【科技资讯】高清节目制播的挑战与应对
作者：纬视科技 点击次数：2010 发布时间：2014-07-18
高清节目制播的挑战与应对
一、局面和挑战
从国外发展情况看，美国市场90%的电视台开始制作高清节目，55%的播出节目是高清节目；日本在2006年全面开始高清播出，主要应用于新闻和体育转播等。从国内发展来看，中国的高清节目制作量每年几乎都要翻番，大量的节目制作公司都瞄准未来高清市场，直接采用高清设备进行节目摄制，而全国各大型电视台也从试用高清设备，过渡到开设高清频道，部分节目直接采用高清格式录制以储备片源的阶段。CCTV更是高举高清的大旗，在CCTV新台址项目的节目制播系统中采用全面高清化运作，为2008年北京奥运会提供转播工作。
从显示设备的角度看，目前16∶9尺寸的液晶或者等离子平板电视已经成为主流，老式的CRT电视也将被逐渐淘汰。万元以下的全尺寸高清电视越来越多的走进我们的视野，进入寻常家庭。
从电视制播技术上看，网络化、高清化、数字化一直是电视技术革命的主流。早在几年前，国外厂商已经推出了网络化高清制作播出的设备及解决方案，近来国内厂商也在紧跟潮流，提供全面的网络制播一体的解决方案，这些完善的解决办法经过实际运行的案例的检验，目前已经趋于成熟。
这一切的发展似乎在告诉我们高清时代的来临，全面转向高清制作已是不可回避的发展方向。面向高清节目的生产的，同时也带来许多问题和挑战：
● 国内电视接收终端宽高比虽然在从4∶3向16∶9过渡，但从比例上看，标清4∶3的电视终端还是占绝大多数，所以一段时间内高清频道必然需要支持高标清同播；
● 高清制作设备采购成本、制作的时间成本较之标清明显增加，而电视台的收益没有大幅提高，高清节目销售虽然可以提供一定的广告收入，但电视台的主要收入——广告销售不会有大幅提高。因此进行切实有效的低成本制作是高清推广的关键问题之一；
● 大量播后节目、历史资料以及收录画面都是标清素材，除非制作节目的所有画面内容完全自采，否则肯定会出现高标清混合制播的问题；
● 网络化高清格式为了达到更好的画面以及更低码率的目的，往往采用更高的压缩比，更复杂的压缩算法。高压缩比的高清格式在多代复制以及多次打包后，其质量能否接受是一个值得关注的问题？
● 高清制作对网络码率和存储容量的要求更高，在标清环境下非常成熟的网络体系架构、技术以及设备是否还能适用？
● 采用更先进的压缩算法、更高的码率后，非线性编辑的性能和稳定性是否会降低，是否还能达到原来标清的应用感受？
● 高清环境下，我们的制作、播出、存储归档、浏览的码率以及格式应该如何选择？
二、“高清制播”的策略
现在高清还处于发展中的一个初级阶段，而在这个初级阶段，在技术质量上确实会有一些提高，但高清节目并不意味着比标清在内容质量上产生巨大的变化，预计将会有一个新的高清电视制播方式和我们现有标清电视长期共存的不短时期。我们认为在这个高清发展的初级阶段，可以把高清的门槛降低，让这个过渡时间拉长，使得广大电视台都能够充分准备，适应高标清混合制作的状态，直到实现高清制播的完全实现。
标清向高清转型的战略应该至少从两个点考虑：
1. 在内容体系我们以哪一种方式进行转播。现在国外这个问题考虑实际上是比较清楚的。
（1）NHK是在1999年开始做高清频道规划的，到2000年基本上大规模实施，2001年短短一年时间里，整个台里开始进行从标清转到高清，强行推进整个节目制播系统的转换，包括新闻系统和综合制作系统。
（2）欧洲广播电视业者观点是首先多做一些高清的节目，然后通过多种方式让大家去享用。而现在实际上各大电视台的节目部门现在还未完全明确有没有必要开播高清频道，同样也有认为高清节目的制作也不是非常迫切的，在内容制作的策略上也未确定哪些内容可以做高清。我们需要面对的是应该采用怎样的一个方式，既符合未来的流程，又符合现在高清频道的开展，因为每个电视台的环境都不一样，未必一开始立即开播高清频道，如何做到渐进式的导入是关键。
2. 在技术上我们应该如何对应高清。待其他条件都已经具备，就要关注哪些节目首先高清制作，哪些节目适应我们的高标清混合制作流程，再则在高清节目制作环境下声音制作，我们现阶段都是单声道节目制作、面对立体声、5.1声道制作等等这些问题我们需要在制定高清的技术转型策略时要同样考虑与关注。
技术支撑体系如何适配高清节目制播
高标清制播将是长期并存和渐进发展的过程，希望通过政策制度保证这一循序渐进的过程，降低过渡的门槛。 一个高清频道，在高标清混合制播的环境中，在采、编、播、存各环节需要考虑如下的技术问题：
采：截至目前能够支持高清并采用新存储介质的ENG有三家公司的产品，索尼、松下和汤姆逊的，作为广大电视台技术工作者现在迫切需要做的工作就是，需要评估哪些机器适合哪些类型的节目制作，它的总体运行成本是什么，它的使用方式是不是能够满足过去传统的要求，以最大效率，最小的工作变化模式来适应节目制作的需要。
编：目前节目制作现在还处在过渡时期。电视台节目制作工艺流程已经从传统的磁带线性制作，过渡到磁带线性制作和网络非线性制作的混合时代，非编生产制作的能力是否能够满足现在的节目生产制作需求，按照现在对标清节目制作的能力来说，面向新闻节目，非编平台要能够同时处理4层。面向专题节目的复杂制作，我们要求至少同时处理8层。这是在现阶段网络制播体系下对非编制作能力的一个定义。但是高清非编平台的制作能力上，在2007的时候大概能同时处理2到3层，2008年又有了最新的进展，基于不同的算法，能够同时处理2到4层，应用现在最新的八核CPU的平台可以处理4层，但是在应用部署中一般会采用回退上一代的计算机平台。其中，AVC-Intro能够处理2层，JPEG2000才能够达到1到1.5层，这样的制播能力根本还不能支撑满负荷的高清节目制作的需求。
播：在高标清混合制播的环境下，采用什么样的方式来播出，高清节目画幅格式是16：9，标清是4：3，混合播出怎么解决？特别在现在的高清制播初始阶段，4：3的标清素材如何在高清频道里播出？高清和标清混合采访制作的素材最后如何变成标清？哪些类型的节目面行4：3制作，哪些节目面向16：9制作？这些问题都既涉及到策略又涉及到具体的技术实践，高标清混合制播的高、标清过程处理流程非常复杂，在播出环节需要考虑的技术策略太多。
存：高清节目的保存应该采用多少码率，考虑这个问题的时候，需要以面向质量为需要的原则。现阶段基本上都把高清节目文件格式的码率定在50Mbps到150Mbps之间，当然还有HD5、HDSR格式和更高的码率。对于问题我们应该提前考虑好了再去实施，统筹规划而不是做起来再考虑，形成一系列的完备体系。这样才能充分保户我们的投资。
三、“高清制播”的关键技术问题
高标清上下变换的过程
谈到高标清的混合编辑及同播问题，就不能不谈高标清的上下变换问题。高标清变换，实际就是对视频信号或者文件的时空采样的结构变换。即在时间上和空间上，实现分辨率的变换及其组合。采样结构的变换主要是通过空间域上的插值和抽取滤波器来实现速率和像素的变换。下变换，即高清变换为标清，可由高分辨信号通过抽取滤波变换为低分辨率信号；上变换，即标清变换为高清，可在保持原视频信号频谱不变的前提下，提高采样频率，并对原有信号进行内插值变换。
►信号流程
上下变换的图像质量由两个因素决定：去交织（去隔行）算法和重采样算法，最后的质量依赖于所选用的算法类型和精度。上变换质量方面我们应该更关注噪声和边沿的处理，下变换方面应更关注频谱和细节。
应用于上变换的去交织算法类型很多，主要有线性滤波和非线性滤波方式，线性滤波比较简单，占用资源少，但是效果差一些；非线性滤波复杂，算法精度高，占用的存储和计算资源较多，但效果很好。
图像重采样算法的精度直接影响最终变换质量。目前下变换主要有两种方式：空域变换与频域变换。
空域变换：主要是通过像素点普通线性或非线性插值来进行重采样，优点是方法简单，速度快，缺点是质量不高。由于采样精度的误差（像素点的缺失，以及采样像素的随机性），造成图像模糊或有烟雾笼罩的感觉。同时对于高亮度细节变换较快的素材，容易产生闪烁现象。归纳起来也就是目标图像细节不够，同时抗闪烁程度不高。
频域变换：主要是通过对原始图像进行频谱分析，对影响目标图像的频率进行相应的调整与修改，从而达到细节保留与增强，同时也抗闪烁的效果。这个方法优点是标清图像质量稳定，效果好，缺点是速度较慢，但随着计算机性能的提高，以及多核时代的到来，速度问题将不再是瓶颈。目前高清非编系统均采用基于频域下变换，在INTEL的八核心CPU平台上已经实现超实时下变换。
上下变换的模式
上变换，即标清格式变换为高清格式有以下三种模式：
►上变换模式
Full 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；
Pillar 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；
Stretch：将画面横向拉伸，保留了全部画面内容，但画面产生变形。
下变换，即高清格式变换为标清格式有以下三种模式，如图3。
►下变换模式
Letter 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；
Edge 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；
Squeeze：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。
在标清向高清过渡初期，高清节目在高清频道和标清频道同播的情况大量存在，而节目编辑过程也会混合使用高标清素材，这就存在着连续上下变换的问题。
标清上变换后再下变换模式：高清节目的制作过程中，使用了媒资系统中的历史资料，这些资料为标清格式素材，制作的成品节目以高清格式输出，在总控高清播出的同时，可能会在标清频道同播或者将高清节目带下变换后送标清频道播出。标清素材被高清节目引用后，连续变换的各种情况。从图中可以看出，如果上下变换方案选择的不恰当，会出现标清素材经过上变换和下变换后，产生画面内容损失或严重变形的结果。因此，选择合适的上下变换策略对于保证节目播出效果是至关重要的。
►标清素材被高清节目引用
高清下变换后再上变换模式，实际是指高清素材被标清节目引用，然后又到高清频道同播或者将成品节目上变换后送高清频道播出，当然这种情况我们往往力图避免。高清素材被标清节目引用后，连续变换的各种可能情况。
►高清素材被标清节目
建立高标清兼容的“低成本制作”系统，兼顾复杂节目生产需要
采用高清系统之后，系统整体成本确实提高了，但高清技术的运用对电视台的整体收益没有明显的提高，广电“高清化”大势所趋不可逆转，因此在高清阶段，如何建立高标清兼容的“低成本制作”系统，如何实现“高清化运作，标清化成本”这个目标，是广大电视工作者需要首先考虑的问题。
系统成本可以分成两个部分：设备采购成本和使用成本。制播系统“网络化”之后，存储以及网络设备占用系统采购成本的很大比例，但从这几年网络和存储设备的发展情况看，这部分成本实际上反而降低了。
从1998年国内网络系统开始快速发展以来，硬盘容量增加了100倍，那时候的高容量硬盘是9GB，而现在是1TB，而每块硬盘的价格反而是下降了。而存储网也从1GbFC发展到8Gb，以太网方面，千兆网成为目前计算机终端的标准配置。而网络和存储设备的使用成本，应该说与标清时代持平，无论是从其更新周期还是从运营维护的角度看都是这样。
从标清过渡到高清，整体成本的提高主要还是体现在各类高中低端的非线性设备采购成本上。从非编系统的成本构成上也可以看出，用于采购进口高清处理板卡的费用占据了全部成本的很大一部份，同时高清板卡与标清编辑板卡的采购成本有着巨大的差距，高清编辑工作站仍然价格不菲。而目前国产高清板卡还未正式推出，经过实际检验，这使非编的整机成本仍难以控制，以致网络非编产品的价格居高不下。
因此建设一个高标清兼容的制作系统，全部以采用进口高清板卡的编辑系统进行设备换代，其成本之高是可以想见的。面临这样的问题与挑战我们可以采用解决思路有如下几种：
1. 等待国产高清板卡的推出，当然随着国产高清板卡的推出，进口板卡的价格也会应声下落，那时高清非线性设备的价格也许就可以接受了；
2. 通过解决方案的配置降低整体价格，由于多核CPU和高端GPU的性能不断提升，处理高清码率的能力也不断加强，而且越来越多的前期设备使用如USB、1394等标准接口，可以使计算机直接使用介质的NATIVE文件，对具有HD-SDI输出接口的终端数量要求相对降低了，所以我们可以在某个系统中，配置大量具有高标清编辑能力、但无需板卡支持的高性能高清非编工作站，少量配置采用进口板卡，具有HD-SDI输出能力的工作站，通过网络系统的共享能力进行协同编辑和处理。
同时我们应该关注系统的高标清兼容性问题。系统整体的兼容性主要体现在非线性编辑系统的兼容能力以及解决方案中转码系统的能力上。需要关注以下几个要点：
● 非线性编辑系统对编码格式、文件格式、制式等方面的兼容能力
● 非线性编辑系统在做高标清变换时的实时性能以及质量情况
● 输出以及预览时对各种变换模式支持情况
● 转码系统效率以及工作模式
根据实际情况制定“上下变换策略”
在“高清时代”，高标清上下变换不仅仅是一个简单的技术问题，而实际上涉及到电视台的制播流程、字幕分离播出、制作效率、设备成本和运营成本等问题。在确定台内的“上下变换”策略之前，我们应该事先制定上下变换的原则：
原则1：原始的发送信号不能变形，就是上变换中拉伸变形（stretch）以及下变换中的挤压变形（squeeze）在最终发送时不能使用。变形功能在电视受众的终端往往都提供；
原则2：尽可能撑满屏幕，减少电视消费者的疑虑和不满，电视画面不满，黑条占得面积过大，电视节目消费者会认为被侵害了权益；
原则3：考虑电视观众的观看习惯问题。如播放16∶9的宽银幕电影采用LETTER BOX模式，虽上下有黑条但观众基本已经接受，黑条部分也是原版电影字幕的最佳位置，拥有平板电视的观众可以通过电视的16∶9或者14∶9变形的功能得到更好的收看效果；
原则4：不能因为画面的变化影响内容的传达，这一点与第一点相似。如上变换采用上下切边模式（Full Width），画面主体出现砍头砍脚的问题就会极大的影响画面内容的表达；
原则5：经济性原则。设备成本、运行成本、时间成本及人力资源投入的成本不能因为高标清混合制播和上下变换而有过大的提高；
原则6：流程简化原则。制定的策略不能因为增加了高标清变换环节而使得流程过于复杂，并完全改变原有的制作过程和习惯。
不同的变换策略对技术的要求不同，由此产生的成本也有很大差异。电视台应根据自己的理解和实际情况来制定各自变换的策略，以达到最理想的效果。下面就新闻节目的高标清混合制播举两个例子说明：
新闻节目的高标清混合制播的可采取策略。
新闻节目变换策略：
● 新闻拍摄可以采用高清设备，为了支持标清满画幅输出，新闻构图可以直接利用拍摄设备提供的4∶3安全框，将画面主体置于安全框内；
● 新闻制作过程中，高清直接利用，标清采用Pillar Box模式（两边加黑边）上变化，编辑回放时可以切换16∶9或者4∶3模式预览高清和标清播出效果，字幕编辑在编辑系统提供的4∶3安全框范围内实现；
● 在“高清前期”，考虑到消费主体是以4∶3为主电视终端，参考上文的原则2，即消费主体满屏画面原则。高清频道播出时整体不变化，使用16∶9高清电视观看时被引用的标清画面出现黑边。标清频道同播时采用Edge Crop模式，标清画面满屏且原始像素没有损失。
综合制作节目的高标清混合制播的可采取策略。
综合节目变换策略：
● 节目录制采集完全使用高清设备进行拍摄，16∶9的构图方式；
● 后期编辑过程中，同样的高清素材如果直接利用，标清素材采用Full Width (上下切边)模式，字幕编辑在16∶9的画幅完成；
● 高清节目在高清频道播出时不变换，高清电视收视效果为满画幅。标清频道同播时，参考上文的原则3，即考虑目前观众对电影、电视、纪录片等等的收视习惯，采用LETTER BOX模式进行变换。这其中对于高清节目中引用的标清历史资料的上下两边就被切掉了。
面对高清技术的飞速发展，高清制播环境的日益临近，广播电视生产技术也在日新月异的发展，我们只有紧跟时代脉搏，追踪技术进步才能在复杂挑战前，做到从容面对。
