利用AFD进行播出级的自动幅型比控制(zhuanzai)

利用AFD进行播出级的自动幅型比控制(zhuanzai)  

2012-03-21 17:58:23|  分类： TV&&STB |字号 订阅

一． 引言
    2008年5月，备受关注的中央电视台高清综合频道正式开播，标志着中国高清数字电视时代的全面来临。2008年8月，北京奥运会向全世界全程提供高清电视转播信号，创造了奥运电视转播的历史，也推动了中国高清数字电视迅速前进。由此可见，我国高清数字电视发展的软硬件、用户需求和政策环境等条件已基本具备，中国广播电视产业即将步入了高清晰度数字电视的快速发展期。
    作为中国电视产业发展的主力军，中央电视台一直走在行业的最前端。除了已经开播的高清频道外，中央电视台拟在新台址工程建设中全面启用高清的制作和播出系统，采编播各个工艺环节形成完整的高清节目生产链路。
    从标清播出到高清播出不是一蹴而就的，为了实现之间平滑过渡，完成高标清成品节目的兼容播出，不同的幅型比转换必不可少。如何进行不同幅型比节目内容的有效转换和自动处理，已经成为中央电视台面临的重要课题和严峻挑战。

二． 幅型比转换
    幅型比是电视画面宽度和高度的比值，高清晰度电视要求电视屏幕幅型比为16:9，这是高清数字电视的一个重要指标。与标清电视4:3的幅型比相比，16:9的宽屏效果更符合人眼的视角特性，能够让观众获得更加真实的临场感，给观众带来更好的视觉享受。
    中国的电视产业经过几十年的发展，有大批4:3格式的电视系统和设备正在运行，而且在不久的将来仍将使用；现已归档的海量的4:3标清节目素材仍会在高清频道中作为资料被引用；而新采集、制作的16:9高清节目素材也会应用到标清频道中。这些因素均将导致在节目制作、播出和交换的各个环节中两种幅型比混合存在，而且这个阶段会持续相当长的时间。
16:9和4:3两种幅型比转换有边条、裁剪和变形等多种方式。在电视台中的节目播出端，我们认为选择各种变换方式的前提是不能造成图像的失真变形，并尽量减小幅型比转换对图像的损失；另外应尽可能充分的利用整个画面，确保为观众提供更完整的画面，保留最重要的信息。因此，结合实际需求，电视台通常会选择如下几种常用的转换方式：

    ·现有4:3格式标清节目素材用于16:9格式高清节目播出（即标清节目上变换）时，宽荧幕电影或电视剧标清素材转换成高清素材采用“裁剪方式”，其它标清素材转换成高清素材采用“边条方式”。
    ·新制作的16:9格式高清节目用于传统的4:3格式标清节目播出（即高清节目下变换）时，采用以下不同的方式进行处理。新闻类高清节目下变换采用“裁剪方式”，需在制作时，通过在摄像机和编辑软件中增加4:3的画面区域保护虚框，来确保其主要内容集中在4:3的画面区域内，下变换后不会损失重要信息。其它类型高清节目转换成标清素材采用“边条方式”，完整保留画面信息。

三． AFD的引入
    由于节目的需求，电视的幅型比转换将是一个渐进的过程。在以往的应用中，广播机构一般都选择上/下变换设备的某种固定转换方式来完成4:3和16:9两种不同幅型比格式的转换。由于播出信号原有的幅型比格式不确定，固定的转换方式有可能造成四周切边的“邮票”情况出现。而这种对画面的严重破坏是电视台播出不能容忍的。

    按照上文所提到的幅型比转换规则，希望转换出来的图像如图4所示：

    要完成这种基于图像内容的自适应转换方式，就要求在播出的视频信号中插入标识其画面特征的描述信息，这样上/下变换设备就能够自动识别在播节目原有的有效幅型比格式，并按照一定的转换规则采用不同的幅型比转换方式。
    其实在广播电视的发展过程中，早就有了关于不同幅型比如何显示方面的考虑。宽屏信令（Widescreen Signaling，WSS）标准就是一个指导用户端采用正确画面格式来还原图像显示的标准。WSS嵌入在视频信号的场逆程VBI中。用户端的电视接收机依照信令规定的显示方式可以自动完成不同幅型比节目的还原。然而WSS标准主要用于模拟电视，它虽然给出了接收端显示光栅的幅型比，但对显示光栅内活动图像范围的描述却很有限。随着数字电视的飞速发展，ETSI在DVB系统中引入了用于描述画面格式的元数据：活动图像格式描述符（Active Format Description，AFD）和边条数据（Bar Data），它们的作用与WSS类似，但比WSS对画面的描述更详细。随后，ATSC和SMPTE也采纳了ETSI的建议，制定了AFD和Bar Data的相关标准。这些标准虽然稍有差异，但它们的制定为数字电视行业从标清到高清的平滑过渡提供了有力的依据。
    本文将以SMPTE 2016-1-2007（AFD和Bar Data的格式）和SMPTE 2016-3-2007（AFD和Bar Data在垂直辅助数据的插入位置）为例，详细解析AFD。

四． AFD的含义
    AFD是活动图像格式描述符（Active Format Description）的缩写。它主要用来描述一个视频编码帧中，人们感兴趣的那部分活动图像的显示格式。
    AFD是一个4bit的码字，每个编码帧对应一个。它不但给出了本帧画面中人们感兴趣的那部分活动图像的幅型比，还标识了此活动图像处于本帧画面的什么位置，以及有无特殊的区域保护要求等信息。但AFD本身并未给出整个编码帧的幅型比，而且对于不同幅型比的编码帧，相同的AFD表示的含义也不相同。（对于AFD所有编码值的具体含义，详见附表。）
    举例来说，当编码帧的幅型比为4:3时，AFD=‘1010’表示活动图像的幅型比为16:9，并且居于4:3编码帧的中心；当编码帧的幅型比为16:9时，AFD=‘1010’表示活动图像的幅型比为16:9，并且所有的图像都处于16:9的图像保护区当中，需要全屏显示。如图5所示：

Bar Data可以作为AFD的辅助信息使用。当活动图像不能填满整个编码帧，而且AFD本身不能完整描述其范围（如幅型比既不是4:3，也不是16:9或14:9）时，就需要用到Bar Data。此时，Bar Data用来标识画面中未用区域的精确位置。
    针对上文所提到的几种常用的幅型比转换方式，仅用AFD就可以完成对它们的完全描述，其具体数值见图6：

    当支持AFD信息的上/下变换器接收到带有AFD的视频信号时，它们能够自动解读出这些AFD信息所给出的活动画面的幅型比和位置信息，并根据这些信息来指导自己的上下变换方式。例如当上变换器接收到一条AFD=‘1010’的4:3宽荧幕标清节目后，它即可知道当前的视频信号为上下加边的16:9图像，活动图像位置为垂直居中，而且其16:9的活动图像区域受保护。根据这些信息，上变换器在做上变换时就会选择上下切边的变换方式。同理，当下一条节目变为AFD=‘1001’的常规标清信号时，上变换器就会根据AFD自动选择左右加边的变换方式。值得注意的是，当上变换器完成上变换后，它会根据变换后的图像格式重新修正AFD，所以输出信号的AFD与输入信号的AFD也许会不一致。

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五． AFD的传输
    AFD和Bar Data是基于帧精度的，通常和它们所描述的视频信号一起传输。将它们与视频信号捆绑起来的方式主要有两种：
    （1） 当视频信号以流的形式传输时，将AFD和Bar Data插入到视频SDI信号的垂直辅助数据（VANC）中。
    （2） 当视频信号以文件的形式传输时，将AFD和Bar Data经过KLV编码后，作为视频信号的SMPTE元数据进行传输。

    无论使用这两种传输方式中的哪一种，AFD这个4bit的码字在传输时都要被加入到一个8bit的字节中。其中b6-b3为4bit的AFD码；b2用来标识编码帧的幅型比，‘0’表示4:3，‘1’表示16:9；其它比特作为预留而被置为逻辑0。例如：对上文举例的AFD=‘1010’的两种情况来说，4:3的编码帧对应的AFD字节为‘01010000’即50H，16:9的编码帧对应的AFD字节为‘01010100’即54H。
    当利用第一种方式将AFD插入到VANC中传输时，包含AFD的数据包需要满足SMPTE 291M标准。具体的数据包构成如表2：

    对于SD-SDI信号，由于每帧画面是隔行扫描的，所以两场信号的VANC中都应该包含AFD数据包；对于HD-SDI信号，由于每帧画面是逐行扫描的，所以AFD信号只要插入到亮度信号Y的VANC中即可。另外，SMPTE 2016-3-2007标准中并没有规定AFD数据包必须插入到VANC的哪一行。理论上讲从SMPTE RP 168规定的切换行（第7/320行，625行系统）后的第二行到VANC的最后一行都可以。但为了给下游解析AFD信息的设备留出足够的处理时间，同时考虑到收录设备通常能够收录从切换行后的第二行开始连续三行的内容（即9，10，11行），所以这几行是AFD数据包插入的首选行。
    第二种传输方式是将AFD和Bar Data作为视频元数据插入到MXF文件进行传输。作为一种开放的文件格式，MXF文件为节目生产系统中，不同环节设备间视音频节目素材、相关数据及其元数据的交换提供了一种通用的文件格式。当视频信号以流的方式在设备间传输时，元数据被放在场消隐期间传送，有可能在信号切换时丢失。而MXF在传输视音频时，元数据会与视音频捆绑在一起，确保了视音频附加信息的完整性。
    MXF文件由文件头、文件体和文件尾三部分构成，又可分为简单结构和复杂结构两种，后者比前者在文件头部分多出了一个索引表。

    MXF中有两种元数据：头部元数据和体部元数据。头部元数据由EDL信息、场景元数据、镜头元数据、内容标识元数据、制作元数据等组成，并能被AAF解码器解读，主要用于后期制作环境下的导入和导出。体部元数据和视音频信号一起被逐帧的封装在通用容器（Generic Container，GC）中。GC由系统项目、图像项目、声音项目和辅助数据项目组成。要求帧精度的元数据，例如时间码、UMID、AFD等就存储在系统项目中。
    MXF采用KLV编码对元数据和内容打包。KLV的数据结构分为Key、Length和Value三部分。Key为16B SMPTE标准化通用标签（Uniersal Labels），用于识别数据，Length说明数据的长度，Value是数据本身。SMPTE对AFD的KLV编码标准还没有正式发布。

六． AFD的应用
    AFD的引入可以指导上下变换器正确识别在播信号的原始幅型比，使得基于图像内容的自适应幅型比转换成为了可能。为了实现通路中AFD的自动幅型比控制，必须有如下几个关键环节的支持：
    首先，无论是节目文件还是直播信号，无论是高清节目还是标清节目，均需提供AFD信息。
    对于以文件形式提交的节目，由节目制作端输出成品节目MXF文件时，生成描述其幅型比的AFD信息。对于直播信号或其他自身没有携带AFD信息的节目源，可以通过AFD嵌入器来给其嵌入AFD信息。
    其次，切换台入口的高清化，即标清信号源的上变换。
    由于在节目播出时采用全高清的处理方式，所以标清的信号源由相应的设备进行上变换后再进入切换台。标清视频文件由视频服务器根据其携带的AFD信息自动完成上变换。标清直播信号由专门的上变换器依据其携带的AFD信息完成自动幅型比变换。
最后，对于标清频道播出，使用下变换器完成自动幅型比变换。
    对于仍然需要支持标清播出的频道，在通路的末端增加具有AFD识别功能的下变换器，依据节目中继承下来的AFD信息自动完成不同要求的幅型比变换。
    其全链路的流程如图8所示：

    此链路涉及到AFD的产生、嵌入、继承、修改等多种操作。整个流程因为要经过上变换、下变换等设备，各类节目所包含的AFD信息变化如图9：

    目前，已有多家厂商的上/下变换器能够提供基于AFD信息的上下变换，很多视频服务器厂家也在积极做这方面的探索，这为整个制播链路的搭建提供了完善的设备支持。通过对相关设备的初步测试，我们已经验证了此方案基本可行。希望此方案的提出可以为大家对高标清过渡阶段的幅型比控制提供些许思路。