低成本高清現場(chǎng)制作系統初探
文/北京研究所 何克成
2007.03.01
數字高清電視是世界的潮流，正處在高速發(fā)展階段。我國從建國50周年首次制播高清節目時(shí)，只擁有個(gè)別高清攝像機、錄像機等獨立的制作工具，到今天各種檔次的高清攝像機、錄像機系列，再到演播室，制作、存儲、播出等系統產(chǎn)品的豐富，數字高清已經(jīng)形成了完整的陣容。面臨北京2008奧運會(huì )的舉辦，各大電視臺都在籌辦高清頻道，高清的確離我們越來(lái)越近了。
隨著(zhù)高清制作的普及，業(yè)內對高清制作的認識也越來(lái)越清晰和實(shí)際了。不僅大型電視臺和專(zhuān)業(yè)制作公司使用高清拍攝了電視劇和廣告，業(yè)務(wù)用戶(hù)和玩家也使用HDV體驗了高清的品質(zhì)。在HDV這樣低成本高清產(chǎn)品日益普及的今天，高檔的數字高清設備也逐步有經(jīng)濟機型出現，向低成本發(fā)展。在系統產(chǎn)品方面，也出現了低成本的高清切換臺。那么，低成本高清怎樣形成系統制作的能力，低成本高清制作節目是否被市場(chǎng)所接受，這是我們面臨的問(wèn)題。
什么是低成本的高清，低成本是一門(mén)應用技術(shù)。
數字高清的標準有1080/50i和720/50p（對傳統PAL制地區），我國數字高清演播室標準是1080/50i。按照高清電視16∶9的寬高比，這個(gè)標準也可以解釋為1920*1080/50i；按照4∶2∶2的演播室標準數字分量取樣，和10bit（最小8bit）量化，每個(gè)高清視頻流可產(chǎn)生超過(guò)800Mbps以上的數據流量，這個(gè)數據量對演播室主要設備攝像機，監視器，切換臺，錄像機都提出相當高的要求。滿(mǎn)足這個(gè)標準的攝像機CCD，就應該有200萬(wàn)以上像素，高端的數字錄像機也有200Mbps以上的記錄碼率。這是當前經(jīng)濟型設備所望塵莫及的。
然而，格式或制式只是規定了電視的顯示方式或電視制作設備可以達到分辨率的上限，或者說(shuō)，滿(mǎn)足這個(gè)標準就可以播出和收看。對于1080/50i和720/50p只是規定了掃描方式，場(chǎng)頻和行頻，并沒(méi)有規定場(chǎng)和行的內容，也沒(méi)有規定必須達到的水平和垂直清晰度，或者說(shuō)是規定了清晰度的上限而不是下限。比如對于1080i，既有1920*1080，也有1440*1080，甚至還有1280*1080。標清（720*576）節目也可以轉換成高清（1920*1080）播出，并以高清的形式收看。
從標清到高清，空間信息從720*576提高到1920*1080或1280*720；時(shí)間信息從50i提高到50p，信息量成倍地增加，尤其是空間信息，是一個(gè)很大的信息空間。不同質(zhì)量的高清，都可以存在于這個(gè)空間里。這個(gè)空間，顯然是經(jīng)濟型高清和低成本高清生存的空間。高清節目也有不同的表現方式，質(zhì)量不一定都達到高清標準的上限，重要的是用戶(hù)是否能夠接受。就像當年標清時(shí)代有很多格式的錄像機，代表了不同的技術(shù)質(zhì)量。
電視所表現的圖像品質(zhì)，不僅體現在空間（靜態(tài)清晰度）和時(shí)間（動(dòng)態(tài)清晰度）方面，動(dòng)態(tài)范圍和信噪比也是重要的影響因素。但這個(gè)重要的技術(shù)特征并不受高清或標清格式的影響，而是取決眾多非格式技術(shù)因素，如攝像機CCD、電視機的顯像管、A/D轉換器和壓縮編碼器等等設備和器件的品質(zhì)。這些也是討論低成本高清必須涉及的問(wèn)題。
在數字時(shí)代，高清的傳輸，記錄與存儲都是在數字領(lǐng)域。高清巨大的數據量對傳輸、記錄和存儲都提出挑戰。數字編碼壓縮是傳輸、記錄和存儲領(lǐng)域普遍使用的關(guān)鍵技術(shù)，應用在節目播出，廣播、錄像機、非線(xiàn)性編輯、媒體資產(chǎn)管理、網(wǎng)絡(luò )視頻、DVD等領(lǐng)域。根據應用領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)，有不同的壓縮編碼方式選擇，如MPEG-2、H.264等。壓縮技術(shù)的核心是利用視頻信息在空間、時(shí)間方面的冗余和人眼對一些視覺(jué)信息的不敏感性，主動(dòng)地放棄視覺(jué)效率相對低的信息，從而提高應用領(lǐng)域的技術(shù)性能，獲得整體的高效率，也包括設備和系統價(jià)格的降低。實(shí)際上，壓縮技術(shù)也可以稱(chēng)為低成本技術(shù)。
所謂低成本技術(shù)，是以獲得應用領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢為前提，是以獲得節目的整體效果和效益為前提；而不是以犧牲節目質(zhì)量換取低價(jià)格為前提。對低成本的高清演播室，也是首先考慮保證技術(shù)質(zhì)量滿(mǎn)足節目要求，使用性能滿(mǎn)足節目制作的要求。價(jià)格當然是考慮的主要因素，但低成本是一個(gè)寬的范疇，是相對的，而不是絕對的。從專(zhuān)門(mén)探討低成本高清演播室和現場(chǎng)節目制作系統這個(gè)專(zhuān)題來(lái)說(shuō)，是整體規劃策略和專(zhuān)業(yè)設計技術(shù)，對設備、系統和應用的全方位整合。
低成本高清演播室和現場(chǎng)節目制作系統的定位
因為低成本的范疇是相對和廣泛的，所以在系統中，用相對低端和簡(jiǎn)單的設備，代替昂貴復雜的系統，完成節目?jì)热莸闹谱餍枨蠖紝儆谶@個(gè)范疇。簡(jiǎn)單地說(shuō)，低成本高清制作系統是由各種低成本高清設備如攝像機、切換臺、錄像機、監視器等組成，這些設備是以適當的形式搭配，滿(mǎn)足必須的使用功能，節目質(zhì)量能夠體現高清最重要的特點(diǎn)，并能夠被大多數觀(guān)眾容易接受的。
從我們已經(jīng)能夠得到的低成本高清設備來(lái)看，它們本身就具有這樣的特點(diǎn)：滿(mǎn)足高清制式的要求，品質(zhì)不是高檔但足以體現高清的特點(diǎn)，并且有獨到的使用功能；質(zhì)量可靠，規模相對小，應用簡(jiǎn)單靈活；功能單一或一機多用。在系統方面，可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的整體規劃和配套實(shí)施進(jìn)一步降低成本。當成本降低到一定程度時(shí)，可以促使一種應用形式的產(chǎn)生和生存，帶動(dòng)一個(gè)行業(yè)的發(fā)展。低成本高清系統的定位和設計可以從以下幾個(gè)方面考慮：設備的質(zhì)量和成本；設備使用的效率和成本；系統的規模；系統的配套；系統應用的靈活性。
低成本高清演播室或現場(chǎng)節目制作系統的應用領(lǐng)域可能有：
1、大型電視臺的某些小規模應用，這種小規模應用的品質(zhì)比較高，但規模小，應用簡(jiǎn)單
2、為大型電視臺提供節目的制作公司，他們需要比較高的性能價(jià)格比，
3、中小電視臺為高清制作的準備，為高清播出提供有特色的節目。在能夠表現高清特點(diǎn)的前提下，重要的是突出地方特色。
4、科研教育等專(zhuān)業(yè)應用，主要考慮使用功能的簡(jiǎn)單和多用途。
低成本現場(chǎng)節目制作的主要設備
1、低成本數字高清視頻切換臺具有明顯的多功能應用特征。普遍采用視頻數字分量（SDI/HD-SDI）輸入和輸出接口，4∶2∶2的演播室標準數字分量取樣，10bit（最小8bit）量化，支持DVI（RGB）輸入。切換臺的工作狀態(tài)在高清/標清可切換，根據設定方式工作。對支持高/標清混合切換的切換臺要視其輸出方式，輸出高清可以稱(chēng)為高清切換臺，輸出標清則視為標清切換臺。8訊道屬于中等規模，6訊道以下屬于小規模應用。同步方式即可以?xún)韧剑▋群?路幀同步器），也可以外同步。一級M/E，一個(gè)鍵通道或一級下游鍵。切換和處理方式簡(jiǎn)單實(shí)用。
HD/SD Digital Video Switcher Comparison Chart
切
換
臺
型
號
Datavideo SE-1000
For-A HVS-500HS
Thomson Indigo
Panasonic HS-300
信
號
通
道
4:2:2 10bit 4:2:2 10bit 4:2:2 10bit 4:2:2 10bit
規
格
特
點(diǎn)
1、支持高清/標清
2、5路數字視頻輸入
3、1路DVI輸入
4、嵌入式音頻通道
5、3路高清數字視頻輸出
6、選擇模擬分量視頻輸出
7、6路下變換視頻輸出
8、Linear Key/Selfkey的合成支持，可以輕松實(shí)現文字的播出
9、Cut、Mix、Wipe 9模式3方向
1、支持高清/標清
2、純視頻切換臺
3、4路模擬分量視頻輸入，8路數字分量視頻輸入
4、嵌入式音頻通道
5、2路標清復合輸出
6、提供有色鍵摳像功能的DSK（下游鍵控器）
7、除了MIX轉場(chǎng)以外，還有NAM、FAM和WIPE轉場(chǎng)
1、高清標清混合切換
2、6路標清視頻輸入，
2路高清視頻輸入
3、2路DVI輸入
4、2路1394視頻輸入
5、標清信號輸出
6、DVI輸出
7、音頻調音臺
8、提供外鍵、內鍵和色鍵功能
9、2維和3維特技專(zhuān)場(chǎng)效果，包括卷頁(yè)、水波紋和扭曲等
1、支持高清/標清
2、5路數字視頻輸入
3、模擬分量（選購）
4、1路DVI輸入
5、嵌入式音頻通道
6、3路高清數字視頻輸出
7、選擇模擬分量視頻輸出
8、6路下變換視頻輸出
9、Linear Key/Selfkey的合成支持，可以輕松實(shí)現文字的播出
10、Cut、Mix、Wipe 9模式3方向
表1
2、攝像機是系統配備時(shí)最重要的因素，不僅因為它的價(jià)格貴，數量多，它還影響著(zhù)整個(gè)系統的工作方式。對于演播室和現場(chǎng)制作應用，傳統上是使用演播室攝像機系統，攝像機CCU是系統中的重要組成部分。演播室攝像機系統的重要功能是：高質(zhì)量的信號通道（HD/SD-SDI或模擬分量）；攝像機的后臺控制和調整；返送視頻通道；提示和內部通話(huà)信號通道。CCU與演播室攝像機之間采用專(zhuān)門(mén)的電纜傳輸，保證長(cháng)距離傳輸的質(zhì)量和可靠性，應用的便捷性。傳統的演播室攝像機都是高檔攝像機，它的性能優(yōu)秀，但價(jià)格昂貴，對于低成本應用是最大的障礙?，F在ENG攝像機也有HD-SDI輸出的機型，能夠輸出高質(zhì)量視頻信號，提示、通話(huà)和返送視頻通道可以由專(zhuān)門(mén)的系統集成商來(lái)完成，所以，低成本高清現場(chǎng)節目制作系統應該在不使用專(zhuān)門(mén)的演播室攝像機和攝像機CCU的情況下，也能夠完成演播室攝像機的主要功能。
當前的系統設備（切換臺）都是數字信號通道，所以要求攝像機具有數字信號輸出能力，帶HD-SDI接口的攝像機有：高級演播室攝像機、中高檔ENG攝像機、HDV攝像機、多用途攝像機、網(wǎng)絡(luò )攝像機。其中HDV攝像機的演播室套裝是專(zhuān)門(mén)為低成本應用設計的。
對于演播室和現場(chǎng)節目制作，攝像機對整個(gè)節目質(zhì)量的影響是最直接的。在標清電視制作系統中，演播室攝像機幾乎清一色是使用2/3寸CCD的，這個(gè)器件的規格影響了攝像機幾乎所有的技術(shù)指標。原因很簡(jiǎn)單，CCD的面積大，其可劃分的像素數就多，感光能力和電荷輸出能力也強。一般說(shuō)來(lái)，CCD面積規格每大一檔，其動(dòng)態(tài)范圍就增加一倍；動(dòng)態(tài)范圍增加，還原色彩的范圍就廣，信噪比就高，低照度性能也好。我們看到，對低成本高清系統，要使用低成本的攝像機，有些甚至是1/3寸CCD的攝像機。這些低成本攝像機相對與高級演播室攝像機無(wú)疑是有差距的，但對于高清應用來(lái)說(shuō)，它的圖像規格是高清的，仍然能體現高清最重要的性能。只是它的缺陷更多，或者說(shuō)它的缺陷更容易暴露。對于這方面的問(wèn)題，一方面要看使用者對攝像機的掌握程度，是否能夠根據現場(chǎng)的情況揚長(cháng)避短；另一方面，要看節目的內容，是否能夠容忍這些缺陷的存在。高清畢竟是高清，相比標清還是有明顯的綜合優(yōu)勢。
適合組成低成本高清系統的攝像機有：
表2
3、錄像機是系統的最終記錄設備，因為系統設備都是數字高清輸出，所以也要求錄像機具有HD-SDI接口。符合這個(gè)標準的磁帶錄像機有HDCAM和DVCPRO HD，以及藍光盤(pán)錄像機XDCAM。這些錄像機都是高級廣播格式，這些系列中也有相對低成本的產(chǎn)品（如圖）。真正低成本的HDV錄像機可能沒(méi)有考慮系統的需要，或者生產(chǎn)商自認為HDV格式不適合做現場(chǎng)和演播室應用，只為HDV錄像機設計了1394接口，連接高清系統需要HD-SDI到1394接口轉換器。雖然似乎可行，但HDV錄像機的使用功能（如時(shí)間延時(shí)，動(dòng)作慢等）對滿(mǎn)足現場(chǎng)節目制作的需求還是有比較大的差距。
4、監視器是系統應用中變數比較大的，一個(gè)4或6訊道的現場(chǎng)節目制作系統，往往要求有6-10臺監視器，如果都采用大屏幕的高清監視器，系統的體積是比較大的；如果采用小尺寸監視器監視高清，則標清高清就沒(méi)什么區別了。在實(shí)際使用中，現場(chǎng)的需求是有很大區別的，可以根據使用的攝像機的不同靈活掌握。如果是使用低成本攝像機或HDV攝像機，部分監視信號下變換到標清監視是可行的。
低成本技術(shù)高清現場(chǎng)節目制作系統可以在以下幾方面體現
對于低成本高清系統最主要的是體現兩大應用價(jià)值：一是高清，二是低成本。具體的體現方式是根據實(shí)際需求確定，以下幾個(gè)方面可以參考。
1、 低成本技術(shù)的核心是使用小規模切換臺。
2、 高品質(zhì)小規模系統：系統規模小，在3訊道以?xún)?，?shí)景拍攝，單級ME。這樣的應用環(huán)境，小規模切換臺也有用武之地，信號調度也比較簡(jiǎn)單。
3、 不標準的演播室配備：使用ENG攝像機兼做演播室應用，甚至不需要系統同步。這種系統應用比較靈活，系統配置比較簡(jiǎn)單，信號質(zhì)量主要取決于攝像機的質(zhì)量。
4、 使用各種HDV攝像機，信號質(zhì)量主要取決于攝像機的質(zhì)量，對這樣的攝像機，信號質(zhì)量受環(huán)境的影響比較大。根據攝像機的不同，可以連接成標準的演播室，也可以簡(jiǎn)單連接，區別在于應用的復雜程度。
5、 使用各種多用途攝像機，這些攝像機即可以獨立使用，也可以與其它攝像機配合在系統中使用。
6、 在使用低成本攝像機的情況下，部分監視信號可下變換成標清用普通監視器監視。
7、 錄像機方面，如果應用需求允許，可以采用普通高清錄像機，高清非線(xiàn)性編輯，硬盤(pán)錄像機等。
低成本高清現場(chǎng)節目制作系統實(shí)例
低成本的系統在經(jīng)過(guò)特別的設計和精心的組合后，其低成本就是一個(gè)很大的優(yōu)勢，就可以帶動(dòng)一種應用的發(fā)展。datavideo是這個(gè)理念的實(shí)踐者。這個(gè)系統的核心是SE-1000切換臺。SE-1000具有5個(gè)HD-SDI視頻輸入通道和一個(gè)DVI（RGB）輸入通道，內部4∶2∶2取樣10 bit量化，是小規模高清切換臺的代表。SE-1000內裝2路幀同步器，系統既可以工作在外同步狀態(tài)，也可以工作在內同步狀態(tài)。具有內鍵和外鍵功能，可以對5個(gè)視頻輸入的任何1路進(jìn)行鍵操作。這樣的特點(diǎn)使這款切換臺非常適合小規模的演播室和現場(chǎng)節目制作。4∶2∶2取樣10 bit量化的視頻通道對輸入視頻幾乎是透明的，與各種檔次的演播室攝像機、錄像機配套都很適合。
SE-1000切換臺的獨到特色是內裝6路高清下變換器，可以將每路輸入的數字高清信號轉為模擬標清監看，這是高清現場(chǎng)節目制作系統集成的獨到思路和有效手段。具有HD-SDI信號輸入的監視器都是體積大，價(jià)格貴的高檔監視器，系統中要使用多臺監視器，它們對系統的體積和價(jià)格的貢獻最大。如果將高清轉為標清，系統就很簡(jiǎn)單了。使用標清監視器監視高清信號對節目制作的影響是有限的，對使用ENG攝像機和多功能攝像機的系統，攝像機的調整是由前端控制的，是參照攝像機本身的監視器來(lái)完成的，監視部分信號。后臺監視器只是作為切換節目的參考信號，所以使用標清監視是可取的。
datavideo專(zhuān)門(mén)為現場(chǎng)監視設計了16∶9的標清監視器和作為節目監看的高清監視器，可以看到，整個(gè)系統的體積小型化，甚至可以安裝在一個(gè)獨立的飛行箱內。
具有下變換以后的切換臺在連接系統和現場(chǎng)制作時(shí)更方便，更開(kāi)放，更靈活
點(diǎn)擊看大圖經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的系統設計和設備組合，系統的成本真正大幅度降低了。這個(gè)系統可以連接任何具有HD-SDI的攝像機、錄像機，包含了除攝像機、錄像機以外的各種系統設備，包括切換臺、高/標清監視器、通話(huà)和提示系統、電源系統、和所有內部連接。整個(gè)系統的價(jià)格大約在30萬(wàn)以?xún)?，這是大多數電視臺甚至業(yè)務(wù)用戶(hù)都可以承受的價(jià)格。而且它的使用非常方便，幾乎和標清的系統沒(méi)有多少差別，是真正意義的低成本高清現場(chǎng)節目制作系統。這個(gè)系統出現的更大意義是拋磚引玉，正向前面所論述，高清是一個(gè)很大的范疇，可以容納更多的內容，相信圍繞低成本高清這個(gè)思路，會(huì )有更多更巧的創(chuàng )新出現。
