电视台高清播出系统解决方案.docx
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电视台高清播出系统解决方案
高清播出系统解决方案_Telehome
Author:
SimonWu
2012-5-16~2012-5-22
1、高标清数字电视基础
1.1高清
广电总局于2000年8月发布了《GY/T155-2000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。
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是清晰度指标指每一扫描行有1920个有效像素，而每一帧的有效扫描行数为1080行。
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，有利于从标清向高清过渡。
HDTV的基带码流。
根据SMPTE274M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。
标清信号的基带码率为270M，有效码率为165.888Mbps。
2009年9月28日CCTV1、北京卫视、上海东方卫视、江苏卫视、湖南卫视、广东卫视、深圳卫视、黑龙江卫视、浙江卫视正式启动高、标清同播，加上原有的4个已开播高清频道（CCTV高清综合、BTV纪实高清、上海文广新视觉高清、CHC高清电影），高清频道总数达到了13个
1.2标清
CCIR-601所规定的图像清晰度即是标准清晰度（标清）电视（SDTV）的参数，每一扫描行有720个有效像素，而每一帧的有效扫描行数对于525/60及625/50两种制式分别为480行及576行，这就是我们通常所知的N制和PAL制。
我们国家采用的是PAL制式。
1.3高标清差异
高清和标清差别主要表现宽高比、清晰度、色域及亮度方程、音频嵌入格式等。
1.3.1高标清格式对比
1.3.2高标清亮度方程（彩条为例）
1.3.3高标清音频嵌入格式不同
1.4高清素材格式
根据《广电总局关于电视台高标清同播节目制作、播出技术要求的若干意见》，高清节目采集制作推荐采用4:
2:
2采样方式。
采用基于DCT帧内压缩编码技术时，码率采用100Mbps或以上；采用MPEG-2长GOP编码技术或新一代压缩编码算法时，码率采用50Mbps或以上。
图形制作要坚持三个原则：
一是制作用于同播的高清节目时，在一个节目内或一条新闻内，画面幅型比应当保持统一；
二是制作用于同播的标清节目时，原则上不能上下遮幅，如果要制作上下遮幅的标清节目，图形字幕必须位于画面内；
三是高清节目制作采用标清素材，在幅型变换时，不应当产生图像变形。
高清音频格式有：
DTS、DolbyDigital、DolbyTrueHD、LPCM等。
高清视频格式主要有：
H.264、WMA-HD、MPEG2-TS、MPEG4和VC-1等。
其中，H.264格式目前最为流行。
目前的HDTV传输压缩标准DVC-S,DVB-C使用的是MPEG-2压缩编码。
H.264等编码压缩技术与MPEG-2相比，能节省一半多的带宽。
1.5高清相关标准
信号格式遵循SMPTE292M，音频嵌入格式遵循SMPTE299M。
高清电视接口标准参照《GY/T157-2000演播室高清晰度电视数字视频信号接口》
《GY/T162-2000高清晰度电视串行接口中作为附属数据信号的24比特数字音频格式》《GY/T161-2000数字电视附属数据空间内数字音频和辅助数据的传输规范》
1.6声音技术要求
1、高清节目应采用立体声格式进行制作、播出。
2、标清节目上变换在高清频道播出，应双声道输出。
3、逐步实现5.1环绕声制作、播出。
1.7字幕图标制作技术要求
1、采用16:
9构图的高清节目，字幕的字体字号应兼顾标清收视效果，或另行制作标清版本字幕。
2、采用4:
3保护框构图的高清节目，应将所有字幕、图标放在4:
3的保护框内。
3、在台内数字化、网络化成熟的条件下，推荐采用视音频与字幕分离制播方式。
2、播出系统概述
播出系统信号通路
2.1播出素材源途径
非编网上传素材
有线网/卫星录制素材
转播上级台信号
录像机、DVD碟片等
2.2播出系统要求
安全播出
丰富的播出功能
便捷的编排功能
播出稳定可靠
节目统计和管理功能齐全
优越的系统兼容性，比如素材兼容性等
2.3高标清同播播出技术要求
高标清同播有四种播出方式——高清节目源高清播出、高清节目源标清播出、标清节目源高清播出、标清节目源标清播出
节目源
高清播出
标清播出
高清节目源
16:
9构图
拍摄、制作
16:
9正常画面播出
上下加黑边下变换播出（信箱方式）
画面信息不丢失
4:
3保护框构图
拍摄、制作
左右切边下变换播出
画面充满屏幕
保护框内信息不丢失
标清节目源
4:
3构图
拍摄、制作
左右加黑边上变换播出画面信息不丢失
4:
3正常画面播出
上下加黑边
16:
9遮幅构图
拍摄、制作
上下切边上变换播出
画面充满屏幕
画面信息基本不丢失
2.4硬盘播出形式
播出形式有三种标清播出、纯高清播出，高标清同播。
在目前已经实现高标清同播的几家电视台中，有的台在建设高标清同播系统时，通过建设全高清播出系统达到高标清同播的目的。
更多的电视台，都采取了在原有标清系统的基础上，独立建设一套高清播出系统供高清频道播出的方案。
3、纯高清播出系统
从播出控制和节目管理的角度来看，纯高清播出系统和传统的标清播出系统基本上没有区别，在建设纯高清播出系统时，我们只需将视频服务器、切换器、台标字幕等设备更换为高清设备即可，在方案设计和项目实施上均较为简单，所有通路设备均为高清，播出的最终信号为高清，没有标清信号的输出。
纯高清系统设备包括
高清播出服务器
主备高清切换器
高清键控系统
高清倒换器
高清字幕和台标系统
整个系统和标清系统一样，周边设备也和标清基本一致
4、高标清同播系统
高标清同播系统——高清、标清同播，是指同一频道内容，同时采取高清和标清方式播出。
建设高标清同播系统要比建设一个纯高清播出系统复杂的多，使用的技术也更为先进。
实现高标清同播有以下三种方案
4.1高标清双链路独立播出方案
高标清双链路独立播出方案是指新建设一个高清系统，与标清系统相对独立，使用独立的高清视频服务器、播出矩阵、切换台、视分、帧同步、延时器、监看等设备。
在硬盘播出时，以标清为主，标清频道的播出沿用以前的老系统。
在信号末端可以通过上下变换互为主备。
高清系统的同步播出标清素材时，在上载入库时上变换，或者在播出末端上变换，或者在视频服务器进行上变换。
方案将系统分为标清系统和高清系统，对硬盘素材分别上载和播出，外来信号在播出系统前端进行处理，分别进入高清系统和标清系统，两个系统通过同一节目单进行同播实现。
在这种方式下，由于技术开发主要围绕控制系统展开，基本上不涉及复杂的核心技术，实现起来相对简单；但是这种方案的建设成本很高，相当于同时建设两个播出频道，所以很少有电视台选择这种方式。
高标清双链路独立播出
4.1.1优点：
（1）系统实施简单，无须高清节目源的积累即可简单实现。
（2）新建高清系统与标清系统完全独立，能够最大限度的保证原有标清系统的安全性。
（3）上下变换环节少，信号输出的质量较好。
（4）信号末端高清系统与标清系统输出的互为主备，有效的提高了系统安全性。
4.1.2缺点：
（1）无法共享标清网络和存储设备，造成资源的浪费。
（2）高清系统、标清系统许多素材需要重复上载，工作效率较低。
（3）对于高清系统的过渡性支持不够平滑。
随着高清频道的增多，独立的高清标清系统结构在系统扩展性上较差。
4.1.3适用范围：
高清系统的建设初期。
高清素材较少，以标清播出为主。
高清频道作为新建设频道，处于高清设备安全性评估和测试期的电视台。
4.2高标清双链路共享播出方案
该播出方案下高清系统和标清系统依然保持两条独立信号链路，但是高、标清系统具有信号和网络的共享链路。
高清系统、标清系统双链路相对独立的前提下，增加高清系统与标清系统之间的网络和信号调度的接口。
高清系统和标清系统之间可以进行素材迁移，高清频道和标清频道素材可以访问共享的盘塔。
高清总控矩阵和标清总控矩阵具有互连的接口，可以进行高清标清视频信号间的调度。
高标清双链路共享播出
4.2.1优点：
（1）系统相对独立，可以保证原有标清信号的播出安全。
（2）高清系统和标清系统具有共享存储，可以提高工作效率。
素材可以通过网络迁移灵活进入高清标清系统。
（3）高清系统和标清系统信号可以互相调度，提高了系统在备份和直播的灵活性。
（4）对于高清电视过渡的支持性较好，高清系统的设备可以平缓的增加。
4.2.2缺点：
（1）系统相对比较复杂，高标清系统的互连互访带来的播出风险加大。
（2）高清系统与标清系统都具有独立的存储，矩阵等设备，造成资源浪费。
（3）对于总控调度人员，设备维护人员的能力要求更高。
（4）节目制作、磁带交接、素材迁移制度需要更加规范严谨。
4.2.3使用范围：
高清系统的推广建设中期，高清素材逐渐增多，高清标清频道之间的互连需求增多。
高清链路设备、上下变换设备测试评估较为稳定，高标清系统在素材交互的环节上安全性较高的电视台。
采用源分离方式适用于系统定位是立足标清、面向高清，高清/标清系统独立建设、并行播出，系统拓扑图如下图所示。
采用该方式的电视台包括江苏台、北京台、浙江台、广东台、黑龙江等电视台。
“高标清双链路独立播出方案”和“高标清双链路共享播出方案”本质上没有什么区别，可以统一为源分离方案。
结构图如下
对于源分离方案，由于高清系统相对独立于标清系统，即高清和标清节目源是分离的，如何确保高标清系统播出节目同步，包括正常播出，Take、Hold等应急处理情况，是采用该方式的设计关键。
高清播出系统与标清播出通过保证3个层面方面的同步，确保高标清播出系统节目播出的准确同步。
第一层：
节目单同步。
即高清系统和标清系统可以通过一次编单和节目单自动同步机制，实现播出节目单层面的高度共享和一致。
第二层：
素材同步。
即待播节目文件通过特定的控制系统，以节目单为驱动，基于节目代码或者节目唯一标识，实现高清、标清播出系统待播节目文件的自动整备。
第三层：
控制信息同步。
这也是同步播出系统中最为关键的一点，源系统和克隆系统通过网络心跳及专门接口，实现控制信息的同步，包括Take、Hold等应急操作，真正实现高标清同播系统“一键式”应急。
4.3高清主干兼容标清播出方案
系统链路只保留一条高清链路，向下兼容标清，播出系统内的视频流，素材流均为标准统一的高清信号。
不同格式的视频流进入系统需要在系统前端进行变化调整为系统标准高清格式。
在系统的播出末端根据标清的输出需求，兼顾标清信号，对高清信号进行下变换后输出。
这种方式适应于系统定位为面向高清系统建设，标清部分是通过输出端下变换方式得到。
系统拓扑图如下图所示。
高清主干兼容标清播出
这是实现高标清同播最简单的方法。
在高清频道的最终输出上增加一个下变换器，从而实现高清节目与标清节目的同步播出。
这种方案结构简单、成本低，是实现高标清同播的理想方案。
4.3.1优点：
（1）同播率可以达到100%。
（2）系统架构简单，信号链路清晰。
（3）更加适合于高清电视技术，全台网建设的推广
（4）系统工作流程简单，工作效率较高
4.3.2缺点：
（1）标清系统直接到高清系统的过渡，具有较大的切割风险。
（2）信号上下变换环节增多，对信号输出质量会有影响。
（3）对于视频流、文件流的格式转换设备的稳定性安全性要求很高，转码带来的播出安全问题有可能增多，转码可能会对图像质量带来一定程度影响。
4.3.3适用范围：
高清系统的推广后期。
适用于高清素材、高清制作设备丰富，资金比较充裕的电视台。
现在采用该同播系统架构的单位包括央视新址和湖南卫视播出系统。
4.4高标清同播硬件设备构成
信号源系统：
视频服务器、视频收录设备
切换分配调度系统：
智能检测切换器、切换矩阵、分配器、切换器
控制同步系统：
帧同步机
字幕台标系统：
台标机、字幕机、键混
音频处理系统：
响度控制器、音频加嵌器，音频解嵌器
视频监看系统：
多画面分割器、固态延时器
上下变换系统：
上变换，下变换、交叉变换
4.5高标清同播系统各子系统设计
综合上述几种播出方案，实现同步播出比较关键的技术环节是上下变换、字幕处理、音频处理、同步控制。
上下变换的设计，录制节目根据节目类型来确定上下变换策略，外来信号根据信号内容的重要程度来选择相应上下变换策略。
在高标清同播的过渡性时期，如果不能提供独立的高标清信号，在图文字幕制作时，是无法兼顾标清图像和高清图像的。
最好的办法是推广字幕分离的系统方案。
采用视音频分离制播方式。
4.5.0高清节目主要技术参数要求
参考EBU（欧广联）R124建议书，结合我国高清摄录设备的实际使用情况，建议如下：
主流高清节目（指的是大多数高清节目，例如综艺、专题栏目等）的采集和制作推荐采用4:
2:
2取样，在制作流程中不应进行水平和垂直方向上的亚取样处理；主流高清节目至少采用8比特量化，更高质量的节目（指的是影视剧、广告等）采用10比特量化；主流高清节目采用帧内编码时记录、制作码率推荐采用100Mbps或以上，采用帧间（长GOP结构）编码时码率不应低于50Mbps；常规高清节目（指的是要求不高的新闻节目）采用比MPEG2编码效率更高的帧内4:
2:
0取样算法时码率推荐采用50Mbps或以上，采用帧间（长GOP结构）编码4:
2:
0取样时码率不应低于35Mbps。
4.5.1、字幕系统的设计
系统配置一般有两种方式：
一种为分别配置高清和标清字幕机，在高清净信号下变换后叠加标清字幕。
第二种为只配置高清字幕机，在高清信号叠加字幕后下变换到标清，字幕叠加在4:
3安全框内，避免切边模式下变换后部分字幕丢失。
第一种方式分别在高清和标清信号下独立叠加字幕，字幕内容可以不一样，更好的适应画面的需要，但是操作复杂，需要二次操作。
第二种方式操作简单，只需要操作高清字幕机，但在制作时要充分考虑兼容高清和标清画幅。
4.5.2、台标系统的设计
由于高清和标清台标的位置不同，所以系统要分别配置高清台标和标清台标机，分别在高清路由和标清路由分别叠加。
4.5.3、转播其他台信号的设计
以转播CCTV新闻为例，高清信号可以直接播出CCTV高清信号，但由于在下变换时CCTV高清信号的台标位置不合适，所以在转播CCTV标清信号时要配置标清切换器，保证标清路由CCTV的播出。
4.5.4监看系统的设计
一般来说，在系统中图像监控是分为两部分的：
一部分是信号源监视；另一部分是节目监控。
节目监控是指切换台输出PGM和PST以及系统输出的技术监视
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。
对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，则可采用采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。
此时下换器应设置为信箱模式（Letterboxmodel），以便在4:
3的屏幕内能显示16:
9画面的全部内。
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。
目前主要都是画面分割器+大屏幕方式，画面分割器要求高清标清自适应，要求支持AFD/WSS自动比率变化控制。
在信号为高清时16：
9显示，信号为标清时4:
3。
4.5.5总控系统设计
总控矩阵直接采用多码流矩阵，总控的设计按照全高清方式设计，为整个频道最终升级到高清打下基础。
在串行数字分量系统中，用矩阵切换HD-SDI信号时，由于切换时的信号瞬时中断会造成CRCC（循环沉余校验码）误差，从而影响输出信号的定时。
这种误差会造成输出信号的紊乱和噪波。
即使进入矩阵的信号在时间上完全一致的且切换点位于场消隐期间，仍然不能消除这种现象，这与模拟系统的情况完全不同。
为避免直播时信号出现上述问题，如果需要将矩阵或者应急切换的输出用于直播时应在其后面串联一个行或者帧同步器用于消除CRCC误差，为消除这种由切换引起的图像抖动，有些公司专门生产了带有同步器的切换开关，可直接将其输出信号用于应急播出。
4.5.6上下变换系统设计
高清下变换、标清上变换，都存在对画面的裁剪或加边和画面的缩放。
这会造成原始画面信息的缺失或无用画面的填充，影响画面效果；上下变换不是一个可逆的过程，标清上变换的节目或者是使用了标清上变换的素材，经过变换，图像质量下降。
采用不合适的上下变换模式会严重影响观众收看的画面效果，变换不当甚至可能造成播出事故。
上下变换的技术环节如下：
上下变换的算法直接决定了需要经过上下变换环节的节目的输出质量好坏。
上下变换的算法主要由两部分构成，插值/抽点运算和幅形变换。
上变换的画面模糊化处理与下变换的丢点处理会使画面质量降低，并且是不可逆的过程。
因此上下变换的次数越多，画面质量的损失越大。
在播出系统设计时，应该尽可能的减少信号上下变换次数。
经过主观测试，信号的一次上变换和一次下变换带来的画面质量降低已经较明显。
两次及两次以上的上下变换的画面质量降低会十分严重，不能达到电视广播的主观要求。
在电视信号的采集到播出和传送流程中，应该尽量将上下变换环节简化，尽量减少上下变换次数（为减少质量下降，上下变换次数不应超过两次）。
高清信号的画面比例为1920:
1080=16:
9，标清信号的画面比例虽然为4:
3，但是实际比例为720:
576=4:
3.2。
画面比例不一致的上下变换时，无法维持原图像的画面比例。
对于不同的画面比例，可以采取下面的处理方式来进行上下变换。
Fullwidth（上变换）：
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；
Pillarbox（上变换）：
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；
Stretch（上变换）：
将画面横向拉伸，保留了全部画面内容，但画面产生变形
Letterbox（下变换）：
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；
Edgecrop（下变换）：
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；
Squeeze（下变换）：
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。
标清上变换再下变换的模式
高清下变换后再上变换模式
幅型变换存在多种组合可能，如果不能够自动匹配，将加大运行复杂程度，甚至造成播出事故。
因此，统一采用AFD（ActiveFormatDescription）标识能够降低运行成本，提高幅型变换的自动化程度。
SMPTE提供了幅型变换的标准，采用AFD对于文件和信号的画面幅型比进行统一标示。
AFD作为上游系统嵌入，用于指导下游系统进行幅型变换的依据，既可以应用于基带信号、介质，也可以应用于文件。
照顾大多数标清观众的欣赏习惯，新闻、综艺、专题等高清制作的节目下变换时基本采用两侧切边模式，保证标清电视机画面满幅。
电视剧、纪录片、专题片等节目下变换时则采用上下加黑边的信箱模式，比较符合观众的收视习惯。
上变换统一采用两侧加边的模式进行。
对高标清同播制播流程的优化，规划设计科学高效的下变换流程，减少上下变换次数，以及不同编码格式之间的转码次数。
4.5.7、AFD信息在系统中应用
无论采用哪种方案，我们都必须要解决高清和标清节目之间的幅型变换问题。
高清信号的宽高比是16:
9，而标清信号的宽高比是4:
3，那么在两种信号的上下变换过程中，就会出现宽高比的处理问题。
为解决宽高比问题，我们需要利用AFD（ActiveFormatDescription）标准对文件和信号的画面幅型比进行统一标示，即每一个节目素材文件都有一个上（下）变换标识，以告知下（上）变换器如何进行下（上）变换。
AFD信息的添加和传递有两种方式，一种是将文件的AFD信息作为一个独立的元数据文件，与视频文件一同迁移、保存，另一种则是直接将AFD信息嵌入到视频文件中。
相比较而言，采用独立的元数据文件的方式技术难度低、容易实现，但由于这种方式还没有国际标准，所以只能在特定的视频服务器中使用；而如果采用将AFD信息直接嵌入到视频文件中的方法，嵌入AFD信息的方式已有统一的国际标准，支持目前市场上主流的视频服务器，具有良好的兼容性。
在视频文件中嵌入AFD信息、让下变换器自动进行幅型变换是众多高标清同播方案中结构最简单、使用设备最少、成本最低的一种方案。
在AFD技术实现自动幅型变换这一典型应用模式下，上下变换设备通过识别嵌入SD/HDSDI信号辅助数据中的AFD信息，不同节目间可实现帧精度的幅型变换，同时，该方式对于播出控制来说相对透明，无需增加额外控制逻辑。
在高清视频信号加入AFD信息后，在下变换为标清时信号可以自动变换下变换的处理方式。
服务器播出部分AFD信息的加入，基带上载，可以通过矩阵调度，通过AFD数据嵌入器实现AFD信息的加入。
视频文件迁移在制作环节由编辑工作站加入AFD信息。
直播节目部分AFD信息可以通过矩阵调度，通过播出频道的具备AFD功能的帧同步等进行叠加进行加入。
对于没有AFD信息的节目，下变换可以通过预先设置的变换方式进行。
一般情况新闻综合频道下变换默认为左右切边方式，而综艺频道则默认为上下加边方式。
4.5.8音频处理系统
高清信号下变换时，如果带有高清嵌入音频信号，需要对其进行重新打包和嵌入。
标清信号上变换时，如果带有标清嵌入音频信号，需要对其进行重新打包和嵌入。
高清嵌入音频和标清嵌入音频的解嵌方式是不一样的，高清嵌入音频和标清嵌入音频解嵌后的AES数据流格式是一样的。
在传输音频时，对两种音频格式，立体声和Dolby-D编码音频进行分开传输，分配不同的PID。
高清电视对于音频部分提出环绕5.1声道音频的播出需求。
环绕5.1声道，采用左（L），中（C），右（R），左后（LS），右后（RS）5个方向的独立声道输出声音，此外还有一个超重低音声道，由于其频率范围只有标准声道的1/10，因此称作0.1声道。
在高标清同播过渡期内，高清伴音应采用立体声格式进行制作、播出，后续5.1环绕立体声制作、播出比例将加大。
在高标清同播的前期阶段，由于环绕声节目制作成本相对较高，环绕声节目源较少，因此高清频道节目可以采用立体声制作、播出。
对于制作的5.1或立体声高清节目，在下变换时需要下缩混成单声道音频，用于在标清频道播出。
为保证下混至立体声或单声道的使用需求，各声道间应保持正确的相位关系。
对于单声道的标清节目，在上变换时需要将1声道PGM信号复制到2声道，制作成双声道高清节目。
在现有的技术条件下进行视频的格式转换，一个广播级的上/下变换器具有三帧的延迟量因此系统中最大延迟量为六帧。
如何解决这一问题？
4.5.9高标清多频道硬盘播出系统的同步策略
在电视制作和电视广播系
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