浅谈高清演播室系统的方案设计

浅谈高清演播室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，湖北台开始着手进行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（FormatFusion）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：*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。*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。*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我们计划建立一个小型高清演播室，完成台内部分专题栏目的录制和直播工作，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。其信号流程如下。图1高清演播室视频系统方框图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，由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。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过下变换，转换为标清主路信号。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，矩阵的第一路输出即为标清备路信号。5.音频嵌入高清主路和备路信号经2×1自动倒换开关后嵌入数字音频信号，被分别送至总控机房和两台高清录像机；同样，标清主路和备路信号经2×1自动倒换开关后嵌入数字音频信号，被分别送至总控机房和两台标清录像机。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：*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。*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。*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。四关键设备的选型1.切换台切换台选用索尼MVS-8000（不含标清处理选件），支持1080/50i格式，采用2级M/E配置，每级M/E都有4个全功能键及14个独立划像发生器，其独立的M/E功能包括：4:3/16:9母线切换模式、交叉点指配、快拍、关键帧及各种特技。为了提供更大的灵活性，每级M/E中的每个按键处理器都可以进行色键和彩色矢量键控处理，消除了以往键型选择的局限性。有多达200个帧存（标清），具有一体化三维数字特技及外部数字特技控制能力，并具有较好的可靠性和扩展能力。2.摄像机摄像机决定选用索尼HDC-950高清演播室摄像机，它采用220万像素FITPowerHADCCD，可实现12比特A/D转换，支持1080/50i格式的节目制作,支持16:9/4:3转换，灵敏度达到F10，信噪比为54dB，水平分辨率为1000线，调制深度在水平方向为45%，拖尾电平达到-135dB。使用MemoryStick存储设置文件和场景文件，具有多区彩色矩阵功能、自适应高亮度控制功能、三通道肤色细节校正功能、拐点饱和度控制功能以及暗部饱和度控制功能。摄像机控制单元能够提供4组HD-SDI/SD-SDI信号及模拟分量、模拟复合信号的输出。3.录、放像机该系统中原有的录、放像机采用SonyDVW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SonyHDCAM系列产品。放像机选用HDW-M2100P，它内置上、下变换器，兼容多种Sony1/2英寸磁带重放，包括模拟Betacam/SP、DVW/SX/IMX，可输出HD-SDI和SD-SDI信号。录像机选用HDW-2000，它内置下变换器，具备HD-SDI和SD-SDI输出端口，具有优秀的编辑操作性能，可记录长达149分钟的1080/50i格式的高清节目。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（BlackBurst，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。同步系统选用2台泰克TG-700和一台ECO-422D组成自动倒换系统，能够输出BB和三电平同步信号。5.监视系统（1）监视器的选择为了控制监视系统的成本，除了主监、预监、技监采用索尼BVM-D系列高清监视器以外，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（如索尼的S-BUS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。五音频系统的设计高清演播室要求音频系统应具有5.1环绕声兼容立体声、单声道的监听及录制播出能力。但从目前情况来看，5.1声道环绕声编码播出为时尚早，我们认为在现阶段将高清电视节目的声音制作定位于立体声比较现实。高清演播室音频系统主要由数字调音台、音频延时器、音频嵌入器、数字音分、模拟音分等设备组成，其音频系统图如图2所示。图2高清演播室音频系统方框图1.信号通路演播室的音频系统采用数字与模拟信号通路混合使用的设计方案，即在音频信号主通路采用AES/EBU格式的数字信号，而在音频内部系统的连接中部分采用模拟信号。之所以无法实现真正意义上的全数字演播室音频系统，其原因如下：*一些外围设备没有数字接口，或数字接口格式与主系统不统一；*话筒输入及监听输出必须采用模拟信号通路。2.数字调音台数字调音台是音频系统的中央处理设备，我们选用的是美国太平洋公司的Integrity16路数字调音台。它包括2路话筒专用输入模块、4路话筒/线路输入模块、10路模拟/数字立体声输入模块、2个模拟立体声主输出模块和2个数字立体声主输出模块。该调音台采取了许多措施来保证直播的安全性：*它属于计算机外置型调音台，其内部包括DSP等数字系统的运算均与外部控制用计算机隔离开，即使人为造成计算机事故也不会对调音台内部数字系统造成任何损坏；*外置计算机在此只起到一个人机界面作用，即将设置信息调入、调出进行修改，其结果保存在调音台的电子柜中，因此，即使调音台的计算机系统停机也不会造成调音台死机；*即使所有数字零部件或者数字系统死机、损坏，该调音台可以完全以模拟状态工作而不影响播出；*调音台还可以在突然掉电时，经重新启动后保持掉电前的所有状态，只需轻轻一按便可继续播出。3.系统延时本系统中，纯高清制作不会出现声画不同步的问题。而在标清制作时，由于广播级的上、下变换器各有3帧的延时量，必须采用音频延时器来解决图像滞后的问题。标清放像机的视频信号和外来视频信号经过上变换后，会产生3帧延时，因此先要将它们的音频信号送入音频延时器处理后，再输入调音台。经过下变换后的标清节目信号也会产生3帧延时，因此将调音台输出的数字音频信号经音频延时器处理后，再送入标清音频嵌入器。4.监听系统在演播室中同时存在着一个与高清信号同步的音频信号和一个经延迟后与标清信号同步的音频信号，而在演播室内只能监听一个音频信号，否则会造成声音监听的混乱。由于主监、预监和技监的视频信号都没有经过延迟，为了方便节目制作，在演播室内监听的是不加延迟的、与高清信号同步的声音。另外，技术人员可以用耳机监听经过延时后的声音。5.立体声为了实现立体声播出，系统中的音频分配、嵌入、传输、扩声、监听等环节都采用立体声。六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，如图3所示，有以下三种模式：图3上变换模式图*Stretch：将画面横向拉伸，保留了全部画面内容，但画面产生变形；*Pillarbox：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；*Fullwidth：将画面进行纵向剪切，画