1. 概述
在電視節目製作和播出的過程中，電視信號格式的轉換是不可避免的環節。無論在信號交換中心（總控中心）或播出系統，還是演播室和電視轉播車以及後期製作等視音頻系統，總會遇到需要轉換和處理各種信號的問題。電視信號格式之間的轉換有許多種情形：模擬與數字、複合與分量、標清與高清以及綜上所述的複合型高標清上下變換。現如今，國家大力推進高清電視技術的發展。高清電視具有臨場感、有較高的清晰度，要求每幅畫面的掃描線數大約是目前標準清晰度電視掃描線數的兩倍，畫面更加清晰逼真；還具有較高的伴音質量，通常是立體聲或5.1路環繞聲，聲音效果更具震撼力。
目前大多數電視臺的節目製作、播出和存儲系統都是以標清信號系統構建的技術平臺，從前期採錄到後期的編輯、製作、播出、存儲等處理環節多爲標清系統，高清轉播車和高清演播室，主要用於體育節目、綜藝節目的錄製和專題片拍攝，一是爲日後開辦高清頻道作節目儲備；二是當作“高清島”來使用，其高清信號需要下變換爲標清，滿足目前標清信號系統的使用需要。
以廣東衛視頻道爲例：2008年廣東衛視播出節目全天播出24小時，購買類節目約11.8小時（電影0.83小時、電視劇10.13小時、動畫片0.83小時），轉播類節目（新聞聯播、體育比賽等）約0.42小時，自辦節目（衛視新聞、社會縱橫等）約8小時，重播節目約1.74小時，其餘爲廣告和宣傳片時間。
在高清系統設備儲備方面：目前，擁有一輛高清轉播車、兩個高清演播室（400平米和新聞）、十幾套高清攝錄設備、電視劇高清非編一套。在高清節目儲備方面：按不完全統計，目前廣東電視臺高清節目的儲備量約爲495小時，其中體育節目435小時、綜藝節目13小時、電視劇46.5小時；自制節目總時長約爲95小時。這種程度的積累，在兼顧原有標清節目播出的基礎上開辦高清頻道，難度是非常大的。因此，我們需要高質量的轉換技術提供最具成本效益的解決方案，以實現平穩，面向未來的高清轉換。
2. 高標清上下變換
2.1 高標清格式標準概述中華人民共和國國家標準GB/T 14857-1993《演播室數字電視編碼參數規範》和中華人民共和國廣播電影電視標準GY/T 155-2000《高清晰度電視節目製作及交換用視頻參數值》分別規定了我國廣播電視行業所使用的數字標準清晰度和高清晰度電視節目製作、交換所涉及的基本視頻參數值。
2.1.1 數字視頻信號對於數字電視信號，很多人應該不陌生了。以攝像機作爲信號源來說，數字電視信號需要由模擬信號按照某種標準去抽樣、量化和各種數字處理，還可以在數字消隱期間插入輔助數據，嵌入聲音等等。高標清電視系統有什麼異同？表1是我國標清數字系統和高清數字系統的一些主要參數上的比較。
表1． 我國標清數字系統和高清數字系統參數比較
對於標清，國家標準所規定的模擬信號標稱帶寬是6MHz，Y或R、G、B信號每行取樣點數爲864個，取樣頻率爲864×25×625＝13.5MHz，CB、CR信號每行取樣點數爲432個，同理取樣頻率爲6.75MHz。編碼格式我們優選10比特線性量化，那麼標清串行數據傳輸速率爲13.5×10＋2×6.75×10＝270Mb/s。對於高清，模擬信號標稱帶寬是30MHz，Y或R、G、B信號每行取樣點數爲2640個（1125/24/1:1逐行掃描格式中取樣點數爲2750），取樣頻率爲2640×25×1125＝74.25MHz（1125/24/1:1逐行掃描格式中取樣頻率爲2750×24×1125＝74.25MHz），CB、CR信號每行取樣點數爲1320個（1125/24/1:1逐行掃描格式中取樣點數爲1375個），同理取樣頻率爲37.125MHz。對於10比特線性量化，那麼HD的串行數據傳輸速率爲74.25×20＝1.485Gb/s。
另外，我國廣電總局制定的行業標準GY/T161-2000《數字電視附屬數據空間內數字音頻和輔助數據的傳輸規範》（等效採用了ITU-R BT.1305號建議書）規定了數字音頻數據如何嵌入數字視頻SDI流的行逆程中的輔助數據空間中的。
2.1.2 數字電視的圖像質量16:9的寬高比和高圖像分辨率是高清電視系統的最基本特徵。我國高清電視圖像的水平和垂直亮度清晰度大約是現在所用的PAL制式的2倍。所以，高清電視圖像中亮度圖像像素的總數約是後者的4倍。高清電視中增加的細節是通過使用了一個大約5倍於標清電視系統的視頻帶寬獲得的。
高清電視適合在大約3倍圖像高度的距離觀看可以獲得更多要分辨場景的全部細節給人以更強的臨場感。CCIR（國際無線電諮詢委員會）的801報告中對高清電視這樣要求：“高清晰度電視系統設計要求是使觀看者在圖像高度大約3倍距離處能看到或接近看得清楚細節的程度，達到視力正常的觀看者在看原始景物中相同的感覺。而傳統的標清電視適合在圖像高度大約6-7倍距離處觀看，它給人帶來的震撼與臨場感是遠不及高清電視的。
2.2 高標清上下變換的基本原理如何在高、標清節目之間轉換時解決寬高比、圖像壓縮不變形、降低噪聲、消除鋸齒等問題來保證信號質量是大家共同面對的問題。格式變換器器就是將不同格式的信號互相轉換。通常將標清到高清信號的變換模塊稱爲上變換器（Up Converter）；反之，高清到標清信號的變換模塊則被稱爲下變換器（Down Converter）。有些下變換器還內含有數字到模擬（D/A）轉換，便於對輸出信號進行監視。有些則專門設計爲監視用下變換，因此也稱監視級下變換器。當進行格式下變換時，圖像高頻分量丟失；當進行上變換時，圖像被內插再取樣。
圖1 高標清SDI信號上/下變換的信號處理流程框圖
如圖1所示，高標清上下變換的一般流程爲去隔行、空間轉換、圖像增強、色度轉換、輸出格式化。這些流程需要使用去隔行技術、運動補償技術、寬高比轉換技術等算法來處理圖像。
2.2.1 去隔行由於受硬件處理速度以及傳輸帶寬的限制，現行的廣播電視系統都是使用隔行掃描制式的。要處理高清與標清之間的高標清上下變換，最直接要考慮的問題就是圖像分辨率的變化。那麼，要處理圖像的縮放，首先就要把隔行的兩場畫面結合成一個完整的畫面。在這裏，就需要運用去隔行技術。
圖2 一幀中兩場畫面有相當的不同
去隔行的方法可以分爲四類：單一場去隔行（intra-field deinterlacing）、場間去隔行（inter-field deinterlacing）、動態自適應去隔行（motion adaptive deinterlacing）和運動補償去隔行（motion compensated deinterlacing）。
單一場去隔行是非常容易且非常節省資源的一種去隔行方法，通常只需要一行像素的緩衝內存以及簡單的內插。例如“line doubling”，這是一種最常見的單一場去隔行方法，簡單來說就是將一個場放大成爲一個幀的大小再播出，若是影像來源是每秒50場的隔行式影像，使用這個去隔行方法將可以得到每秒50幀的影像。使用這個去隔行方法的好處爲非常簡單且非常快速，硬件的成本將會非常低，但是缺點是畫質會看起來比較鬆散，不銳利；且若是影像中含有橫向的細線，在某些場可能會剛好沒有被掃描到，因此重建出來的影像細線的部份看起來會有閃爍的感覺。
場間去隔行就是將連續的兩個場結合爲一個幀的方法。例如圖3所示的“weave（交織法）”，它是將連續的兩個場直接結合成爲一個幀，不做任何修改。由於在垂直方向保留了全部的分辨率（不像line doubling只有一半的分辨率），因此使用“weave”去隔行得到的畫質比使用“line doubling“好，但是只有在畫面靜止不動的地方，在畫面有移動的地方會有明顯的橫向條紋以及鋸齒。場間去隔行方法需要一個場大小的緩衝內存，比起單一場去隔行方法所需要的略多，但硬件還是相當的簡單及便宜。
圖3 “weave”去隔行方法
動態自適應去隔行方法是偵測影像中何處是動態的，以及何處是靜態的；在畫面中靜態的部份使用場間去隔行以得到垂直方向完整的分辨率，而在動態的部份使用單一場去隔行以避免鋸齒的現象。使用這個方法偵測動態的算法是相當重要的，不好的算法也會導致一些偵測錯誤使得畫面中出現一些惱人的線條。使用動態適應性去隔行方法需要比較快速的硬件去計算動態偵測算法，另外也需要一或多個場的緩衝內存，算法使用越多的場來偵測動態將會越準確，相對的需要更好更昂貴的硬件。
運動補償去隔行方法根據鄰近的場使用動態估計（motion estimation）去預測鄰近的場之間畫面中物體的移動，藉由動態估計可以得到的畫面中每一個宏塊（macroblock）的動態向量（motion vector），然後使用前一個場以及動態向量可以重建出一個新的場，在將此兩個場合並完成去隔行。使用這個去隔行方法將會得到非常好的影像品質，因爲這個去隔行方法作了非常複雜且精準的預測；動態估計需要非常大量的計算，且也需要非常大的緩衝內存去暫存每個方塊估計的結果，這使得使用這種方法的去隔行裝置非常昂貴且速度較慢。
很顯然，單一場區隔行和場間去隔行方法缺點很大，都不適用於電視製播系統中的高標清上下變換器。廠商會根據產品的定位，從動態自適應去隔行與運動補償去隔行方法中去選擇。
2.2.2 圖像縮放與增強我國使用的標清電視分辨率爲720×576，推薦使用的高清電視分辨率爲1920×1080，兩者間互相轉換時需要對圖像按一定要求進行縮放處理。
單幅圖像縮放有多種算法，比較常用的有最鄰近插值法（nearest neighbor）、雙線性插值法（bilinear interpolation）、雙三次插值法（bicubic interpolation）等。最鄰近插值法（臨近取樣法）是一種最基本、最簡單的圖像縮放算法，其運算速度最快快，耗用資源少，但效果是不怎麼好的，放大後的圖像有很嚴重的馬賽克，縮小後的圖像容易有嚴重的失真；效果不好的根源就是其簡單的最臨近插值方法引入了嚴重的圖像失真。
圖4 雙線性插值法示意圖
雙線性插值法，又稱雙線性內插法。如圖4所示爲較簡單的雙線性插值法示意圖。
在雙線性插值中，新創造的像素值，是由原圖像位置在它附近的（2×2）4個鄰近像素的值通過加權平均計算得出的。這種平均算法具有放鋸齒效果，創造出來的圖像擁有平滑的邊緣，鋸齒難以察覺。這種算法對2×2像素塊進行，先在水平方向做兩次線性插值，再在垂直方向做1次線性插值，得插值點F，即
Fh1=L0fi,j+L1fi,j+1
Fh2=L0fi,j+1+L1fi+1,j+1
L0=1-?x; L1=?x
F=N0Fh1+N1Fh2
N0=1-?y; N1=?y
雙線性插值法輸出係數可按線性、階躍、正弦或餘弦等函數取值，如圖5所示。途中橫座標與插值點位置對應，縱座標爲相應的輸出係數，兩者的歸一化值均爲0~1。爲提高縮放速度，通常將其固化爲插值表。
圖5 雙線性插值法輸出係數
對雙線性插值法，若?x=?y=0.5，則因黑白像素相同的水平和垂直圖像細節變成單一灰色而喪失相應的圖像細節。雙線性插值法具有一定的低通濾波性，也就是說一般情況下會降低圖像的清晰度併產生由變換差拍造成的僞像。
圖6是最鄰近插值和雙線性插值縮放圖片的效果對比：
（a）原始圖片
（b）最鄰近插值放大圖片
（c）雙線性插值放大圖片
圖6 最鄰近插值和雙線性插值法在放大圖像時的對比
若用雙三次插值等較複雜的算法，參與插值計算的輸入信號像素數增多，它輸出圖像的每個像素都是原圖16個像素運算的結果，能創造出比雙線性插值更平滑的圖像邊緣。其基本數學關係式如下：
經過雙三次插值運算縮放後的圖像雖也會某種程度地損失細節，並出現僞像，但圖像主觀效果可能較好。雙三次插值法根據用戶的需求特點還可細擴展爲雙三次插值平滑化和雙三次插值銳化的插值法。
以現在的硬件水平，無論採用雙線性插值法還是雙三次插值法處理高、標清電視圖像的轉換，加上幀存器儲存圖像的時間，完全可以實現高、標清高標清上下變換隻有一幀時間的延時。
最鄰近插值法、雙線性插值法和雙三次插值法其實都屬於不基於邊緣的圖像縮放算法（non-edge based image scaling）。此外，還有基於邊緣的圖像算法（edge-based scaling methods），這類算法可以得到比不基於邊緣的圖像縮放算法更好的視覺效果，但它們算法更加複雜，運算的時間較長。這種圖像處理方法最重要的就是邊緣檢測，它是一個非常複雜的問題。
邊緣檢測的目的是標識數字圖像中亮度變化明顯的點。圖像屬性中的顯著變化通常反映了屬性的重要事件和變化。這些包括（i）深度上的不連續、（ii）表面方向不連續、（iii）物質屬性變化（iv）場景照明變化。 邊緣檢測是圖像處理和計算機視覺中，尤其是特徵提取中的一個研究領域。邊緣檢測的方法有多種，它們的絕大部分可以劃分爲兩類：基於查找一類和基於零穿越的一類。基於查找的方法通過尋找圖像一階導數中的最大和最小值來檢測邊界，通常是將邊界定位在梯度最大的方向。基於零穿越的方法通過尋找圖像二階導數零穿越來尋找邊界，通常是Laplacian（拉普拉斯算子）過零點或者非線性差分表示的過零點。
如果將邊緣認爲是一定數量點亮度發生變化的地方，那麼邊緣檢測大體上就是計算這個亮度變化的導數。爲簡化起見，可以先在一維空間分析邊緣檢測。例如一行不同點亮度的數據：在圖7的1維數據中可以直觀地說在第4與第5個點之間有一個邊界。
圖7 一維空間的邊緣檢測
除非場景中的物體非常簡單並且照明條件得到了很好的控制，否則確定一個用來判斷兩個相鄰點之間有多大的亮度變化纔算是有邊界的閾值，並不是一件容易的事。
計算出導數之後，下一步要做的就是給出一個閾值來確定哪裏是邊緣位置。閾值越低，能夠檢測出的邊線越多，結果也就越容易受到圖片噪聲的影響，並且越容易從圖像中挑出不相關的特性。與此相反，一個高的閾值將會遺失細的或者短的線段。
最後，被判定爲邊緣的圖像結合類似前面所述的圖像縮放算法進行復合運算，得到最終高質量的圖像縮放。
判定插值結果的好壞。第一個標準：走樣現象的輕重。放大圖像的時候，要看邊緣是否產生了鋸齒，縮小圖像的時候，看看是否有干擾條紋，邊緣是否平順。第二個標準：邊緣是否清晰？第三個標準：過渡帶的層次感細節感怎麼樣？
2.2.3 寬高比變化標清電視系統的寬高比爲4:3，高清電視系統的寬高比爲16:9。高標清電視信號轉換必然帶來寬高比的考慮。高清電視下變換至標清電視主要有“信箱（Letter Box.）”、“切邊（Side Cut）”、“擠壓（Squeeze）”和“14:9”四種方式，
如下圖8所示。
圖8 下變換模式示意圖
相對應的，在標清上變換至高清也有四種主要方式：“上下切（T&B Cut）”、“鑲邊（Side Bar/ Pillarbox）”、“拉伸（Stretch）”和“14:9”。如下圖9所示
圖9 上變換模式示意圖
在高清下變換至標清時，“信箱”和“切邊”模式保留了正常的畫面構圖。“信箱”模式保留了原有高清畫面構圖和內容的完整性，但最大地損失了圖像的細節；“切邊”模式在切掉高清畫面左右共四分之一的內容後，較多地保留了原圖像的主要內容。而“擠壓”模式使得圖像內容比例變形，不符合觀衆的欣賞習慣，所以一般不使用這種模式。
在標清上變換至高清時，“鑲邊”和“上下切”模式保留了正常的畫面構圖。“鑲邊”模式保留了原有標清畫面構圖和內容的完整性，但觀衆會對加在電視畫面的兩條黑邊有些反感；“上下切”模式在切掉原標清畫面上下共四分之一的內容後，保留了原圖像的主要內容，但此種變換模式很可能丟掉原圖像的重要內容，並且計算出來的圖像內容太多，畫面質量較差。而“拉伸”模式使得圖像內容比例變形，不符合觀衆的欣賞習慣，所以一般不使用這種模式。
在電視生產端沒有14:9寬高比模式， 14:9模式是上下變換處理的折中方案。無論是4:3還是16:9的圖像，使用該模式都需要裁剪掉小部分畫面（4:3→14:9要裁掉1/7畫面，16:9→14:9需要裁掉1/8畫面），減少格式變換帶來圖像內容的丟失。現實是，4:3→14:9的上變換模式不符合高清觀衆欣賞習慣也不實用，僅在全16:9畫幅的圖像採用“14:9”下變換時，可以獲得標清觀衆特別是使用CRT電視的觀衆的好評。
圖10 14:9的對應關係
由於接收機的緣故，在實際運用中高清下變換適合使用“切邊”、“信箱”和“14:9”模式，標清上變換隻適合使用“鑲邊”模式。
2.3 高標清上下變換需要注意問題 2.3.1 色域1953年由美國開發的NTSC制式帶來了彩色電視，NTSC制式規定了以C白光源爲基準白的NTSC色域。然而，NTSC色域過於理想化，彩色顯像管無法實現。在此基礎上，歐洲和美國分別在實用化的基礎上制定了以D65白爲基準白的EBU和SMPTE C標準，這兩個色域覆蓋的色彩空間範圍都比NTSC色域小。
ITU-R BT.709建議書規定的高清電視色域是參考了EBU和SMPTE C色域標準而制定的，其色域範圍是兩者的折中。ITU-R與EBU的色域幾乎是相同的，只是綠色座標的x值略有差異。如圖11和表2。
表2． 各標準所規定的RGB和基準白
圖11 電視色域比較
彩色圖像記錄的格式，常見的有 RGB、YUV、CMYK等。彩色電視最早的構想是使用RGB三原色來同時傳輸。這種設計方式是原來黑白帶寬的3倍，在當時並不是很好的設計。RGB 訴求於人眼對色彩的感應，YUV則着重於視覺對於亮度的敏感程度。YUV的發明解決了彩色電視機與黑白電視機的兼容，同時大大節省了傳輸帶寬。
電視的拍攝和最終顯示都是在RGB域實現的，亮度矩陣式RGB與YUV這兩個域之間相互轉換運算的基準。根據表2所列的各制式標準的基準白和RGB色座標數值可以計算出各標準亮度矩陣方程。在標清時代，由於彩色電視發展前期一直採用NTSC制的亮度方程，它與其它制式的亮度方程互換時僅造成黑白圖像灰度層次出現人眼不易覺察的失真，對彩色圖像的重現質量基本無影響。所以，標清電視不同標準其色域的亮度方程都採用了基於C白光源和NTSC色域制定的亮度矩陣：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B
R-Y=0.701R-0.587G-0.114B
高清的ITU-R709標準沒有沿用標清NTSC矩陣，而是基於D65白光源和ITU-R709色域重新計算了亮度矩陣：
Y=0.2126R+0.7152G+0.0722B
B-Y= -0.212R-0.7152G+0.927B
R-Y= 0.7874R-0.7152G-0.0722B
在高清頻道籌備階段經常能聽到“AFD”，AFD是什麼？AFD全稱Active Format Description，是在SMPTE 2016-1-2007標準中被規範的。它是一種新型的視頻元數據，用以描述電視圖像的原始寬高比和圖像活動特徵信息。它可以存在於在視頻的生產、分配和傳輸過程中，也能在這些過程中被設置。AFD可以嵌入在MPEG視頻流、基帶SDI信號的輔助數據區和MXF內KLV數據區，電視臺在製作和播出時可以使用AFD來達到自適應寬高比的目的。AFD在製作、轉換的過程中不會丟失，可以被下一級設備識別。
AFD是一個4bit代碼描述視頻圖片方面的寬高比及其他特點的活動圖像的編碼幀。全部的活動格式說明如表3、4、5和圖12所示。
表3． AFD格式描述
1．在世界範圍內某些地區的電視系統可能無法部分或全部支持從‘0001’到‘0111’的AFD碼。
2．在16:9的電視格式下，AFD碼‘0010’與‘1000’所展現的圖像是一樣的。AFD碼‘1000’在全高清的16:9圖像情況下是首選，碼‘0010’在北美地區是不被使用的。
3．在16:9的電視格式下，AFD碼‘0011’與‘1011’所展現的圖像是一樣的。AFD碼‘1011’在水平中置的14:9圖像情況下是首選，碼‘0011’在北美地區是不被使用的。
4．在4:3的電視格式下，AFD碼‘1001’與‘1000’所展現的圖像是一樣的。AFD碼‘1000’在全4:3圖像情況下是首選。
5．AFD碼‘1010’是爲了實現圖像畫面不能完全充滿當前電視格式畫幅但又需要完整顯示出圖像內容的情況，並因此只能使用信箱（letterbox）模式以充分地顯示圖像內容。
6．“另類置中（alternative center）”圖像使用了原始圖像的必要內容區域（參考圖1、2、3），此區域外的其它內容對於觀衆來說意義不大可以被截去。
圖12 AFD示圖簡釋
表4． 在4:3電視格式下的AFD圖示
表5． 在16:9電視格式下的AFD圖示
除了AFD，當電視圖像寬高比大於16:9時，還需要Bar Data來表示上圖中黑色框的具體信息。由於目前我們電視系統沒有使用圖像寬高比大於16:9的節目。
AFD可指定的原始數據寬高比可分爲4種：16:9、4:3、14:9和其它（需要使用Bar Data具體描述）。AFD可以嵌入在SDI信號切換行後兩行至有效圖像行前中的任一行正程中，爲了留給處理AFD數據儘可能多的時間，它的嵌入在VANC的早期會比較好。AFD和Bar Data組成的輔助數據按照表6來分配。
表6． 用戶數據字的組成
- a3 - a0即是AFD的4bit編碼（詳見SMPTE 2016-1 § 9.1)；
- AR 是寬高比標識，其中“1”表示16:9，“0”標識4:3 （詳見SMPTE 2016-1 § 9.1）；
- Top、Bot、Left、Right這4個bit是用來表示上下左右的Bar Data是否存在的（詳見SMPTE 2016-1 § 9.2.1）；
- f15 - f0 是第一組Bar Data 數據值 （詳見SMPTE 2016-1 § 9.2.2）；
- s15 - s0 是第二組Bar Data數據值 （詳見 SMPTE 2016-1 § 9.2.2）；
- b8的“P”爲b7~b0的偶校驗比特；
- b9爲b8的反碼
AFD和Bar Data按照上訴方法組成的附屬數據包（ANC packets），可以放置在切換行後第二行與活動圖像前的最後行之間的任意行。因此，對於625/50i系統，它們可以放置在9~23（322~336）行，對於1125/50i系統，它們可以放置在10~21（572~583）行。爲了獲得最大時間以供處理活動圖像的與AFD和Bar Data的關係，因此建議將數據放置在更早的在場輔助數據區（VANC）內。此附屬數據包需放置在伴隨其定義的視頻的每幀中。當此附屬數據包置入高清SDI信號時，它應該放置在亮度信號（Y）數據流中。
2.3.3 隱藏字幕許多廣電供應商在推廣他們的歐美產品時，常常會提到隱藏字幕，宣稱他們的產品支持隱藏字幕，在上、下變換的時候，高標清上下變換器可以自動將隱藏字幕轉碼到輸出格式。這引起了我們招標時極大的興趣，因爲我們大量的節目一旦製作爲成品後，畫面上留下的字幕、logo等都不方便以後再編輯製作。因此，需要研究一下供應商所提的隱藏字幕究竟是什麼。
隱藏式字幕，即Closed Caption。是把文字加入NTSC電視信號的一種標準化編碼方法。電視機的內置解碼器或獨立解碼器能顯示文字。從1993年以來，在美國銷售的每一臺尺寸大於13英寸的電視機都可以解碼和顯示模擬字幕。只要電視機接收到帶有字幕的模擬廣播電視信號，無論信號來自天線還是直接來自不帶機頂盒的有線系統，字幕都能夠被顯示出來，這給美國大約2200萬聽力有障礙的消費者帶來了福音。那些接收帶字幕的數字（ATSC制式）廣播信號的數字電視機也能夠做到這一點。
多數隱藏字幕和劇本是一樣的，裏面除了對白之外，還有現時場景的聲音和配樂等信息，之所以做隱藏字幕，在國外主要是爲了方便有聽力障礙的殘障人士（通常根據聲音發出方位的不同而在屏幕的不同位置出現，不同於普通字幕只出現在畫面下部）。
通常Captions出現在說話人物的下方，包含聲音和音樂描述。除非使用者激活Closed captions，否則它們不會顯示出來。Open captions總是可見的，比如外國錄像帶上的字幕。
DVD上的Closed Captions由MPEG-2視頻流攜帶，並且自動傳送到電視機上。你無法使用DVD播放機來打開或關閉Closed Captions。Subtitles是DVD上的子圖像，也就是全屏幕疊蓋圖形。可以打開32個子圖像軌道中的一個，以便在視頻頂部顯示文字或圖形。子圖像也可用來創建captions。爲了區分NTSC Closed Captions和subtitles，由子圖像建立的captions通常被稱爲“captions for the hearing impaired”。
EIA－608 規定了PAL/NTSC模擬電視上Line21行所包含的caption信息。EIA－708規定了數字電視ATSC/DTV上caption信息的定義。在ATSC/HDTV上則採用Line9來傳輸caption信息。
3. 高標清上下變換器的測試評估
在上下變換器測試中，通常要考慮圖像信號處理的算法和延遲量，在一定的硬件環境下高級的圖像運算方法通常也會帶來更長的時延。這些算法通常包括去隔行技術、運動補償技術、寬高比轉換技術等。對於圖像質量的檢測，除了使用一定的測試卡進行客觀指標的測量外，對於含有大量運動元素的圖像信號很重要的是對其進行主觀測試比較。
近來，一些電視臺在爲系統選擇上下變換器時，通常將幾家主流的設備集中測試進行主觀評價。測試方法採用：標清測試母帶進入上變換器後，經過同一個切換臺再經過同一公司的下變換器用標清錄像機錄製用來對比的標清帶，同時也在高清切換臺輸出的地方錄製高清上變換信號對比幾種上變換器的高清信號。畫面選擇片花、廣告、靜態歌曲、動態歌曲等類型。電視臺用戶強調，主觀評測的目的，是希望以一個普通觀衆的角度，觀看圖像細節、顏色、邊緣等效果。有廠家也提出同樣的觀點，不能一味強調轉換後的技術指標，還要考慮電視觀衆的觀看習慣，因爲終端用戶並不注重技術指標，而是注重變換的效果，即人眼看上去要感覺舒服，儘量減少電視消費者的疑慮和不滿。
此外，衆多的非線性編輯軟硬件和視頻服務器也有高標清上下變換的功能，在測評時也可以把它們多數使用軟件的方式來進行高標清上下變換，但與硬件型的高標清上下變換器一樣，使用了類似的算法。也要對它們進行測評。
在本章介紹中所用的測試儀器主要有泰克公司WFM700、WVR7120波形監視器、TG700信號發生器和PQA500圖像質量分析儀。
對高標清上下變換器的測評可以有多種形式，可以對單個高標清上下變換器的上/下變換格式與性能進行測評，也可以對實際應用中的某個上/下變換通道進行測評，還可以對比較複雜上、下變化組合的通道進行測評。
3.1 SDI格式和接口測試高、標清電視信號經過高標清上下變換後，信號的編碼參數變爲輸出相應電視信號的格式了。因此，對高標清上下變換後格式和接口的測試，應以輸出信號格式的要求爲準。此項測試的內容包括有：圖像特性、掃描特性、場幀定時光系檢測、接口特性和其它格式內容檢查。
SDI的格式、接口特性測試的內容屬於傳統常規性測試，在這裏不復述其測試過程。但需要注意的是，由於經過高標清上下變換，我們需要額外關心高標清上下變換後輸出的SDI信號其輔助數據格式是否正確。如對於625/50i系統，其6/319行的字0~1439和7/320行的字1444~1723不能放置輔助數據。對於1125/50i系統，其7/569行的字0~1919和8/570行的字1928~2635與0~1919不能放置輔助數據。如果在上述區域放置其它輔助數據，可能會造成電視切換時有“啪”類的破音出現。圖像特性、掃描特性和場幀定時關係的檢測是爲了檢查系統輸出的SDI信號格式是否符合我國國家標準規定。接口特性測量主要是以眼圖測試爲基礎，針對傳輸物理層的測試，以檢查系統和設備在傳輸介質中的模擬特性是否達標。
3.2 圖像內容監測由於高標清上下變換有對視頻圖像的內容進行處理，所以十分有必要對高標清上下變換後的視頻圖像內容進行檢測。主要關注的有高標清上下變換後數字視頻信號轉換到分量域和複合域上的色域誤差，與轉換後圖像水平分解力的變化。
3.2.1 色域誤差監測WFM700有兩種方式的矢量顯示可以對色域誤差進行檢測，一種是傳統的矢量顯示，由兩個色差信號形成矢量圖形，主要用於色度相位和幅度的檢驗；另一種是閃電顯示，閃電波形的上部是亮度信號Y和色差Pb形成的，下部是由亮度信號Y和色差Pr形成的，主要用於測量分量信號的幅度和定時。
通過章節2.3.1的介紹，我們知道高清和標清所採用的色域是不同的，其亮度矩陣方程也不同。部分高標清上下變換器在高標清上下變換時需要將YUV色差分量信號換算成RGB分量信號來處理，然後再換算回YUV輸出。如果這個過程中所使用亮度矩陣方程有問題，那麼就會造成高標清上下變換後顏色的變化。
圖13 100%彩條信號經某品牌非編上變換的閃電顯示
圖14 100%彩條信號經X75某品牌非編上變換的矢量顯示
如圖13、14所示，是100%標清彩條使用某品牌非編系統進行格式上變換後的閃電和矢量測試。輸出信號的分量幅度和色度相位已經大大偏離了標準框範圍，偏差很嚴重，對節目製作的影響很大。主觀上通過監視器觀察，高標清上下變換後的圖像與測試信號圖像在顏色方面也有較易察覺的偏差。與此非編廠商的工程師就該問題進行了溝通，廠商最後承認是軟件設計上的失誤，並在較短時間裏通過軟件的更新修正了這個問題，保證了節目製作的質量。這個例子也說明了對高標清上下變換器的圖像監測是十分有必要的。
3.2.2 圖像水平分解力監測廣播電視的掃描參數一經確定，其圖像的清晰度和圖像信號帶寬亦隨之確定了。電視圖像的分解力通常用能分辨黑白相間線條的線數來表示。電視的分解力又分爲垂直分解力和水平分解力。電視圖像的垂直分解力受每幀掃描行數的限制，實際上是受每幀顯示行數的限制。理想條件下，垂直分解力等於每幀顯示行數。但在實際上垂直分解力與當時的圖像狀態和掃描線的相對位置有關。水平分解力是指圖像在水平方向上可以區分出垂直的黑白相間的線條數目。對於電視系統的清晰情況，主要考察其水平分解力。
水平分解力還可以用調製度來衡量。調製度定義爲：圖像中最大亮度與最小亮度之差和最大亮度與最小亮度之和的比值，用百分比來表示。如調製度趨近爲零，表示圖像分辨率的黑白線條間距小到幾乎分辨不清了。我國標清模擬亮度信號標稱帶寬爲6MHz，對電視系統和設備來說，我們一般考察5MHz和6MHz的調製度；高清模擬亮度信號標稱帶寬爲30MHz，一般考察27MHz的調製度。
當採用信箱模式下變換時，高清信號每行1920個有效圖像採樣點會變成標清每行720個有效圖像採樣。高清信號亮度採樣頻率爲74.25MHz（1125/50i格式），標清信號亮度採樣頻率爲13.5MHz。那麼原來爲12MHz的高清信號下變換後會變成12MHz/（74.25×720）（13.5×1920）≈5.82MHz。當採用切邊模式下變換時，高清信號每行1440個有效圖像採樣點會變成標清每行720個有效圖像採樣。原來16MHz的高清信號下變換後會變成16MHz/（74.25×720）（13.5×1440）≈5.82MHz。同樣，採用鑲邊模式上變換的標清信號，其6MHz信號會變成16.5MHz。
下面是高清攝像機拍攝的高清多播羣測試卡信號經過下變換製作通道後輸出進行測試的過程：1．用高清攝像機卡正高清多波羣測試卡，使用WFM7000讀取高清信號，通過推、拉微調攝像機的構圖，使WFM700讀到的多波羣條頻率與測試卡對應的頻率相同或相近。2．使用WFM700讀取下變換器輸出的波形，選擇與測試卡對應的可見最高頻率16MHz波形羣條展開，讀取其一個正弦波週期的時間約是0.16us。3．通過f=1/T ，換算出下變換後標清信號的清晰度約爲6MHz。
下變換通道的清晰度如圖15、16所示
圖15 下變換通道的清晰度（內容爲高清測試卡的2M~16M）
圖16 下變換通道的清晰度（內容爲高清測試卡的18M~30M）
由圖15可知，圖像6MHz左右的調製度大於40%，5MHz左右的調製度大於50%，達到GY/T109.1-1992《廣播用CCD攝像系統通用技術條件》甲級標清攝像系統的技術指標。高清前期製作設備經過此下變換通道製作的圖像清晰度與一般標清製作的圖像清晰度是差別不大的。
此外，本課題還對錄像機、攝像機自帶的下變換輸出以及一款高清非編的下變換輸出的多播羣信號進行了比較。測試信號使用TG700的10-20M高清多波羣測試信號。如圖17，高清測試信號被國產某品牌非編採集後，再放在時間線上採用擠壓模式生成標清成品後輸出圖像的亮度信號波形（主要關注其Y信號）。圖18是HDCAM高清錄像機直接下變換（採用擠壓模式）輸入高清測試信號的亮度信號波形。圖19是某款EPG級高清攝像機拍攝高清多波羣測試卡後使用自帶下變換功能採取切邊模式下變換的圖像亮度信號波形。比較圖17和18，非編下變換後圖像其調製度比錄像機要好。主觀上看，非編下變換比錄像機下變換的畫面細節上要清晰些，整體感覺非編下變換要優於錄像機下變換。圖19的波形調製度過高，原本應該是正弦波形的信號被增強的過分誇張，從監視器上看，圖像上有許多讓人不舒服的干擾現象，其它主觀圖像的評價也不好，畫面物體邊緣部分過渡非常生硬，整體是三者中最差的。
圖17 某非編10-20M多波羣信號下變換
圖18 HDCAM錄像機10-20M多波羣信號下變換
圖19 ENG級攝像機自帶下變換的多波羣卡畫面波形
經過和使用部門的探討，並大致測評了其它型號和品牌的設置，基本可以得出一個結論：就格式轉換質量來說，專業上下變換器和國外高端非編的質量最好，其它非編的上下變換質量也不錯，錄像機自帶的上下變換質量較差，容易看到雜波和邊緣的毛刺，攝像機自帶的下變換質量更差，錄像機和攝像機的上下變換功能不適宜用在電視系統中用於製作。
3.3 AFD檢驗許多電視臺都期望使用AFD碼來對臺內的高標清電視信號間高標清上下變換的寬高比進行管理。那麼工程技術人員就需要運用儀器來對SDI信號有無攜帶AFD或攜帶AFD的內容進行檢查。
SMPTE 2016-3-2007對AFD和Bar Data就如何嵌入10bit編碼的SDI信號進行了規定。如2.3.2節所描述，AFD和Bar Data組成的附屬數據包是放置在場輔助數據區（VANC）中的。根據我國行業標準GY-T 160-2000《數字分量演播室接口中的附屬數據信號格式》的規定，附屬數據包必須緊隨在指明可應用區域開始的EAV或SAV定時基準信號之後。AFD附屬數據包屬於使用兩個字作爲數據標識的類型2，這樣一個附屬數據包的組成爲：一個表徵附屬數據包開始的附屬數據標誌（ADF）；規定附屬數據包的用戶數據字中所運載的數據性質的數據標識（DID）；補充數據標識（SDID）字；數據計數（DC）數目，表示附屬數據包中用戶數據字的數量；用戶數據字（UDW），每個附屬數據包中最多255個字；校驗和（CS）字。
附屬數據標誌（ADF）由三個字的序列組成，其數值爲：00.0h、FF.Ch、FF.Ch。AFD附屬數據包的數據標識（DID）字規定爲41h，補充數據標識（SDID）字規定爲05h。數據計數（DC）字代表後隨的範圍爲0~255個字的UDW數目,在10比特系統應用時，包含：比特b7~b0運載數據計數值；比特b8爲b7~b0的偶校驗比特；比特b9爲b8的反碼。用戶數據字（UDW）用來傳送由ADF和Bar Data的具體信息（詳見2.3.2節）。校驗和（CS）字用來確定DID至UDW的附屬數據包的有效性，它由10比特組成，9個比特的值及b9，規定如下：比特b8~b0爲校驗和值；比特b9爲b8的反碼。
有了上述對AFD附屬數據包設置的瞭解，下面通過實例（泰克公司的WFM700和WVR7120）來介紹如何檢查AFD。
WFM700是泰克公司已經推出了好幾年的波形監視器，它的數據顯示功能可以看到SDI傳輸的任何數據。將參測信號連接到WFM700上，按下WFM700的MEAS按鈕，通過觸摸屏和旋鈕調整到AFD所在場逆程位置。
測試信號是一段標清素材經過Harris的視頻服務器採用Pillarbox模式上變換而成的高清信號。用WFM700看到的數據如下圖31所示。
圖20 嵌入在第11行的AFD信息
在從0到5採樣點的Y和Y’數據字上，分別是000、3FF、3FF、241、205、108，它表示這裏放置有AFD附屬數據包，採樣點6的Y數據字14C即包含AFD具體信息，14C的二進制表示爲0101001100，第4~7個bit即爲AFD碼，內容爲1001（在16：9視頻圖像中對應爲Pillarbox 4:3 image, horizontally centered in the coded frame），第8個bit是AR信息，1表示16:9。由於AFD碼爲1001，因此不需要使用Bar Data信息，因此採樣點9至13這5個字全部都是200。最後採樣點14爲29A，是從採樣點3到13所有字的校驗和。
使用WVR7120查看AFD附屬數據包就更簡單了，選擇Aux Status Display項目，如圖32所示的下半部分，可以直觀的看到SMPTE 2016系列標準所規定的AFD及Bar Data內容。
圖21 WVR7120的Aux Status 顯示
電視節目是由視頻信號和音頻信號組成，無論是視頻信號還是音頻信號，都有可能相應的數據處理或數據緩存引入音／視頻延遲。與處理音頻信號相比較，視頻信號通常需要作更多的處理，這樣，在系統中就有可能產生視頻對音頻的延遲。另外，隨着多通道音頻的應用，採用音頻壓縮也日益普遍。而且，幀同步一般至少會引入1幀的延遲。在某些情況下，廣播設施中視頻和音頻信號具有不同的傳送路由，有時還要通過不同的分配網絡。所有這些，都會造成音／視頻延遲。高標清上下變換對視頻的處理需要1幀或多幀，也會造成音/視頻延時，不管對單個高標清上下變換器還是這個製播通道都需要進行音/視頻延時測量以合理設置系統，使音/視頻準確同步。
按照ITU-R BT.1359-1建議書《廣播聲音和圖像的相對定時》的說法，從圖像源到觀察者之間的延遲容差應控制在＋90ms至－185ms範圍內，也就是說，音頻的超前不應超出90ms，音頻的滯後不應超出185ms。
使用泰克TG700信號發生器配合WVR7120可以對高清和標清音/視頻延時按圖22所示來進行測量。TG700的DVG7或HDVG7模塊可以產生一串短促的視頻脈衝信號，在這組視頻信號中嵌入了音頻序列，其間隔大約爲5秒，將這樣的測試信號送入被測系統。音頻和視頻信號經處理後通過各自的信號通道，最後一起進入WVR7120以測量音頻與視頻信號之間的定時差。
圖22 視音頻測試示意圖
如圖23所示，是廣東電視臺新聞高清演播室系統錄像機主通道的音/視頻延時測量結果。其中音頻超前了43ms，即2.15場。其結果在ITU-R BT.1359-1建議書《廣播聲音和圖像的相對定時》規定的範圍內，表示在被測系統中，音頻分量相對其正確的瞬態位置既不超前，也不滯後。
圖23 音/視頻延時測量
主觀評價方式是一種最直觀，也是在圖像質量評價中最常用的一種評估方法，它是以爲人作爲圖像評估者，直接利用觀察者對被測系統質量的主觀反應來確定被測系統性能的一種方法。主觀評價方法可以參照國家行業標準GY/T 228-2007 《標準清晰度數字電視主觀評價用測試圖像》和GY/T 134-1998《數字電視圖像質量主觀評價方法》。用於電視圖像質量評價的測試圖像、在圖像內容上有特定要求。
對於上下變換結果的評價，主要可以考察圖像的清晰度、圖像層次、膚色及常見色彩的還原、雜波的可見程度、物體的質感、字幕處理能力。可以按照GY/228-2007標準的建議尋找相應的圖像來進行評估。
在實際操作中，組織一場正式的主觀評價耗費的人力物力比較大。對於在整個電視系統中地位不算特別重要的上下變換器，似乎不大合算。我們期待一種可以重複進行又客觀準確的客觀測量圖像質量的方法。
3.6 用PQA500對圖像質量進行客觀測量
由於主觀測試視頻高標清上下變換有一定的複雜性和不確定性，因此，需要一種類似於用於傳統電視系統的客觀測試儀器。使用客觀圖像質量測量可以提高測量效率，得到更加精確的測量結果，本節主要探討和介紹應用泰克公司開發的PQA500客觀測試儀對高標清上下變換後的圖像質量進行測量和分析的具體方法。
下面以某廠家的下變換高標清上下變換器的DMOS測試來介紹PQA500在高標清上下變換器測量運用的方法和過程1。
- 將SDI接口卡的Out 2/B連接器連接到待測設備的輸入連接器。
- 將待測設備的輸出連接器連接到SDI 接口卡1/A連接器。
- 單擊SDI Generate/Capture（SDI生成/捕獲）按鈕。將顯示Simultaneous Generate and Capture（同時生成和捕獲）窗口。
- 從Format（格式）下拉列表中設置生成信號的格式。選擇HD-SDI:1080i/50(sF/25)
- 單擊Browse（瀏覽），導航至F:\Preinstalled_Sequences\Vclips\1920x1080。選擇文件V031051_Stripy_jogger_1920x1080i_UYVY.yuv並單擊Open（打開）。
- 如下設置文件格式：Height（高度）：1920；Height（高度）：1080；Frame Rate（幀速率）：50；Frame Structure（幀結構）： Interlace（隔行）；Sample Format （取樣格式）：CbYCrY4:2:2 8 bit
- 使用Capture To（捕獲到）輸入框指定要將視頻捕獲到的文件名稱。使用Browse（瀏覽）按鈕從對話框中選擇位置。將捕獲文件設爲f:\gdtv\run，然後單擊Save（保存）。文件名顯示在Capture To（捕獲到）框內。
- 將Start Capture（開始捕獲）和Stop Capture（停止捕獲）設爲Manual（手動）2。
- 單擊播放按鈕即開始生成視頻信號，手動捕獲待測設備的輸出。捕獲完成後，單擊Close（關閉）。
- 在Simultaneous Generate and Capture（同時生成和捕獲）窗口的右下角處，單擊Configure Measure（配置測量）按鈕，選擇017 SD from HD Broadcast DMOS測量。
- 在Reference（參考）框中，單擊Browse（瀏覽）。選擇經過格式下變換後的標清信號。
- 在Test（測試）框中，單擊Browse（瀏覽）。選擇原始序列信號。
- 在Set Reference File Format（設置參考文件格式）對話框中，輸入下列值：Width（寬度）：1920；Height（高度）：1080；Frame Rate（幀速率）： 25；Sample Format（樣本格式）：CbYCrY4:2:2 8 bit。點擊ok確定
- 切換至Temporal Sync（時間同步）對話框，在Temporal Alignment（時間校準）部分中單擊Automatic（自動），手動對齊Reference Sequence（參考序列）和Test Sequence（測試序列）的初始幀，並設置好測試長度3。
- 在Auto search Range ±（自動搜索範圍）中選擇20。4 ，然後單擊Apply（應用），單擊Apply（應用）之後，PQA500 嘗試自動校準視頻序列。整個過程需要五至十分鐘時間（與Auto Search Range和參測序列長度有關）。
- 完成校準後，單擊Spatial Alignment（空間校準）選項卡。觀察各項數據是否與圖24的結果接近。5
![]()
圖24 下變換測試中Spatial Alignment（空間校準）後的值 - 單擊Measure（測量），開始測量。
- 如圖25所示，是下變換器測試的DMOS結果，其平均值爲2.74，圖26是用同樣方法得到的PQR結果，其平均值爲2.99。這樣的圖像質量客觀測量結果表示此下變換質量還不錯，與使用部門的長時間運用後的評價一致。
** 1 經過與泰克公司工程師的多次溝通，高清下變換的測試中，Reference信號選擇下變換後的標清信號，Test信號選擇原始信號。
2 由於格式轉換器處理下變換時會帶來延時，因此用手動方式捕捉視頻比較穩妥。
3 雖然PQA500可以自動尋找對齊初始幀，但這樣做會消耗大量的計算機資源，因此建議花功夫手動對齊兩者的初始幀；並且，由於高清圖像序列的計算量非常大，此例子只計算了124幀的數據。
4 由於此例子中採用的下變換模式爲切邊下變換，標清圖像與原始圖像的差異還是比較大，該項目設置在20-30之間，有利於PQA500自動準確地搜索出Spatial Alignment（空間校準）的參數。
5 PQA500嘗試校準兩個視頻序列後，有時可能會收到時間校準警告。這是由一系列原因引起的。由於兩個序列不在校準範圍之內、正在分析平場序列或者測試序列失真，都可導致相關係數較低。如果收到此警告，那麼可以通過更改時間校準設置來提高序列之間的相關性（如果相關係數較低的原因是由校準較差引起的）。有關調整域校準設置的詳細信息。經過我們多次的實驗，下變換的測試數據如圖所示其相關性比較好。
圖25 下變換DMOS測試結果
圖26 下變換PQR測試結果
可惜，在同樣方法的上變換測試中，測試序列的DMOS值在前47幀一直處於可以接受的範圍附近，但在第47幀後，其PQR和DMOS值陡然上升（如圖27、28所示），其結果應該是反映圖像此後劣變了，可工程人員從主觀上看不出47幀之後有何異樣。也許出現這樣的結果是我們沒有正確設置上變換器參數或與此次使用的PQA500是泰克公司全國演示的Demo機有關。我們希望未來條件允許的情況下再彌補這個小遺憾。但不管如何，PQA500對上下變換器的測試結果也能大致反映出一個事實，上變換的難度比下變換大的多。
圖27 上變換PQR測試結果
圖28 上變換DMOS測試結果
4. 高標清上下變換在高標清同播時期的應用
上下變換是高標清同播時期必不可少的過程，在如今的高標清兼容系統中廣泛運用。在電視臺的高清演播室、高清電視轉播車、播出系統、總控系統、高清非編網等各種電視系統中，都能看到它的身影。它們是配置在系統的什麼位置，全臺範圍來說應該如何對整個下上變換進行管理，是本章討論的重點。
4.1 高標清上下變換器在製播系統中的應用 4.1.1 高清演播室以廣東電視臺400平方米高清演播室的數字高清改造化項目來看看高標清上下變換器在演播室的應用。爲了適應廣東電視臺節目發展的需要，我們把原來400平方演播室使用的模擬視音頻系統更新爲高清數字視頻系統和數字音頻系統。新建的系統是一個有完善備份功能的直播系統。
視頻部分有五臺松下AK-HC3500MC多格式高清攝像機，使用松下AV-HS5200切換臺、PANACEA P32x16HSI矩陣。系統可輸入2路外來數字高清和1路外來數字標清信號。可向總控傳輸1路高清2路標清信號。系統採用EVERTS 7700RD2X2-HD應急開關，採用EVERTS 7714HDC下變換器用於標清錄像。系統可同時對高清數字信號和模擬複合信號的監測，可對攝像機輸出的信號波形和高清圖像監視，還可以通過切換的方式監測各高清數字信源信號和系統輸出信號的運行指標。周邊視頻設備採用Leitch產品，配備了大洋D3-CG HD字幕機一臺，設置有6個錄放像通道。
視頻系統示意圖如圖29所示，從圖上可以看得出，視頻系統中，XHD3902-U、X75HD、切換臺和7714HDC都有高標清上下變換的作用，前三個將標清信號上變換成高清信號；7714HDC則將高清下變換成標清格式。視頻系統主通路採用全帶寬串行數字高清信號，考慮到目前標清環境的需求，配置了上變換通道爲製作提供節目源，配置了下變換通道可製作和轉播標清節目。音頻系統分開製作後嵌入SDI進行傳輸和播出。標清錄像機的信號和外來信號需上變換成高清，與AK-HC950高清攝像機、高清錄像機、字幕機和非編的高清信號進入Panasonic AV-HS5200 切換臺和PANACEA 32×16 矩陣，然後經過2×2倒換器，最後輸出高清信號和下變換成標清信號輸出。
圖29 廣東電視臺400平米高清演播室視頻系統簡圖
在節目製作過程中，該系統設備運行穩定，擴展性強，使用方便，信號指標正常，從完成改造完成交付使用以來，首先用於我臺體育頻道的《奧運直播》，隨後製作了《五年級插班生》、《十倍錢進》、《心中有數》等高標清節目錄像製作以及直播任務。
4.1.2 高清電視轉播車廣東電視臺數字高清晰度電視轉播車設計爲18攝像機訊道的大型轉播車系統，轉播車定位爲：（1）能支持2008年北京奧運會足球比賽轉播；（2）能夠作爲主力轉播工具支持2010年廣州亞運會電視轉播；（3）能夠支持2009年全運會及其他大型活動電視轉播；（4）能夠滿足臺日常轉播需要。
從高清電視轉播車的定位出發，同時考慮節省投資和提高設備利用率，高標清節目兼容製作將一個不錯的選擇。因此，高清晰度電視轉播車系統設計以負荷同時製作兩套不同的高/標清節目爲藍本。系統以中心矩陣爲信號調度中心，以主高清切換臺爲製作核心設計，輔助高清切換臺作爲主切換臺應急和輔助節目/第二套節目製作，輸出端採用下變換方式兼容標清信號輸出。具備5.1環繞聲製作能力、慢動作硬盤錄像和重放能力，動態源名跟隨指示控制和完善的網絡監控。
視頻系統設計常駐18個攝像機訊道，經過級聯6訊道和8個外來輸入可擴展到32個訊道。18個常駐訊道中，14個是常規高清攝像機系統（含5套演播室座機和9套便攜機），2個高清高速攝像機訊道，2個高清無線攝像機訊道。與廣東電視臺現有的電視轉播車系統不同的是，系統設計中將14套常規攝像機中的4套設計爲飛行箱方式，正常情況下與其他設備共同構成一套完整的EFP系統。EFP系統與轉播車主系統具有基本一致的設備配置及操作界面，既可以獨立使用也能夠通過專用的視音頻綜合電纜在需要的時候與主系統方便快速地連接使用。視頻系統示意圖如圖30所示：
圖30 廣東電視臺高清電視轉播車視頻示意圖
系統以多碼流高標清混合型矩陣作爲中心矩陣，這樣可以減少輸出通道下變換器的數量。作爲系統設計中的一個亮點，在矩陣上環接上/下/交叉變換器、解嵌器和嵌入器等，有需要時可以隨時靈活調用信號。
中心矩陣一方面作爲主切換臺輸入信號調配，另一方面作爲導演區監視等大部分動態調配的監視信號調配。
該車配置的Harris X75、Evertz7700模塊、切換臺等都可以用來進行上下變換。實際使用中， Harris X75多作爲進行上變換加幀同步使用，Evertz7710XUDC板卡主要用來做上變換，7714HDC板卡主要用來做下變換。該車驗收完成後，先是參加了2008年北京奧運會足球比賽轉播，爲BOB提供高清與下變換的標清信號，完成任務後，爲廣東電視臺的製作了許多下變換的標清節目。其整車下變換通道配置合理，轉播效果比原數字標清轉播車要好。
4.1.3 高清頻道播出系統廣東電視臺高清頻道播出系統（臨時）主要有兩個部分組成：播出通道和播出服務器。
1、播出通道
主播通道採用高清播出切換臺+矩陣播出方式。切換臺自帶2個內鍵和1個LOGO，滿足播出切換的需要。備通道採用備切換臺與下游鍵相結合的方式，確保在主通道出現故障時，正常播出不受影響。主備兩路播出信號具有自動倒換功能，保障了安全播出。倒換後的信號經過編碼後通過光纖送給網絡公司。
在通道上配置了監測點，送入原有出口監視矩陣，選擇後使用高清音頻解碼器解碼監聽監看，此監看監聽設備同時擔負播出機櫃線橋等的監看監聽功能。所有監看信號通過畫面分割板集成後送入LCD監視器進行監看，並帶音量顯示和告警。PGM信號通過HD-SDI轉換HDMI輸入主監視器。
2、播出服務器
此次播出服務器系統採用存儲搭配MCL播出服務器的方式。存儲部分爲BML播出媒體資料庫，使用具高穩定性的SCSI硬盤保障系統安全播出。系統兼容高標清混播，對外傳輸採用標準FTP協議，單節點帶寬2.4Gbps，利於大量文件的快速傳輸。編解碼部分採用高、標清通用的硬件平臺，根據實際需要配置通道數量和類型。
圖31 廣東衛視高清頻道播出系統簡圖
在播出通道上，使用了Evertz 7710上變換系列模塊，另外，HD VCR也有上變換的功能，可以將標清節目磁帶上變換成高清SDI進行播出。不過，通過錄像機上變換的圖像質量比較差，一般不建議使用。高清頻道的主要通過視頻服務器來播出，系統所選擇的視頻服務器本身也能將標清節目通過AFD或默認的方式上變換成高清進行播出。
演播室、電視轉播車和播出系統在配置和選擇擁有上下變換的設置時都有這樣的特點：1、系統都是建立在高清SDI平臺上的；2、系統的切換臺與核心矩陣基本選用可以同時支持高清和標清格式的型號，爲高標清節目混用做準備，但大多數情況下不直接輸入標清信號進入切換臺；3、系統前段靠近輸入的格式轉換器多選擇專用上變換器或類似Harris X75這種多功能處理器；4、系統的後段靠近輸出的格式轉換器選擇專用下變換器。
4.2 高標清上下變換帶來的管理問題 4.2.1 寬高比管理今後幾年的一段時間裏，高清頻道內容完全由高清攝像機前期提供是比較難以實現的。高清前期製作設備在電視行業裏普及還遠遠不夠，許多電視工作者還處於高清電視製作的探索階段。如今的狀況是，50%以上的高清頻道節目都是由標清攝像機前期拍攝，後期經過上變換至高清而提供的。廣電總局的高清發展規劃是要求做到高標清同播，最新的《廣電總局關於促進高清電視發展的通知》精神是：在高清節目、欄目中使用標清節目素材時，必須按16:9的格式調整。過渡期內，高清頻道中的標清上變換節目、欄目，應按4:3格式播出。
有兩種方式爲高清提供標清素材。一是標清攝像機使用4:3構圖方式爲高清頻道提供素材，使用鑲邊方式上變換。這種方式使用了100%的原攝像機能力，但填充了75%的高清畫面。另一種是標清攝像機使用16:9構圖方式爲高清頻道提供素材，使用拉伸方式上變換。這種方式使用了100%的原攝像機能力，並充滿了100%的高清畫面。考慮高、標清頻道同播，那麼只使用了攝像機75%的構圖內容和清晰度。這種方式的優點是照顧了高清用戶，但標清用戶在收看時要麼收看到較少的構圖內容，要麼收看到的節目清晰度比起原來標清頻道要大打折扣。
我們需要依次制定恰當的寬高比管理策略。正確的寬高比管理策略可以保護標清觀衆的利益，不當的上、下變換組合會降低高清製作、標清播出的圖像質量。爲照顧大多數標清觀衆的欣賞習慣，高清製作的節目下變換時應採用保證標清電視機畫面滿幅的切邊模式。爲保證下變換後的畫面構圖正常，高清拍攝時需要在16:9的尋像器中加入4:3標誌線，取景時畫面以4:3構圖爲主兼顧16:9。
採用切邊模式下變換需要注意以下問題：
1．特技。採用高清製作切邊模式下變換後部分高清特技的過程會因切邊而變得不完整，因此在製作特技時也應該以4:3構圖爲主，儘量不用從畫面的角或邊開始的特技。
2．字幕。採用高清製作切邊模式下變換後部分高清畫面中的字幕會因切邊而丟失，或因切邊變得不美觀，高清畫面中的字幕下變換後可能不夠清晰。因此在製作字幕時需要在4:3畫面範圍內佈置字幕，字符要夠大，適合標清下變換觀看。有條件的，要考慮採用分離字幕製作方式，標清/高清播出時分別插入字幕。
4.2.2 音/視頻延時的解決視頻在高標清上下變換的時候需要進行大量的數據處理和數據緩衝，就使得經過變換處理以後的視頻信號相對於音頻信號來說就有一定的延時，通常上下變換延時爲1幀到幾幀（視乎變換器採用算法的複雜程度和搭載的硬件平臺不同有不同的延時量）。相對於音頻信號，視頻信號滯後不大於1幀時，對觀衆的影響輕微，可以忽略，但是超出2幀的延時就能讓觀衆感覺到聲音畫面不同步，在設計系統的時候要充分考慮上下變換引起的視頻信號滯後的問題，對音頻信號做相應的延時處理，才能夠保持聲音畫面的同步。
在實際的製作當中應用比較多的是標清VTR、標清外來信號（或嵌入音頻）上變換到高清輸出高清PGM信號，再經下變換到標清輸出。經過這樣處理的視頻信號相對於音頻信號有3幀到5幀的滯後（其中含切換臺引起的1幀滯後）。在總控與播出系統中，音頻多是嵌入在SDI信號中與視頻一同傳輸，且視音頻需要處理的部分較少，音/視頻延時問題相對沒有那麼突出。解決音/視頻延時有多種方法，對於高標清兼容的製播系統，可以採取以下方式來解決：
1．部分的高標清上下變換器提供音頻延時的功能，在高標清上下變換器處理有音頻嵌入的SDI時，設置高標清上下變換器對音頻進行延時，使之與視頻同步。
2．在視音頻分開傳輸時，利用音頻系統中數字調音臺對相應的音頻通道進行音頻延時處理。
3．在整個音頻系統中引入音頻延時器，對需要延時處理的音頻進行延時處理。
如今的電視廣播現狀是，在標清電視系統的廣播端，實現了NTSC色域拍攝，使用NTSC矩陣編碼；在接收機端，使用NTSC矩陣解碼，而NTSC色域在顯像管上無法實現，實際使用的是比NTSC色域窄EBU與SMPTE C色域電視機。
在高清電視系統的廣播端，高清攝像機能夠再現NTSC色域，並能用改變矩陣的方法模擬不同的標清和高清色域，系統使用ITU-R709矩陣編碼；在接收機端，使用ITU-R709矩陣解碼，顯像管逐步退出了接收機應用，新型電視機可以顯示與顯像管相近或更廣的色域，採用LED背光的液晶面板甚至能夠顯示比NTSC更寬的色域。
如圖32所示，當分別使用NTSC色域和R709色域拍攝相同色彩時，NTSC色域範圍大，得到的彩色飽和度相對低些，R709色域範圍小，得到的彩色飽和度相對高些。
圖32 不同色域拍攝同一現實色彩的結果
如圖33所示，注意圖中的紅色荷花部分。圖（a）用NTSC色域拍攝時彩色飽和度低，能夠表現出相近色彩之間的差別，圖（b）用R709色域拍攝時彩色飽和度高，不能表現出相近色彩之間的差別。
圖33 拍攝圖像樣本比較
因此，當高清攝像機彩色矩陣設置爲ITU-R709標準時，在高清接收機上可以得到正常彩色飽和度的圖像，攝像機採用與標清相同的NTSC寬色域拍攝時，下變換圖像的彩色飽和度與標清攝像機相同，可以照顧大量標清用戶的收看習慣，攝像機設置爲NTSC寬色域時，用高清電視機收看的畫面彩色飽和度會降低一些
4.2.4 其它設置從理論上分析，高清製作下變換至標清播出的節目質量應該與同樣採用標清系統製作的節目質量差別不大，但在不能恰當設置格式轉換設備的情況下，會出現下變換節目的圖像質量比標清製作的節目質量還要差的現象。
圖34 7714HDC的Scaler Control設置
例如，搭建完成不久的高清轉播車系統，上下變換器的進階設置爲默認狀態，通過一段時間的使用和測試發現，其下變換出來的標清畫面比較柔，感覺清晰度不夠好。更改下變換器Evertz 7714HUDC的“Scaler Control”進階設置（如圖34所示），當“H Fitter Cutoff”和“V Fitter Cutoff”項設置靠右參數高的時候，一般畫面感覺清晰，細節突出，但圖像邊緣過渡生硬，容易在圖像內容的邊緣處出現鋸齒；當參數設置靠左或者設置爲自動時，畫面過渡柔和，但清晰度下降的多。因此，需要找到一個恰當的值使畫面較清晰，而有不會邊緣過渡生硬、毛糙。
圖35 7714HDC的Image Enhancement設置
另外，對圖像清晰度產生不同影響的還有變換器信號處理的幅度和頻率，相位和頻率方式以及對圖像運動補償、相位補償等處理方式的不同，濾波器的自適應調整能力，以及水平和垂直銳度的補償等，在上下變換中通過對圖像輪廓銳度進行增強校正可以增強圖像的亮度細節和彩色細節，這些在Evertz 7714HUDC的“Image Enhancement”項目可以進行設置（如圖35）。
4.2.5 小結上下變換器的選擇，最好的是專業的廣播級上、下變換器、視頻服務器和國外高端非編系統，其次是普通非編系統，不建議使用攝像機和錄像機自帶的上下變換模塊。
可以用AFD管理寬高比，臺內AFD的嵌入SDI行逆程的位置應當一致，建議統一放置在第11行。AFD不是萬能的，不能代替拍攝、製作時的技術管理策略。
上下變換器應該在使用過程中尋找出恰當的細節和增強設置，以保障節目質量。
在高標清同播的前一兩年裏：高清遷就標清。高清製作的節目大部分在標清模擬電視頻道播出，高清觀衆是少數，標清觀衆是多數，應兼顧模擬標清播出的技術標準，照顧大多數標清觀衆的欣賞習慣。具體措施有：攝像機取景構圖以4:3畫面爲主兼顧16:9；採用切邊模式下變換；字幕布置在4:3畫面範圍內；攝像機可以設置爲NTSC或EBU色域；攝像機限幅電平控制在103%或100%；採用高標清兼容的測試信號；合理設置高標清上下變換器
在高標清同播的第三年後：標清遷就高清。用高清製作和播出的節目越來越多，高清觀衆越來越多，應重點照顧高清觀衆，兼顧標清觀衆的收看需求。具體措施有：攝像機取景構圖以16:9畫面爲主兼顧4:3；下變換可以採用切邊模式或14:9模式；攝像機色域可選擇ITU-R709；攝像機限幅電平提高到103%以上。
5. 總結
5.1 全文總結高標清格式上下變換本身不算特別複雜的問題，但高標清間格式變換在電視臺的應用會帶來一系列繁雜的問題需要考慮，如此才能保證我們的高清電視發展的優質安全。在本課題的研究過程中，筆者從高標清上下變換的原理出發，分析對比了現有高標清上下變換器所採用的各種算法，摸索出一套適合高標清格式變換系統的測試項目和方法，以更好的選擇高標清上下變換器和更恰當的設置高標清上下變換器。並結合筆者所在電視臺的電視車組、製作中心一組、非編科組和新聞中心技術科組的實際工作經驗，對高標清格式上下變換的實際應用做出介紹。並針對廣東電視臺的實際情況給予了一套上下變換管理建議。
本課題研究的上下變換器主要是考慮到我國規定的高、標清電視格式間的轉換，而在電視製作特別是體育節目直播，常需要考慮到與國外電視節目交換的需求，這時還需要對幀頻的改變進行處理，由於資源有限，筆者還沒有能夠將之歸納入課題討論，但幀頻改變這個問題對於整個格式轉換來說不算難題，這要求本課題將來可以按照同樣測評分析思路和管理思路將之歸入。
5.2 未來展望由於本課題目前主要是完成了上下變換圖像方面的研究，而高標清混合製播的情況下還要考慮到聲音製播相關的問題。比如高清電視還支持5.1環繞聲，而標清電視最多體現立體聲，二者之間的縮混（下混）與上混也需要考慮到整個高標清間的格式轉換中去。
字幕和圖像分離播出是我們電視技術工作者和廣大電視觀衆希望看到的，實現它的途徑之一就是借用國外的隱藏字幕規範。 EIA－608 和EIA－708標準規定了如何在模擬和數字電視上使用Closed Caption信息。可惜的是，它們所規定的隱藏字幕是針對26個英文字母爲基礎的語言的，我國不能直接使用。未來需要爲之制定相應標準，使之符合GB2312或GB18030的中文字符編碼，纔有可能使用於廣電行業。然後，我們才能再去研究針對於隱藏字幕的高標清上下變換。
