高清技术分析及应用现状

　　 河南电视台都市频道技术部 胡琳娜
2005年中国西部电视技术协会第十七届年会技术论文三等奖
摘要：本文首先介绍了高清技术标准；接着从高清的系统流程角度阐述了诸环节中支持高清实现的技术；然后分析了在从标清过渡到高清的实际操作中，高清晰度电视系统所要面对的各种问题及设备的使用状况；最后阐述了高清技术的应用，包括作为胶片的数字载体在电影领域的应用，低成本的高清技术HDV在ENG领域的应用。
关键词：HDTV 高清编辑 上下变换 电影数字化 HDV
人们期待电视呈现更真实逼真的画面，如同在电影院欣赏电影一般的收视效果。高清电视标准中提高了分辨率，采用了逐行扫描和提高帧频的技术，更符合人们的观看16:9的宽画幅，提高了电视的收看效果。
高清电视不等于数字电视，日本早在1990年左右就搞模拟HDTV,并于1992年试播,当数字HDTV出来后,日本才停止其模拟HDTV并改为数字的。
一、高清技术标准
当前电视制式的主要技术特征是行频、场频、扫描方式、宽高比。制式决定了电视所携带的信息量和显示质量。数字高清是多种制式并存，针对不同的需求采用不同的制式。

HDTV有清晰度等级不同的图像三种显示格式，分别是：720P（1280×720P），1080/60i/50i（1920×1080i），1080/24p/25p/30p（1920×1080p）(p:逐行扫描i: 隔行扫描)
1920×1080/i是清晰度指标最高的，广电总局于2000年8月发布了GY/T 155-2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数标准，将1080/50i确定为中国的高清晰度电视信号源标准， 采用1080/50i作为高清信号源标准的一个突出优点是1080/50i与我国现行的标清信号源576/50i (PAL)可以非常容易地实现上/下变换，为顺利从标清向高清过渡提供了良好的条件。
1080/24P(简称24P或24F)是一种专门用于后期制作的高清晰度电视格式，它采用的24帧逐行扫描方式与每秒24幅画面的电影胶片具有每帧电视图像与每幅画面一一对应的关系，因此在进行胶片与磁带的相互转换时不会产生因帧频变换而带来的图像质量损失。1080/24P是电影与电视结合的最佳桥梁，已经被美国的节目制作行业，特别是采用胶片作为前期拍摄的节目制作公司接受为后期制作的标准，正在成为国际间高清晰度电视节目的交换标准。
码率显著的提高
我们这里计算下HDTV的基带码流。根据SMPTE 274M数字电视标准中，采用10比特量化时，HD数字电视信号的基带码率是1485Mbps（亮度信号的取样频率×量化比特数+2个色差信号的取样频率×量化比特数= 74.25（MHz）×10 （Bit）+2×37.125（MHz）×10（Bit）），其中有效码率为829.44Mbps。而根据ITU-R601数字电视标准，采用10比特量化时，SD数字电视信号的基带码率是270Mbps，其有效码率为165.888Mbps。因此，HDTV的绝对码率是旧的PAL制SDTV的5.5倍，有效码率是SDTV的5倍。高码率成为高清节目的最大特点，是制作与传输环节所要解决的首要问题。
二、高清的实现包括HD制作、节目传输和接收显示诸多环节
（一）节目制作
由于高清节目所包含的信息量更大，码率更高，给节目制作带来诸多课题。如节目存储、制作网络环境的建立、硬件运算速度的提高等。
以下技术使得高清节目的制作与传输得以实现，促进了高清的发展:CPU运算速度的提高。高速的运算能力满足了对较高压缩比，较复杂算法的编码的解码工作。 随着蓝光盘存储技术，半导体存储技术及硬盘存储技术的发展，存储大尺寸的高清媒体文件成为现实。 压缩编码技术的发展,如WMV9、H.264等编码压缩技术，使高清节目文件放下庞大的身躯，更适合存储和传输。 传输技术的发展提高了带宽，不仅能够建立高清节目编辑制作的网络环境，也促进了广域网络高清节目的传播和发布。
众多非线性编辑软件厂商和硬件设备厂商积极推出支持高清的产品，让高清节目制作触手可及并更为普遍。例如sony公司开发的Xpri 高清非线性节目制作系统，可协助实现从采集到播出全程高画质，实时的进行高清编辑，并且它与XDCAM专业光盘系统无缝兼容，可实现有效的高清存储。同时如Apple公司，Discreet公司等都纷纷推出支持高清节目编辑的Final Cut Pro HD, Avid HD等软件系统。
此外高清在移动现场编辑方面也有较大的发展。目前火线传输已可以支持高清。这大大降低了高清系统设备的成本。2004年，苹果公司和松下公司合作实现了在IEEE 1392火线以100Mbps传输DV-HD(松下DVCPRO高清系统的视频压缩标准)。苹果把自己定位于专业移动编辑系统供应商。它提供功能强大的膝上型电脑，如PowerBook系列高端的Titanium，以及带Final Cut Pro的专业编辑系统。Final Cut Pro HD通过FireWire电缆提供捕获、编辑和输出广播质量HD视频的能力，无需使用其它硬件。


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这些技术的发展提高了工作效率，革新工作流程。
（二）高清信号的传输
高清信号的传输方式既可以是模拟的也可以是数字的，不过从目前的技术发展来看即将播出的高清电视不可能采用模拟传输方式。数字信号的传播速率达每秒19.39兆字节，如此大的数据流传输速度保证了数字电视的高清晰度。所以，高清电视的播出就牵涉到了数字电视的传输问题。
在中国，卫星数字电视的传输，国家采用DVB-S标准；广电总局推荐使用DVB-C作为中国有线数字电视传输的行业标准。地面播出数字传输技术标准还没有确定，但同时根据目前的技术，数字电视的地面传输还不能支持高清节目。
在传输过程中使用的压缩编码
HD的基带码流高达1.5Gb/s。与标清服务相比，分发高质量HD节目需要5倍的带宽。传输高清信号首先要对其进行压缩。采取有效的压缩办法，从质量和效率上去平衡，从而保证基于目前IT技术的网络能够满足高清节目所要求的带宽和存储量。
目前的HDTV传输压缩标准DVC-S,DVB-C使用的是MPEG-2压缩编码。后来发展起来的WMV9，H.264等编码压缩技术与MPEG-2相比，能节省一半多的带宽，这将对HD节目的分发产生巨大的影响。
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在下一代HDTV传输压缩标准中，MPEG-4和微软的编解码方案（正从Windows Media 9变体为Video Codec-1/VC-1）竞争激烈。在欧洲，MPEG-4占上风。Premiere ?World将把MPEG-4用于其下一代压缩。去年推出HD业务的法国广播机构也在考虑MPEG-4。 ?但目前MPEG-4要求相当高的许可费用。
对于VC-1，虽然VC-1是蓝光盘和HD-DVD解码方案的一部分，但至今还不是一种标准。有些广播机构质疑微软方案在专业领域的表现。但在端到端系统解决方面，微软已提出方案，并获得不错的评价。而没有这方面的选择。并且相比MPEG-4，微软方案没有高额的许可费用，具有成本优势。 ?
三、高清的实现经历过渡阶段
在从标清向高清的过渡过程中，很长一段时间，SD和HD混合制作、并行发展。无论是SD素材还是HD素材，通过丰富的转换接口，经过上下变换，使得一套工作流程同时输出SD和HD节目。例如，高清摄像机、高清摄像机的内部一般都配置了下变换器，在输出高清信号的同时也可以输出高质量的标清电视信号。
而且目前采用1080/50i作为高清信号源标准的一个突出优点是1080/50i与我国现行的标清信号源576/50i (PAL)可以非常容易地实现上/下变换，为顺利从标清向高清过渡提供了良好的条件。
上/下变换包括场频的变换，行频的变换，扫描方式的转换以及宽高比的转换等以实现视频制式的转换。
显示画面宽高比转换对画面的影响
4：3信号上变换到16：9一般有三种方式：（1）垂直充满，左右两边出现黑边；（2）水平充满，垂直方向上，图像上下被裁减；（3）完全填充，在16：9的屏幕上完全看到4：3的图像，水平方向被拉长。
16：9信号下变换到4：3，有三种常规的方式：切边模式（垂直方向充满，左右两边一部分信息被去掉）；信箱模式（水平方向充满，上下部分会出现黑边）；压缩模式（垂直方向充满，水平方向压缩后充满，使物体变高）。
可以看出这些变换方式会引起图像的变形或画幅的缩小。这就对节目制作中特技的处理和字幕位置提出了课题。例如： 高清节目下变换到标清频道播出时，若使用切边模式下变换，要考虑字幕与哑语的位置。 标清节目上变换到高清频道播出时，若采用完全填充方式，会带来水平画面拉伸。
除此之外，在节目摄制时，还要考虑演播室的长宽比是否适合16：9的构图要求。
在设备的过渡过程中，系统的建立应考虑的问题 高清标清同步信号的差异 在高清/标清兼容的演播室系统中，使用的同步基准信号有两种，一种是高清专用的模拟三电平同步信号，另一种是与现有标清系统完全相同的BB(Black Burst，即黑色同步)信号。早期的高清产品大多只能接受三电平同步信号，所以就产生一个系统内需要两种同步信号的问题。随着技术的发展，目前大部分高清设备如摄像机、录像机等都能接受三电平和BB这两种同步信号。在高清演播室系统中，各种上下变换会产生各种延时，应对延时进行调整，以保证声话同步。 在图像监控方面，由于高清监视器价格昂贵，需考虑降低高清系统用于监视的成本。
除导演、导播以及技术监控人员必须使用广播级的高清监视器以对节目质量进行评判外。对于系统内的信号源如摄像机、录像机以及字幕机等主要关注其图像内容的信号源监视，则可采用将输入的高清数字信号下变换成模拟标清信号后用普通的模拟标清监视器监视高清信号。此时下变换器应设置为信箱模式(Letter box model)，以便在4:3的屏幕内能显示16:9画面的全部内容。另外对于外来的高清信号监视，除上述办法外，还可以采用HD-SDI/VGA转换器将数字高清信号转换成计算机显示格式信号后用普通的计算机显示器监视，以降低高清系统用于监视的成本。字幕的问题


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高清节目采用高清CG，避免出现因为没有实现全系统高清而采用标清CG的情况。目前，大多字幕机厂家已经可以提供支持高清的字幕机产品，有的型号还可以实现高清/标清可切换操作。
还需要提到的是，更高的清晰度，使拍摄时对摄像的聚焦要求更加苛刻，对光圈等各项参数的调整更加严格。任何细微的误差都会在高清屏幕上显露无遗。这也导致对化妆、灯光、美工等诸多方面要求的提高。
四、高清应用
随着高清技术的发展，高清应用越来越广泛。除去电视领域，高清技术还被用在数字影院，资料保存、医疗检测、大屏幕广告等领域。
（一）高清在电影上的应用
传统胶片电影与数字载体的比较
传统胶片电影的制作需要将声音、画面分开处理。对于画面的剪接，首先通过胶转磁，利用视频非线性系统进行初编，然后将编好的节目时间码转换成胶片的物理长度信息，再来最终剪接胶片。对于特技合成，需要通过昂贵的高分辨电影胶片扫描仪将胶片扫描成2K或4K的图像文件，利用电脑进行特技合成，然后再将图像还原成胶片。可以看出，这样的流程不但成本高、效率低、也不便于节目的修改、存贮和拷贝。
而使用数字载体，制作流程简化，便于电影的后期制作及存储，且具有效率高、成本低、前后保质， 应用灵活，易于传输等特点。
为何数字高清成为胶片的数字载体
HD格式， 1920×1080的显示格式接近35mm宽银幕电影画面质量。而且1080/24P格式正好与电影每秒24格的速度对应，使得HD节目可以方便地转化为35mm胶片和数字影院节目；胶片可方便地转化为HD进行后期编辑。
这些特性使得HD成为胶片的数字载体。而专业设备厂商也根据这一需求，推出相应的记录格式，来推动HD技术在这一领域的应用。如SONY公司推出的HDCAM SR格式。
电影数字化包括 用高清24P摄像机进行电影拍摄，编辑后将成片节目再转为胶片或数字影院节目。 采用胶片进行前期拍摄，而后转为HD进行后期制作。 数字影院，采用HD投影仪投影到银幕上播放硬盘的HD节目，这意味着在电影这种媒介中将放弃使用胶片。
高清在电影领域的应用现状
现在，很多黄金电视剧、电影开始采用HD拍摄。 例如《星球大战前传II-克隆人的进攻》的拍摄就放弃胶片，而使用SONY CineAlta（4:2:2，10bit ，140 Mbps, 4 ch 数字音频 ，以24P录制格式为代表的 ）系列的高清设备。
而为了满足数字电影以及高档高清节目的母版制作要求，SONY公司推出了HDCAM SR格式。这种格式采用4:4:4 (RGB全带宽)的采样，10/12bit量化，码率高达440 Mbps, 12 ch 数字音频，压缩比只有2.7:1，使得HD记录电影清晰度更接近于胶片。据悉，著名导演乔治.卢卡斯已采用HDCAM SR进行《星球大战前传III》的拍摄，我们将拭目以待。
同时我们也相信，随着这些格式的产生，HD作为胶片的数字载体，应用将越来越广，越来越成熟，更多更完美的数字电影和电视节目将纷至沓来。
（二）低成本的高清技术HDV推广普及高清应用
? 高清系统设备成本高，为其发展推广设置了高门槛。所以降低系统成本就有着特别的意义。HDV的诞生就顺应了这一市场需要。
HDV采用减少色差取样（4:2:0），MPEG-2 IBP帧间压缩，6帧一个GOP（这是专业录像格式中唯一使用这种方式的）；同DV一样的磁迹（10μm），一样的码率25Mb/s，是HDV原始数据的1/20。HDV在记录信息与DV相同的条件下，传送了更多的原始信息。
对当前的HDV来说，当前摄像机和显示器还不支持1080的上限1920×1080，而比较容易达到1280×720。HDV的摄像机和编辑环境还不能达到高标准高清的水平。但由于在新闻节目中人对内容的关注大于对图像质量的关注，且使用HDV，新闻摄制组能以非常经济的方式拍摄HD镜头，上市仅仅一年小型轻量的HDV摄录一体机现在在ENG有流行之势。HDV被喻为高清领域的DV，其将高清节目的制作成本降低到与我们今天的标清成本相当。
对于编辑，HDV采用的是MPEG-2 IBP帧间压缩方式，6帧一个GOP，不像DV是帧内压缩。这就会导致在后期编辑中，不能保证精确到帧的编辑精度。这对编辑是种挑战，但各非线性编辑厂商，都提供了解决此难题的各种方案，支持HDV的非线性编缉。例如，CineForm把HDV码流转换为小波，使之在Adobe Premiere Pro和Sony的Vegas 5之中更易处理。
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（五）结论 ? 随着高清技术的成熟；各专业厂家对高清产品的积极投入；适应不同市场需求的高清格式的不断产生；高清设备成本的不断降低；高清离我们越来越近。相信在不久的明天，HDTV将走入寻常的百姓家庭。


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