàn)了4K和HDR節(jié)目的同步播出。在系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)上下變換的時(shí)候，需要注意的是4K與HDR和SDR的轉(zhuǎn)換增益差的調(diào)整。

4K與HD在相互轉(zhuǎn)換過程中，上轉(zhuǎn)換（實(shí)質(zhì)信息沒有增加，通過插值和擴(kuò)展映射實(shí)現(xiàn)）容易出現(xiàn)對(duì)比度、飽和度降低的現(xiàn)象。因此在上轉(zhuǎn)換的過程中，要對(duì)系統(tǒng)增益、對(duì)比度及飽和度做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這些參數(shù)在制作和播出領(lǐng)域應(yīng)統(tǒng)一。當(dāng)4K節(jié)目兼顧高清制作的時(shí)候，現(xiàn)階段應(yīng)以高清（SDR）圖像質(zhì)量為基準(zhǔn)進(jìn)行4K攝像機(jī)曝光等控制，以確保同時(shí)獲得高質(zhì)量的4K和高清圖像。

3. 總結(jié)

在廣播電視播出系統(tǒng)中4K超高清、高清及標(biāo)清信號(hào)在上、下變換的過程中存在信息的損失，通過選用的不同的上、下變換器板卡，既要保證4K超高清、高清節(jié)目的畫面視覺效果，還要避免由于上、下轉(zhuǎn)換帶來的亮度過高或過低、彩色失真等安全播出隱患在4K HDR BT.2020、HD BT.709、SDR BT.601 之間的相互轉(zhuǎn)換過程中，上、下轉(zhuǎn)換器的選擇可以有效避免因亮度過高或過低產(chǎn)生的過曝現(xiàn)象，并解決彩色失真等安全播出問題。伴隨新技術(shù)的不斷推進(jìn)，圖像效果也會(huì)不斷提升。此外，對(duì)于上變換為4K信號(hào)的參數(shù)配置和技術(shù)分析的不斷深入，也是為8K技術(shù)開展做好準(zhǔn)備工作。

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