高清演播室视频系统的方案设计

高清晰度电视技术的不断成熟为广电行业的持续性发展注入了生机，国内的许多电视台已经开始尝试将高清电视的梦想变成现实。在电视市场竞争日益激烈的大环境 下，为了在未来的高清电视节目生产领域占有一席之地，我台开始着手进行150平米高清演播室系统的前期设计工作，希望通过该系统的建设为标清电视 （SDTV）向高清电视（HDTV）的平稳过渡探索出一条可行之路。

一、高清演播室视频系统的设计思想
　　 高清电视节目的制作在我国还处于起步阶段，目前的电视制作仍以标清节目为主，高清和标清在未来相当长 的时间内将并存。如果花费高昂的代价建设一个纯粹的高清演播室系统，只能进行高清节目的制作和储备，必然会降低演播室的利用率。因此，构建一个可以兼顾高 清和标清节目制作的演播室系统，一方面能够实现对投资的最大保护，延长设备的有效使用周期；另一方面也能够满足现阶段节目播出的要求，为用户提供高质量的 标清电视节目信号。基于以上考虑，我们确立了高清/标清兼容的系统设计思想，该系统既能实现高清、标清信号源的混合处理，又能根据需求输出高清和标清版的 节目。

二、高清/标清兼容系统的实现方式
　　 高清/标清兼容系统与传统的标清系统相似，都是以切换台为核心，但由于高清电视在取景比率、延时处理、信号带宽等方面不同于标清电视系统，在系统的细节处理上也存在许多不同。根据目前市场上切换台的功能分类，高清/标清兼容系统的实现方式有以下四种：
　　 1．双主机切换系统
　 　 该系统采用由一个控制面板同时控制两个主机的方式，一个为高清信号通道主机，另一个为标清信号通道主机。除信号源之外，相当于形成了高清、标清两套分离 的系统。它的优点是高清、标清信号可同步切换，可同时获得高清、标清信号，不存在由上、下变换而引起的信号延时和转换损耗。其缺点是采用双切换主机增加了 系统的成本和复杂程度。
　　 2．高/标清兼容切换台系统
　　 该系统采用高/标清兼容切换台，一台切换台主机同时具有高清、标清两套处理系 统，切换台设置为高清状态时进行高清制作，设置为标清状态时进行标清制作。在同时录制高清、标清信号时，需要将高清信号进行下变换以得到标清信号。其优点 是高清、标清信号能同时接入系统，操作简单。缺点是由于高清、标清信号同时接入切换台，导致切换台输入端口和系统布线量成倍增加，成本较高。
　　 3．纯高清加上、下变换系统
　 　 该系统从信号源输出，经切换台处理，只有一个高清信号通道，形成了一个“高清岛”。在通道最终输出端加入下变换产生标清信号。其优点是可同时录制高清、 标清信号，系统相对简单。但由于在输入端对标清信号源进行了上变换，在输出端加入了下变换，系统必须考虑由上、下变换所引起的视、音频信号的延迟差异、变 换模式等问题。
　　 4．多分辨率同步制作切换台系统
　　 该系统以多分辨率同步制作切换台为核心，其独特的格式融合（Format Fusion）技术使所有的标清、高清信号源无需上、下变换即可直接进入切换台，实现高清、标清信号的同步混合切换，并可在切换时根据16:9和4:3幅 型比的要求随意设定。它的设置简单便捷，每个输入接口可任意指定为高清或标清格式，每级M/E采用独立的CPU运行，可以分别自由定义为高清或标清输出。 该系统布线简单，不需考虑上、下变换，不存在延时问题，可完成高清、标清信号的双版同时输出，具有较高的实用价值，但切换台的成本较高。
　　 经过对以上四种兼容方式的认真比较，并考虑到今后的技术升级和系统构成的性能价格比，我们决定采用纯高清加上、下变换方式，其原因如下：
　　 1．从价格方面考虑，其它三种兼容系统采用的切换台与纯高清切换台相比，设备投入要高出60%～100%，显然采用纯高清切换台是比较经济的一种选择。
　　 2．从系统结构方面考虑，采用建立“高清岛”的方式实现高清、标清的兼容，在“高清岛”内从信号拾取、特技处理、字幕叠加到录像全部为高清格式，在电视制作全面进入高清时代后，将“高清岛”以外的上、下变换去掉，就可以成为一个纯高清的节目制作系统。
　　 3．从系统复杂性方面考虑，除了标清录像机外，摄像机、高清录像机、帧同步机、字幕机均为高清设备，具备高清信号的输入、输出功能，允许切换台不具备标清处理功能，使系统配置得到了简化。

三、高清演播室视频系统的信号流程
　　 150平米演播室属于小型演播室，承担着台内部分访谈栏目及节目串词的录制和直播工作，视频系统的主 要设备为：3台高清摄像机、一台16路高清切换台、一台12×2高清矩阵、一台12×4标清矩阵、高清和标清放像机各一台、高清和标清录像机各两台、一台 高清字幕机、两台上变换器和一台下变换器。高清演播室的视频系统图如图1所示，其信号流程为：
　　 1．高清主路信号
　　 3路高清摄像机信号、1路高清放像机信号、高清字幕机的2路信号直接进入高清切换台， ?
　　 标清矩阵输出的第二、三路SD-SDI信号分别经2台上变换器转换为HD-SDI信号后也送入高清切换台，高清切换台输出的PGM信号即为高清主路信号，高清主路信号除了作为高清录像机和监视器的信号源外，在未来进行高清直播时还将被送至总控机房。
　　 2．高清备路信号
　　 高清摄像机、高清放像机、高清字幕机及两台上变换器的输出信号送入12×2高清矩阵，其输出作为高清备路信号。
　　 3．标清主路信号
　　 高清主路信号经下变换器转换为SD-SDI信号后，作为标清主路信号被分别送至总控机房、标清录像机和监视器。
　　 4．标清备路信号
　　 由高清摄像机、高清放像机、高清字幕机输出的5路SD-SDI信号和1路标清放像机信号、两路外来标清信号进入12×4标清矩阵，矩阵的第一路输出作为标清备路信号被送到总控机房。
　　 该系统实现了高清和标清两种节目制作的兼容，可分别或同时进行两种格式的电视节目的录制或直播，下面还要对系统作几点说明。
　　 1．将标清矩阵和上变换器配合使用，可以为高清切换台灵活提供各种HD-SDI信号源，如来自总控机房或电脑的外来信号、标清放像机的信号等。
　　 2．上变换器还具有帧同步功能，因此外来标清信号不必经过帧同步机。
　　 3．发挥设备本身具有兼容高清、标清输出的特点，充分利用设备的高清、标清输出端品，简化系统的配置。
　　 4．如果目前不需要对高清电视节目进行直播，在资金有限的情况下，可暂时不配备高清矩阵，即取消了高清备路信号。

四、对关键设备选型的基本要求
　　 1．切换台
　　 目前各大视频设备厂商推出的高清切换台都能满足纯高清系统的基本制作要求，不同之 处仅在于各类设备对通道带宽、特技处理、操作的人性化设计、帧存储器的容量、辅助输出等细节方面的差异。该系统对切换台的基本要求是：支持1920× 1080/50i 标准的高清制作，具备静帧存储、图像片段重放、记录设备控制以及状态存储、网络故障诊断和多面板操作等功能，有2级M/E，每级M/E都有2～4个全功能 键及2D DVE功能，有1～2个下游键，运行稳定可靠。在选择切换台时，还应考虑到设备风格的延续性和技术人员的操作习惯。
　　 2．摄像机
　 　 生产高清摄像机的厂家众多，索尼、汤姆逊、松下、池上、日立等公司都推出了不同格式的高清摄像机，对摄像机的基本要求是：采用220万像素的CCD，能 够产生高分辨率的图像，具有较高的灵敏度、信噪比以及较小的拖尾电平，色彩还原性能较好，基站可同时输出高清及标清信号，其寻像器有 16:9和4:3两种幅形比显示模式。在双版制作时，可采用在寻像器上显示区域的方式，使摄像师可以兼顾两种不同宽高比画面的构图。
　　 3．录、放像机
　 　 该系统中原有的录、放像机采用Sony DVW系列产品，这些标清设备可继续沿用。高清录、放像机的配置要考虑到全台录制格式的统一性，我们决定采用Sony HDCAM系列产品，HDCAM机型可以兼容重放标清磁带，内部可以进行下变换，具备HD-SDI和SD-SDI输出端口，从而实现了高清与标清记录、重 放制作平台的统一。
　　 4．同步系统
　　 高清系统使用的同步基准信号有两种，一种是高清专用的三电平同步信号，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，但近几年生产的大部分高清设备都配置了BB同步输入接口。同步系统应为自动倒 换系统，配备主、备两台同步信号发生器和同步倒换器，将同步倒换器输出的BB基准信号作为系统的同步信号。
　　 5．监视系统
　　 (1)监视器的选择
　　 监视器既可选用CRT监视器，又可选用液晶显示屏，两者各有优势。
　 　 CRT监视器的优点是：广播级的高清、标清CRT监视器能达到广播级的水平清晰度和垂直清晰度，图像分辨率高，而且由于一路信源对应一个CRT监视器， 单个CRT监视器的故障仅影响该路信源的监看，整个系统的安全性较高。其缺点是：在目前的兼容系统中，采用4:3屏幕的CRT监视器监看16:9高清画面 时需上下遮挡，而采用16:9屏幕的CRT监视器监看4:3标清画面时需左右遮挡，监视器屏幕的有效利用面积只有75%，导播构图也会很不方便。
　　 液晶显示屏的优点是：通过多画面分割器分割画面监看，可以任意组合16:9和4:3的画面，最大限度地利用显示屏的有效面积。其缺点是：液晶显示屏的图像显示存在延时，若液晶显示屏或画面分割器出现故障，将影响多路信源的监看，给节目制作和安全播出带来隐患。
　　 我们计划采用CRT监视器，为了控制监视系统的成本，除了主监、预监、技监采用高清监视器以外，其余全部采用标清监视器。
　　 （2）监视器管理系统
　 　 在制作高清节目时，要在监视器上调出16:9安全线，使导播能够在监视器上看到按16:9构图的画面。而在录制标清节目时，则需调出 4:3安全线。为了避免在录制不同节目时对监视器进行逐个调整，方便对监视系统的控制，必须建立监视器管理系统，使所有监视器联网，对监视器进行统一编组 控制，通过电脑软件完成各监视器的设置。

五、高清演播室系统设计中值得注意的问题
　　 1．上、下变换模式的选择
　　 (1)上变换模式
　　 上变换将4:3的标清信号变换为16:9的高清信号，有以下三种模式（如图2所示）：
　　 ①Stretch：将画面横向拉伸，保留了全部画面内容，但画面产生变形。
　　 ②Pillar box：在画面的左右两侧加黑边，保留了全部画面内容，画面比例正常。
　　 ③Full width：将画面进行纵向剪切，画面比例正常，但损失了一部分画面内容。
　　 （2）下变换模式
　　 下变换将16:9的高清信号变换为4:3的标清信号，也有以下三种模式（如图3所示）：
　　 ①Squeeze：将画面横向压缩，保留了全部画面内容，清晰度好，但画面产生变形。
　　 ②Letter box：在画面的上下两侧加黑边，保留了全部画面内容，画面比例正常，但清晰度有损失。
　　 ③Edge crop：画面左右两侧被剪切，清晰度好，画面比例正常，但损失了一部分画面内容。
　 　 不同模式的上、下变换各有优、缺点，可根据实际需要合理选择上、下变换模式。在标清节目的制作过程中，选择上变换模式时需要考虑与下变换模式配合的问 题，以免产生让人无法接受的画面。如可将上变换采用Pillar box的方式，下变换采用Edge crop的方式，同时摄像师在拍摄时也要按4:3的幅型比构图。再比如录制需要遮幅的专题类节目时，可以采取Letter box的下变换模式，以简化后期制作。
　　 2．声画同步
　 　 一个广播级的上、下变换器具有一帧的延时量，因此必须对延时进行调整以保证声画同步，通常采用在音频系统中增加延时器的方法。在本系统中，纯高清制作不 会出现声画不同步问题；在标清制作时，由标清矩阵输出的外来信号或标清放像机的信号经过上变换后，会产生一帧延时，经过下变换后的节目信号在到达标清录像 机时，将再产生一帧延时，因此必须采用两台延时器来解决延时问题。除此之外，还可选购上、下变换器的音频选件以保证声画同步。
　　 3．其它非技术性要求
　　 在新建高清演播室时，演播室的长宽比要适合16:9的构图要求，使演播室的宽度大于纵深，摄像机在拍摄时有左右平摇的余地。
　　 高清和标清摄像机在拍摄手法上有许多不同，用高清摄像机拍摄时，由于景深浅，必须掌握好光的强度、光圈与景深的关系，精确地聚焦，保证画面的清晰度。
　　 高清电视的高清晰度、分辨率对灯光、舞美、化妆提出了更严格的要求，一些在标清电视上反映不出来的细微欠缺，在高清电视上可能会纤毫毕现，影响画面效果。为了提高高清电视的空间表现力，要求灯光更均匀柔和、舞美更精细生动、化妆更细腻自然。
　 　 尽管150平米高清演播室系统只是一个功能比较单一的小型节目制作系统，但它毕竟在高清节目制作方面进行了一些有益的尝试。随着高清技术的成熟和制作经 验的丰富，我们还将逐步引入高清虚拟演播室系统、高清非线性编辑系统和高清硬盘录像机等设备，形成一个功能完备的高清节目生产体系。
　　 高清电视 是数字电视的高端发展方向，我们只有顺应技术发展的潮流，才有机会抢占未来电视发展的制高点。但同时我们也应意识到，高清演播室的建设是一项复杂的系统工 程，它涉及设备投入、营运成本、技术培训、人员素质、市场需求等多方面的问题。各电视台应根据自身的实际情况，寻找迈进高清领域的最佳切入点，从高清制作 岛入手，逐渐过渡到电视制作播出的全面高清化。