數字高清電視轉播車視頻系統的設計

1數字高清轉播車系統建設應用隨著數字高分辨率電視系統的發展，對數字高清明度電視轉播車的需求越來越大。這是因為中國的許多電視臺和電視機構正在使用和準備高清明度的數字圖像轉播車。本文結合青海廣播電視臺高清轉播車系統建設經驗,針對系統建設中涉及的關鍵技術,研究了如何使數字高清電視轉播車在視頻系統設計上更合理,更符合實際需要。高清電視轉播車是一個由視頻、音頻、同步、通話、監視、配電、周邊設備多個分系統組成的大系統。其中,視頻系統由攝像機系統、切換臺、矩陣、字幕系統(或在線包裝)、錄放像系統等分系統構成,主要作用就是完成視頻信號的采集、制作、播出或錄制。電視轉播車視頻系統設計是一種使用現代電視技術和設備進行系統整合以滿足電視視頻制作需要的工程設計,視頻系統的設計是整個高清轉播車工程的核心之一。2軟件的設計特點高清電視轉播車在視頻系統設計時以安全、靈活、穩定、可靠、經濟為主要原則。考慮完善的備份措施,主要設備采用1+1備份方式,避免單一饋點的出現;關鍵設備配置主、備電源,模塊及電源可熱插拔,便于維修;切換臺、矩陣等核心設備的輸入輸出均采取上跳線的方式,以備備份設備也出現故障時的應急操作;足夠的輸入輸出接口,滿足不同格式的信號需求;較強的系統擴展能力,預留充足的擴展擴容裕量;專業的人性化設計方案。需要考慮兼容現行的標清數字信號格式,整車應具備多格式制作能力。3高清標準節目管理系統1)設計依據:根據電視臺的實際需求和國家相關標準進行設計。2)系統功能:具有直播和錄制功能。能夠承擔大型綜藝節目和重大體育賽事等活動的直播制作任務。3)設計內容:本系統采用的高清系統編碼標準為1080/50i。面向高清,采用上下變換滿足標清制作需要,可同時制作2套不同的高/標清節目。4)系統整體設計為高清系統,可同時制作標準節目。系統配置高清攝像機10臺,高清高速攝像機2臺。視頻切換臺為2ME、2DSK,分級輸出。高清矩陣進行信號源調度。隨信號源調度,源名、TALLY指示自動跟隨,實現動態管理。配置高清幀同步器和上變換器,以調用外部信號。5)技術特點:以高清內核為主,具備系統級聯能力,兼容高標清制作。高清制作采用16∶9監看,標清制作采用4∶3監看,監看信號動態調度。主備同步自動倒換,提供B.B,Tri-level,Word-clock,EBU標準時碼等同步信號。動態UMD指示系統源名自動跟隨。多種通話方式共用一種解決方法,讓指揮調度更加輕松。6)技術難點:高標清信號的兼容問題,采用純高清內核,配以外置上下變換器,提供各種格式的輸入輸出信號。7)多通道錄制問題:時鐘控制器輸出標準EBU時碼作為系統時碼,分配到錄像機、硬盤錄像機、硬盤錄音機等設備,有效地解決多通道錄制時碼同步的問題。8)多系統級聯問題:高清系統中擴展信道、現場飛行箱、微型攝像機等系統的級聯問題,可以通過“光級聯”或“電級聯”兩種方式解決。4sdvi/sdhsi接口高清轉播車系統視頻信號的高清部分采用高清晰度串行數字分量1080/50i標準、HDSDI接口。經下變換,支持SDSDI和模擬信號輸出,保證了高效快速地完成高質量節目的制作和播出。視頻系統方框圖如圖1所示。4.1攝像頭系統1高清錄像視頻及高清鏡頭業界可供選擇的高清攝像機型號很多,Sony的HDC系列、Ikegami的HK系列、Panasonic的AK系列、Thomson的LDK系列、日立的SK系列等。在設計攝像機系統時,攝像機的選擇必須滿足各種體育賽事和文藝活動等室內外節目拍攝需求,所配備的廣播級便攜數字高清攝像機數字處理要求大于等于14bit,信噪比大于60dB,采用SMPTE光纜傳輸方式,可以用于16∶9和4∶3兩種制作模式。其中標準掃描攝像機10套,3倍幀掃描速度攝像機2套。4部攝像機配置大鏡頭、大鏡頭適配器和重型三腳架,4個76X高清電視箱式鏡頭,7個22X高清電視標準鏡頭,2個13X超廣角高清鏡頭。每臺攝像機還配有演播室大尋像器、單目尋像器、遮光罩等。經過多方比較,高清電視轉播車10臺廣播級質量標準掃描攝像機選用了Panasonic公司AK-HC3500MC攝像機。AK-HC3500MC攝像機為3×2/3in(1in=2.54cm)CCD,220萬像素,寬高比16∶9,高清數字和模擬信號輸出。此款攝像機特點是:兼容1080/59.94i和1080/50i,攝像機內安裝下變換板AK-HDC3500,可以從機頭輸出SD-SDI(BNCX1)信號和SDAnalog(VBS)(BNCX1)信號。F11.0靈敏度,60dB的S/N,拖尾小于-130dB。使用了新型CCD,靈敏度提高了半檔光圈值,藍路信號噪聲降低了3dB。單通道傳輸CCD像素偏置技術解決了高分辨率和調制度的平衡問題,改善了高頻響應。動態范圍的擴展解決了高光部分的過度曝光和暗部區域的“漆黑無層次”的矛盾。兩個獨立通道的膚色可以單獨校正,色彩相位360°可調,可進行多樣化細節調整。12軸獨立色彩校正EBU標準和NTSC標準彩色矩陣,滿足多樣調色需求。除了傳統彩色矩陣處理外,12軸色彩校正功能,還能對每一鐘顏色進行獨立、精細的色彩色調和濃度調節,調節一種顏色,不會影響其他顏色。色調保護電路保證了高亮區域的色彩重現。電影gamma曲線,使得畫面更加清晰亮麗。鑒于本車中標公司為日本國際精華株式會社和富士能株式會社聯合體,所以此次配備鏡頭全部為FUJINON鏡頭,包括:76倍HDTV箱式鏡頭內裝2X倍率鏡,焦距范圍9.3~710,變焦比76;22倍HDTV鏡頭內裝2X倍率鏡,焦距范圍7.3~161,變焦比22;13倍高清攝像機超廣角鏡頭內裝2X倍率鏡,焦距范圍4.5~59,變焦比13,最大相對孔徑約1∶1.8,視場角93.38°,并配有鏡頭伺服控制器,數字變、聚焦全伺服控制系統。2國內電視轉播車設備選型廣播級高清高速攝像機有Thomson公司的LDK6200和LDK8300、比利時i-Movix公司的SprintCamV3HD和SprintCamVvsHD和Sony公司的HDC-3300。其中,在國內應用較多的是Sony的HDC-3300,其次是Thomson公司的LDK6200和LDK8300,相對而言,比利時i-Movix公司的SprintCamV3HD、Sprint?CamVvsHD在國內應用較少,原因是比利時i-Movix公司雖然是專門制作高速攝像機的廠家,但其產品普遍應用在歐洲國家,近些年才開始開發中國市場。目前,國內電視轉播車的設備選型有兩大分類:一是Sony或Panasonic公司的產品,這兩個公司的設備在選擇其配套的高清高速設備時普遍使用的是Sony的HDC-3300;二是攝像、切換等設備是Thomson的,通常高清高速攝像機選擇也是Thomson公司的LDK6200或LDK8300。本車視頻系統核心設備普遍采用的是Pan?asonic公司的產品,鑒于幀速、模/數轉換比特數、接口匹配等問題,本車選擇了2臺Sony公司的HDC3300高清高速攝像機。Sony高清高速攝像機系統的HDC3300攝像機能夠以高速率捕捉全分辨率為1920×1080高清圖像,是1080/180i(59.94i)和1080/150i(50i)正常幀速的3倍,而捕捉1280×720高清圖像的速率,也是720/180p(59.94p)和720/150p(50p)正常幀速的3倍。攝像機捕捉的慢動作圖像,具有極高的質量,并且通過Sony的尖端技術進行增強,從而可以最大限度消除慢動作圖像上常見的閃爍現象。A/D轉換器為14bit,可以實現優異的圖像質量,并具有高可靠性。HDC3300系統的數據傳輸速率可以達到10Gbit/s,傳輸給其配套設備HD?CU3300攝像機控制器。這一傳輸速率的實現,通過標準SMPTE光纜(和HDC1580/1500相同的光纖),使攝像頭能夠向HDCU3300攝像機控制器傳輸超高質量的寬帶信號,傳輸距離可達2500m。HDCU3300攝像機控制器允許通過3路HD-SDI輸出,將這些信號記錄到兼容的第三方服務器。高質量正常速度高清圖像除高質量慢動作圖像外,借助于LSI(大規模集成電路),HDC3300攝像機還可以提供高質量的正常速度圖像。此外,HDCU3300攝像機控制器還能夠輸出這些正常速度圖像,與超級慢動作圖像同時進行實況傳輸,還可以同時采用HDC3300實現慢動作和標準拍攝這兩種用途,提高設備的多功用能力。4.2衛星面板副切換目前,各種大、中、小型高清數字切換臺有很多種,Sony的MVS系列、Thomson的DD系列、泰克公司的GVG系列、Panasonic的AV系列、史諾偉思的HD系列,還有UTAH、ABEKAS、SNELL等公司的產品。根據切換臺實際運用情況,每級DSK都要求有單獨的CLEAN輸出;通過視頻切換臺主面板進行節目主制作;通過獨立的衛星面板對大屏幕以及在精品節目錄制時進行副切換。主切換面板路數為高清標準攝像機信號X10,高清高速攝像機信號X2,外來信號X4,HDVTR重放X4,VGA信號X2,常規慢動作信號X2,高速慢動作信號X2,字幕信號X4(V、K各2路),測試信號X1,B.B信號X1,矩陣輸出4路,共計36路。副切換面板可實現16路輸入一級ME直切。配置可以做4個活動視頻畫中畫高質量特技,幀存系統擁有2路同時輸出的信號,高清配置下存儲58幀。鑒于需要完成這些功能本車切換臺選擇了支持多格式,小型機箱設計,具有豐富功能的Panasonic切換臺AV-HS5200MC。此款切換臺在中國國內市場占有率較低,但在日本市場占有率卻達到了61%。AV-HS5200MC采用最大2ME+2DSK+4DVP配置,標準輸入為18路,可擴展至最大36路。輸出的標準配置為6路(ME1,PGMx2,ME2,PVW,CLEAN),可以實現6路(AUX5-10)擴展。支持HD格式有1080/59i,50i,1080/23Psf,支持SD格式有480/59i,576/50i。4.3多速率矩陣切換器視頻矩陣的功能是調度視音頻信號和擴展切換臺有限的輸入、輸出通道,根據不同節目制作需要改變監視墻的排布,錄制設備輸入源選擇,音頻、燈光等制作工種監視源的選擇,大屏幕或參與制作顯示器件的選擇,攝像機返送源選擇,為視頻系統提供應急切換等。各工位信號源的視頻矩陣選切,要求音頻跟隨視頻。為了實現HD和SD同步直播,并節省資金,制作流程的監視設備采用SD格式,利用HD設備具備SD出口的特征和視頻矩陣可分層或聯動選切的特點,增加SD矩陣部分。對于顯示源動態管理的需求,通過控制矩陣和分割器實現大屏幕顯示及TAL?LY動態管理。為了與高清切換臺選型相兼容,選擇了Panasonic公司的多速率矩陣切換器AV-WM14K01MC。AV-WM14K01MC是一個可以處理從SDSDI信號率(143~270Mbit/s)到HDSDI信號率(1.5Gbit/s)的矩陣路由切換器。插板式機箱矩陣,SDSDI視頻輸入路數68SDSDI/HDSDI/AES3,視頻制式625/50i、1080/50i,自動均衡,反射損耗-18dB(5~360MHz),正常輸入電平800(1±10%)mVpp;SDI視頻輸出路數68SD/HDSDI/ACS3,視頻制式625/50i,1080/50i。矩陣切換器根據指定信號率進行時鐘恢復處理,也可以不進行指定,選擇自動跟隨輸入信號的模式。在一個輸出單位上可以設定不同的信號率,也可以設定為跟隨輸入信號率的自動速率對應模式。可以通過17個輸入輸出單位進行增設,可以將系統增至136×136路輸出這一最大的矩陣配置。將冗余電源作為標準配置,力求在出現故障時,提高應對方面的可靠性。輸入輸出單元、矩陣單元、電源組都支持熱插拔,即使出現故障也能在通電的狀態下進行單元更換。支持通過同軸LAN的遠程控制,即使是從多個遠程面板實施的復合操作,也可以通過一根同軸電纜來實現。支持以下附加功能:恢復功能,接通電源時,可以在上次關閉電源時所選擇的狀態下啟動,也可以將這一功能設為無效,在初始狀態下啟動。指定初始選擇點,在恢復功能無效的情況下接通電源時,雖然將按照初始設定的狀態啟動,但是可以在每次輸出時指定初始值。基準信號的選擇,多速率矩陣切換器AV-WM14K01MC系統作為系統參照信號,支持SDTV黑場信號和HDTV三電平同步信號,可以指定當中的任何一個為有效信號。當系統中的HDTV信號和SDTV信號混在一起時,可以指定將格式轉換器的延遲相位差(按HDTV系統換算,則為75H)考慮在內的切換點。4.4節目制作及監視在標清向高清電視轉換期間,建造高標清兼容制作系統,在狹小的車內空間要滿足監看視角、位置、距離,涉及到車體內部各個功能分區,各工位工作人員的不同監看需求和高清、標清不同寬高比輸入和處理的需要,監視系統的設計成為了高清轉播車的“難點”。本車技術區采用7臺高清20in監視器DT-V20L1D,1臺高清CRT監視器BVM-A20F1M。節目制作區采用6臺高清20in監視器DT-V2061D,2臺46in液晶監視器TL-M4600。導演區監視墻采用6臺SHARP52inPN-521高清晰度液晶監視器,導演區用2臺高清20in監視器DT-V20L1D。音頻區監視采用2臺JVC24inDT-V24L1D寬屏高清/標清液晶視頻監視器。其中,2臺46in和6臺52in液晶監視器采用4個16分割器,將每個大屏進行8分割;其余監視器采用8個8分割器進行4分割。多畫面分割器采用了Evertz最新款的MVP多畫面監視系統,適合于數字電視過渡階段中多種格式信號混用的情況下,利用單個系統完成所有視頻/音頻信號的多畫面監控。MVP系統功能強大,配置靈活,操作簡便,運行可靠,圖像監視質量符合廣播級的嚴格要求,輸入/輸出延時小,運行穩定。模塊支持熱插拔,更換后恢復速度快,單個模塊故障不會影響其他模塊上所有信號的正常顯示。具有多格式信號輸入,自動檢測,設置操作方便,信號接口豐富,配置靈活,滿足各類不同信號的監視要求。并且采用雙電源、雙顯示處理卡的設計方式,增加了設備運行的可靠性。4.5sdi編輯系統由于青海臺在從模擬設備向數字設備轉換時,普遍選用了Panasonic,為了兼容之前數字標清節目,錄像系統也就選擇了Panasonic錄像設備。本系統錄像設備由4臺AJ-HD1800WMC廣播級演播室高清編輯錄像機、2臺AJ-D955BMC廣播級演播室標清編輯錄像機和1臺編輯控制器AG-A850MC組成。高清編輯錄像機選用AJ-HD1800WMC是因為其具有IEEE1394數字接口、可以直接進入移動非線性編輯系統,擁有DVCPROHD超長盒帶錄制編輯能力可以在直播節目時,不用倒換錄像機放帶,記錄時也不用倒換錄像機。而且其優越性還體現在720/50p圖像能力、內置輸入上變換器和好的性價比等方面。在聲音方面,AJ-HD1800WMC提供了16bit線性PCM音質,利用8條嵌入式通道可以實現5.1聲道環繞聲的錄制。AJ-HD1800WMC使用HD-SDI端子可以用于獨立的輸入/輸出及所有8條通道的編輯。在多格式高清錄制與回放上,AJ-HD1800WMC既可以錄制1080i/720p視頻信號的所有高清廣播格式,還可以回放所有的DVCPRO高清源材料,其中包括由AJ-HDX900DVCPRO高清攝錄機錄制的1080/23.98p(基于59.94i)以及由Varicam錄制的720/24p和720/25p(基于60p),內置的高清交叉變換器可以在1080i與720p等高清格式之間來回變換。在標清源材料的回放與上/下變換的轉換上,AJ-HD1800WMC也具有很大的優勢,可以播放DVCPRO50,DVCPRO,DV和DVCAM等標清源材料;AJ-HD1800WMC內置的上/下變換器可以根據標清源材料輸出高清數據或根據高清源材料輸出標清數據。高清數據和標清數據還可以同步輸出,此外,為了增加靈活性,還具有幅型比變換功能。4.6慢動作視頻制作模塊多機位慢動作回放是高質量轉播車系統的主要優勢之一,本車的慢動作系統使用2臺EVS6個通道(4入2出)慢動作錄像機,每個錄像機通道的輸入信號通過矩陣的遙控面板來選擇,這樣可任意使用系統內的攝像機進行慢動作回放。本車選用了BelgiumEVS的2臺6通道XT+(2)視頻服務器和4臺慢動作控制器,其中2臺高速攝像機的6路信號直接進入2臺EVS,剩余2路信號經過矩陣切換,可在10臺普通高清攝像機中任選2路進行慢動作操作,從而實現2臺超級慢動作(SSM)攝像機和多臺慢動作(LSM)攝像機信號的記錄、編輯、重放以及精彩片段編輯和重放。視頻制作管理軟件有通道資源管理器:提供網絡中所有XT服務器的統一視圖,包括各自的配置(I/O通道數量),允許多個通道綁定,用于同步重放和瀏覽,比如在鍵和填充應用中重放素材片段或播表;數據庫資源管理器顯示和管理EVS的XNet網絡中的可用媒體內容,XT+(2)服務器中保存的片段或播表記錄在冗余中央SQL數據庫中,可以被即時瀏覽和重放;IP控制面板有效控制XT服務器,提供類似于錄像機的界面,可以鎖定現場、綁定PVW/PGM輸出,創建、編輯和滾動片段列表等;EVS還可以控制傳統設備,比如線性編輯器,提供了即時操作EVSXNet網絡中所有可用素材的能力及第三方編輯器、控制器和切換臺共享控制;IPDirector中IPLogger提供非常簡單的描述性元數據賦值方法,IPLogger向導可以根據不同的制作需求創建標記表,可以標記同一個動作的不同機位,具備事后回顧、編輯標記表中內容的能力,通過這種片斷關鍵詞的添加,慢動作服務器中存儲的慢動作片斷都成為了有序的和可檢索的,徹底改變了以往只能通過畫面來搜索慢動作片斷的歷史,提高了慢動作片斷的可用性。考慮到青海臺綜合業務網即將投入使用,本車需要具備日后與非線性編輯網絡的數據交換能力。XT+(2)服務器可以選擇多種格式采集,包括MXF、Ap?ple和AVID,通過X-file和以太網絡可以和外部實現資源共享。同時,XT+(2)也不只作為慢動作服務器,也可作為硬盤錄像機和放像機使用,特別是放像時檢索時間短