路晓俐
叶红
中央电视台
１概述
数字技术应用于电视节目制作系统已有２０多年的历史，目前的普通数字电视节目制作设备具有同模拟设备相同的图像和声音格式，但数字设备却提供了更完美的图像质量，特别是多次复制后，图像质量几乎无损，其图像信号矫正及编辑能力远大于模拟系统。
数字技术为电视节目制作提供了无限的创作空间和技术手段，在节目制作的各个环节中，图像和声音质量都可以得到控制，从而满足节目制作者的需求。然而，目前数字节目制作系统的图像质量并不能反映到观众面前，一旦电视节目信号进入传输通道，如：地面广播、卫星广播、有线电视等，信号又转入模拟设备，这时的图像质量将取决于所进入的传输系统。地面电视广播的图像质量常被恶劣的接收环境所破坏，有线电视系统常受交叉调制的干扰。无论多么好的输入信号经传输系统后，用户接收端的图像质量也不会很好。
经过多年的研究，很多国家已采用新型的数字传输系统来代替模拟传输系统。数字传输系统具有在模拟环境下不可实现的特点，例如：图像质量的选择、画面幅型比及声音通道的设定，还可附带诸如电子节目单、交互信息等数据服务。形成了全新的数字电视环境。在这种环境下，无论普通清晰度电视（ＳＤＴＶ）、增强清晰度电视（ＥＤＴＶ），还是高清晰度电视（ＨＤＴＶ），都面临着扫描行数，场频、画面幅型比及声音格式的选择。
２电视图像格式
目前世界上普遍采用的两种基本图像格式是５２５/５９．９４和６２５/５０（即ＮＴＳＣ和ＰＡＬ），二者均为隔行扫描。考虑与现存图像格式及技术协议兼容，顾及各国现有的电视技术环境，是我们确定下一代图像格式的主要因素之一。从技术角度上讲，我们希望有一个世界统一的标准，以简化我们的广播系统，简化我们的知识体系。然而事与愿违，随着数字化时代的到来，计算机网络和多媒体技术迅速向各个行业渗透，广播电视的传输手段趋于多元化，内容趋于多样化。因此标准越来越复杂，甚至还要引入加密技术。
美国的ＡＴＳＣ（高级电视制式委员会）和欧洲的ＤＶＢ（数字视频广播）两个研究体系均已推出各自的图像、声音信号格式，并且均被管理国际通讯业务的政府机构认可，做为格式标准。
ＤＶＢ标准是包括ＨＤＴＶ在内的多种数字电视格式。欧洲的ＤＶＢ规划开始于１９９３年９月，其成员来自以欧洲为主的世界上１００多个电视组织和机构，这些组织和机构是不受政府控制的非政府组织。研究目标是制定欧洲的ＤＶＢ标准，尽早引入ＤＶＢ业务。
ＤＶＢ图像格式包括：一个高清晰度电视（ＨＤＴＶ）格式，一个增强清晰度电视（ＥＤＴＶ）格式，两个标准清晰度电视（ＳＤＴＶ）格式，选择起来比较简单，见图１。
ＡＴＳＣ数字电视标准是由美国高级电视业务顾问委员会（ＡＣＡＴＳ）提出的、于１９９５年９月１５日正式通过，作为美国高级电视（ＡＴＶ）国家标准。标准制定的目的之一是协调国内电视事业的发展。在ＡＴＳＣ系统中有１８种图像格式，如图２。
对ＡＴＳＣ图像格式有可能产生误解，因为它假定了帧频的整数倍与非整数倍是一样的，即认为２９．９７Ｈｚ也就是３０Ｈｚ。这种说法对于电视观众是无可非议的，但在技术上２９．９７Ｈｚ和３０Ｈｚ是完全不同的两种帧频。理论上讲，所有的帧频应该分别标出，也就是说精确的ＡＴＳＣ图像格式是３６种，见图３。因此在ＡＴＳＣ环境下，传送到用户终端的图像格式应是３６种，这些图像格式均可发送至用户终端，ＡＴＳＣ接收机应能显示所有的ＡＴＳＣ格式。但是在现行的数字传输标准中只有一部分可被传输。
３信号的传输格式
上述的图像格式不一定都适合做为传输标准，比如：标准定义为５２５燉２９．９７、４：２：２分量信号，其取样频率为１３．５ＭＨｚ，则每帧取样点为：
１３.５ＭＨｚ÷２９.９７＝４５０４５０样值燉帧
每行取样值为：
４５０４５０÷５２５＝８５８样值/行
但是，如果同样的信号采用３０Ｈｚ帧频，则每帧取样为：
１３．５ＭＨｚ÷３０＝４５００００样值/帧
每行取样值为：
４５００００÷５２５＝８５７.１４２８５７
１４２８…样值/行
可见这是不可实现的。若按照通常的串型数字传输码流（ＳＭＰＴＥ２５９Ｍ/ＩＴＵ６０１）标准来传输标准清晰度信号，只有帧频为２９．９７是可用的。实际上所有采用１３．５ＭＨｚ取样频率的５２５行信号系统的帧频必须采用３０/１.００１＝２９．９７Ｈｚ。只有６４０×４８０图像格式在采用２９．９７帧频时，传输需进行图像数据的填充，以便符合ＳＭＰＴＥ２５９Ｍ协议要求。如图４列出４种可经现行数字接口传输的ＡＴＳＣ标准清晰度图像格式。
高清晰度信号有两种取样率，一种是７４．２５ＭＨｚ帧频的整数倍；另一种是７４．２５ＭＨｚ/１．００１，同５２５行格式兼容。不同于ＳＤＩ格式数据率皆为２７０Ｍｂｉｔｓ，ＨＤ－ＳＤＩ信号可选两种数据率，但要记住传输ＨＤ信号，１５Ｇｂｉｔｓ的码率是一个参考值，并非实际的数据率，ＨＤ－ＳＤＩ信号的数据率计算方法如下：
帧频为３０Ｈｚ的数据率
Ｒ＝取样率×２（１个亮度取样率＋２个色度取样率）×１０（１０ｂｉｔ量化）＝１．４８５Ｇｂｉｔｓ
其中色度取样率为亮度取样率的１/２。
帧频为２９．９７Ｈｚ的数据率
Ｒ＝取样率（７４．２５ＭＨｚ/１００１）×２×１０＝１４８３１６４８３５１６Ｇｂｉｔｓ（循环小数）
为删繁就简，我们将有关传输参数以表格的形式给出，表１列出可经标准接口传输的所有图像格式，表２列出目前常见的传输方式。
许多不同的图像格式可经同一个串行接口传输，图５示出各种不同的图像格式之间的关系。
节目制作设备可以是特定的或多种的图像格式。但多数图像格式不能直接兼容或互换。尽管系统中的周边设备可能是通用的，但任何一个系统设计中所包含的摄像机、录像机、编辑机和信号存储设备的图像和声音格式都是特定的，因此在同一个节目制作系统中，往往不能兼顾多种图像格式。
在数字电视环境中的声音信号部分同样有新的，不同于以往的格式出现。在ＡＴＳＣ和ＤＶＢ系统中声音均为５．１通道，可包括单声
道混合节目声、立体声、预逻辑处理，多种语音及环绕声。发送到用户终端的信号压缩系统已形成标准（ＤｏｌｂｙＡＣ３和ＭＰＥＧ２），但基带环绕声信号的传输、存储和编辑至少需要６个声音通道（３对ＡＥＳ音频信号）。目前，普通清晰度数字录像机最多有４个声音通道，高清晰度录像机应提供更多的声音通道。此外要使用视频存储设备，如硬盘录像机，保持声音相位的精确调整仍有难度。接口的定义和硬件的实现正在开发之中，目的是将多路声音信号在底层平台上处理成为基带的或压缩的单一数据码流。
显然信号格式的选择取决于各种不同的应用需求，一种标准总是对应某些应用需求，但新技术开发中的商业目的也是导致标准与格式种类繁多的因素之一。
４节目录制与后期制作
任何一个生产节目制作设备的厂家都面临一种困境，为满足需求要生产各种格式的设备。理想情况下，在众多格式中选一种通用的节目制作格式将是完美的解决方案。目前唯一通用的格式是胶片格式，但胶片的剪接和效果处理成本较高，且在多数情况下不易实现。
在国际间电视节目交流中常见的两种制式是ＮＴＳＣ（５２５/５９９４）和ＰＡＬ（６２５/５０），如采用通用的胶片格式进行交换，可避免视频制式的转换。高质量的胶片格式下完成节目编辑是专业化的工作方式，很多节目制作商喜欢直接用胶片格式转换成最终用户使用的视频格式。如节目编辑过程中多次转换，会使节目成本升高，图像质量下降。随着全球信息产业的迅速发展，国际间的节目交换日益增多，新增加的图像格式必会给节目交换带来很多麻烦，需建立可适用于多种图像格式的复杂技术系统。于是人们考虑用单一的胶片格式建立节目制作系统，节目制作完成后，针对每个节目交换渠道，最后，将节目信号转换成符合传输格式要求的形式。首推的单一图像格式是１０８０ｐ/２４，即１０８０行２４帧逐行扫描方式，它是由电影胶片格式直接产生的图像格式，可以很方便地转换成各种帧频格式，不会引入由多次转换所造成的人为图像损失，通过简单的行内插技术就可转换成任一种行频格式。图６示出如何用重复一场或帧的方式将１０８０ｐ/２４（或２３．９７）转换成１０８０ｉ/３０（或２９．９７）格式。这种处理方法对某一运动速度和方向会产生可察觉的画面抖动，这种抖动是由于２～３帧或场的重复而造成的，但对２４帧胶片格式到ＮＴＳＣ制转换时，抖动是不明显的。如转换到２５帧格式需有４．１％的速度变化，这种变化将影响节目的时长，同时有一点声音的偏移。
５节目制播系统
通常电视广播系统只有一种或两种图像格式发送到用户，因此广播系统组成比后期制作系统简单，而目前大部分广播系统只传输一种图像格式，可见要开展数字电视广播（ＤＴＶ/ＤＶＢ），必然会增加广播系统的复杂程度。
在数字电视广播环境下，高清晰度电视（ＨＤＴＶ）和标准清晰度电视（ＳＤＴＶ）将在同一个系统广播，相应的节目制播系统构成可简可繁，简单讲只需在系统的输入和输出端加入上变换或下变换器。如对每种图像格式都分别进行节目制作和传输，系统构成将比较复杂。图７给出一种模拟广播向数字广播过渡时期的综合节目制播系统示意图。我们假设视频信号的传输以模拟设备为主（包括卫星、微波、光缆、同轴电缆等）；节目制作有模拟设备，也有数字设备；数字播出系统，兼高清晰度电视播出。这种状态将是每个电视广播网都会面临的境况，合理的系统设计将大大减少资金消耗，缩短过渡时期。
６结论
格式的选择和系统工作方式取决于广播组织，电视观众只关心是否能接收到良好的电视图像。各广播机构应根据现有广播系统的情况，认真研究所处的数字电视环境，兼顾经济和社会效益，选择适合本国或本地区的数字广播标准与图像格式。
数年之内（或更长时间）模拟系统将继续存在，不同的压缩技术需在一个系统中共存。建立一个适合广播各种数字电视标准的广播网络，设计难度大，建设成本高。因此我们必须综合考虑，改进节目制作系统，提供一种适用于发送媒体的输出格式，切合实际地作出模拟广播到数字广播过渡的规划，避免出现系统设计、构成和应用方面的错误，逐步建立一个完善的数字电视节目制作和传输系统。
（收稿日期：１９９９１１２４）
摘自<6609.net>