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数字化演播室系统
数字化演播室系统
随着数字技术、计算机技术、以及数字压缩技术的发展和应用，使得设计、建设一个数字化演播室系统成为现实。
系统设计
１、演播室系统基本结构和设计思路
数字演播室系统基本结构有两种：一种如传统模拟系统的线性结构，相应的设备换为数字设备，再加上编码与解码、复用与分离等部分；另一种是计算机网络，采用以宽带视频服务器为中心的分布式结构。虽然目前以FC网、以太网为基础的计算机网络已可以实现局部范围内的某些功能，但要建立一个全部基于多媒体的数字系统，技术上仍要提高。所以，数字演播室系统大多仍采用线性结构，系统的某些局部可以使用多媒体网络。
数字演播室总体设计思路：确保系统的技术先进性和高可靠性，系统配置灵活，可兼容4：3和16：9格式，为将来的HDTV做好准备；在功能上，既要满足对直播的要求，又可以进行后期节目的制作，并且保证出色的图像质量；系统应为将来的发展留有余地，包括综合布线、计算机网络拓扑结构的通道带宽。
２、系统信号格式和接口标准
数字视频信号格式种类繁多。目前，数字电视系统以串行分量数字信号格式为主流。通过串行数字接口（SDI）可用一根同轴电缆同时传输4:2:2数字分量视频信号、数字音频和时间码。ITU---R BT601数字分量演播室标准建议和SMPTE267M分别提供了4:3和16:9两种彩色电视信号的编码方式、取样频率、取样结构的明确规定（详见表一）。演播室采用分量编码，亮度抽样频率选为525/60和625/50行频的公倍数2.25MHZ的6倍13.5MHZ，使样值有正交结构，便于数字处理并使三大制式在数字域内的每电视行的亮度样值数统一于720个，两个色度样值均为360个，即4：2：2格式，从而使同一格式数字录象机能记录三种不同制式的信号，并使整个数字演播室能以4：2：2格式接在一起。正是这一标准，使各种数字演播室的数字设备能连成一系统，形成一个4：2：2的数字演播室环境。
数字演播室视音频系统设备
1、视频部分
（1）数字切换台 切换台是演播室的核心设备。
切换台的数字化是演播室数字化的关键所在。目前，数字切换台无论在外观、操作还是内部框架结构上，均与传统的模拟切换台相似，不同之处在于：切换台和计算机技术相结合起来，实现了联网操作。其输入的SDI接口不再与控制面板按钮一一对应，而是由菜单设置其对应关系；输入的视频信号与键信号也不再区分，可接入任一路SDI 输入口。数字切换台具有强大的设置菜单，可对制式、格式、宽高比、各种键及特技等在内的几乎所有参数进行设置。
以下是数字切换台的选型原则：
- 采用串行数字分量电视信号格式；
- 保证足够的直接切换的信号源；
- 至少要有两级M/E,一级PGM/PST；
- 有两个下游键（两种字幕叠加或主、备字幕机）
- 可以存储某些特技效果；
- 运行可靠性高，最好有备份电源系统；
- 各信号源之间的自动同步；
- 能进行软件操作，保证在面板失灵时，软件能代替面板进行正 常的切换操作。
目前，各种大、中、小型的数字切换台和特技机有很多种，SONY的DVS系列、PHILIPS的DD系列、泰克公司的GVG系列、THOMSOM的TTV系列，还有UTAH、ABEKAS、SNELL等公司都纷纷推出各自的产品，切换台的选型不仅要考虑演播室的节目制作类别和容量，还应考虑后期节目制作功能的兼顾，以充分发挥作用。
（2）摄像机
摄像机是前期信号的采集设备，在视频系统中占有很重要的位置。目前，市场可供选择的数字摄像机型号很多，各大厂家高级摄像机都采用12bit模数转换，在信号处理上采用16bit以上的数据处理，保证了更精确的伽马、拐点、轮廓校正。另外，演播室摄像机所用电缆长度最好不超过200m，超过时应用光纤，接插件要采用镀金措施，防止辐射。摄像机质量直接决定演播室的节目技术质量，因此，需慎重考虑性能、价格和需求。以下是各大厂家演播室摄像机的列表比较
表二 摄像机主要技术参数
由表可见在实现4：3和16：9兼容时，各厂家采取的技术不同，日本各摄像机厂采用的是16：9的CCD元件，通过改变水平尺寸以实现对4：3的兼容。在进行4：3和16：9之间转换时，由于成像面的水平尺寸不同，因此需要通过可转换镜片来弥补视角的变化。而飞利浦的LDK系列摄像机采取了动态像素管理（DPM）的技术，在4：3的CCD上实现了16：9的兼容，DPM技术没有改变CCD成像区域的水平尺寸，只改变了垂直尺寸。选择摄像机的最好方法是用户根据系统投入的资金将各公司的相关档次的摄像机架在一起摄取同一测试卡，对测试数据进行比较并结合自己的主观感觉及摄像机的价格则优选取。
（3）视频记录设备
目前，对于串行分量数字演播室可供选择的广播级录像机有D1、D5和BETACAM DVW系列的产品。在数字演播室中，考虑到节目制作的质量以及原有大量BETACAM SP格式节目素材的直接利用，应该首选BETACAM DVW系列的录像机。近年来推出的DVCAM、DVCPRO、DIGITAL–S、BETACAM–SX等都是数字分量记录格式，但互不兼容。它们都是进行码率压缩后将数字信号记录到磁带上，这在进行简单的节目编辑和复制时，进行多次D/A、A/D变换后，信号的质量会下降，因此比较适用于新闻节目的制作。在专业数字演播室中，BETACAM DVW应作为首选。
（4）数字矩阵
随着演播室功能的增多，数字矩阵逐渐在演播室得到应用，系统中使用矩阵的目的在于：扩展切换台有限输入通道；根据节目制作需要改变监视屏上监视器的信号排布；记录设备输入源的选择；摄象机返送源的选择；提供紧急备路输出通道；为整个系统进一步扩展提供选择。
目前，生产矩阵的厂家在增多，矩阵的控制也越来越方便，产品工作稳定，通道指标高，具有多种格式混合切换功能。现在生产矩阵的厂家有：索尼、飞利浦、LEITCH、PROBELL等，具体型号和矩阵大小用户可根据自己演播室的实际需要进行选择。
（5）数字串行设备
数字串行设备指串接在数字电路中，对数字信号进行变换和存储的设备，包括A/D、D/A、数字信号帧同步机、数字台标发生器、数字视频分配器等。由于大规模集成电路的采用，数字串行设备的体积比相应模拟设备大为减小，通常只是一块电路板。
虽然数字串行设备并非数字演播室的核心设备，但它通常串接在系统的输入输出端口处，直接一向到系统与外部时基及相位关系，也在很大程度上影响到经各种变换后信号的技术指标。
2、演播室数字音频系统
演播室音频系统包括声音接收装置、音频信号传输装置、音频信号编辑处理装置、扬声器等。广播音频将音频取样频率规定为44.1KHZ或48KHZ。而AES（美国音频工程师学会）/EBU（欧洲广播联盟）建议采样频率为48KHZ，这样做除了能够得到高质量的数字音频信号外，也使得音频采样与视频频率之间具有简单的换算关系。有利于解决音频信号与视频信号之间的同步问题。
对音频设备选型的原则是：
- 满足各类节目的制作要求。
- 适应现代音乐制作方式。
- 符合演播室数字音频标准。
演播室音频标准AES/EBU，参数如表三。
量化比特 16——20bit 取样频率 30——50k Hz 接 口 平衡卡侬/音频电缆或BNC/75同轴电缆 音频输入电阻 110/75 声道数量 1AEC/2AEC通道=2个/4个模拟声道 传输特点 AEC音频码流可以嵌入数字视频码流一同传输表三 演播室数字音频标准
数字控制的模拟调音台适合于演播室使用，不仅可以减少A/D转换的数量，而且整个调音台的技术指标也比较高。
三、数字系统的测试
数字系统测试的是作为图象信号载体，由“０”、“１”码组成的码流。这些数据流在经过某个系统后发生的变化，及其对数码流在后级设备中的再生的影响，是数字系统测试中的重要的事情。
数字系统的客观测试包括以下内容：
- 测试数字信号的模拟指标，如信号幅度、抖动、噪声、上升及下降时间等，这些可在眼图上得到综合反映。
- 数字指标，包括误码率、时基误差等。
- 数字信号码流结构的测试，尤其是各种加在行、场逆程期间的辅助数据的测试。
- 增强测试，也即系统安全性测试，测试数字系统中画面开始走向崩溃的拐点，以及当前系统距拐点还有多少余量等。
系统设计中需要注意的问题
１、数字接口标准
数字系统各设备间通过数字信号串行数字接口（SDI）相连接。SDI接口是按ITU---R BT601-2 数字分量演播室标准建议，为N制SMPCE（SMPCE259M）和PAL制EBU（TECH3267－E）采纳的标准接口。接口接受来自并行接口经过修正的10bit信号，传送比特率为270mb/s。可传送4---8路数字音频信号。用单根BNC电缆传送，最长传输距离300米。由于SDI接口还是一种新型的、采用扰码的NRII接口，因而被世界上众多数字视频生产厂家普遍采纳。在其生产的视频设备输出均留有SDI接口，把SDI接口作为标准视频接口。对当今多种数据压缩方式并存，存在不同压缩数据传输的情况下，是十分重要的，它确保在4：2：2数字演播室环境下，使各数字演播室的不同的设备连成一个系统。SDI接口的使用也大大简化了系统内部不同格式数据之间的转换，为数字演播室视频系统设计提供了方便。
２、定时和延时
在数字环境中并不需要准确的定时。因为数字系统的定时要求以时钟周期、毫秒、行的数量级进行度量的，而不是以纳秒级进行，而且通常不要求串行数字信号与时钟周期的时间准确对齐，这就使得在数字系统中的定时问题变得简单化。自动定时教正功能是输入电路中的自动定时缓冲器实现的，一般数字视频设备均具有这种输入自动定时教正功能。数字切换台的自动定时窗口大约是几十微秒，在自动定时窗口的可调范围内，自动定时窗口为所有输入信号提供同样的基准，这样，输入信号都有一个对称的定时窗口，若所有信号源都落在这个窗口内，自动定时的特点就能使信号锁定，并将输入信号调整到精确状态。所以，录像机都可以直接接到切换台上，这就大大简化了系统调整，减少信号之间的定时误差。
数字系统中，视频信号经过带内存储器的设备后，相对于音频尤其是模拟音频信号会产生一定的延迟。一般来说，数字录像机输出的视音频信号是同步的，切换台的时延在几行之间，而A/D、Ｄ/Ａ、帧同步机、制式转换器等所产生的延迟一般是一帧。只要合理安排信号流程，视音频信号之间的延迟可以控制在难以察觉的范围内。如能觉察到延迟，可在音频系统输出端加接延迟器，以拉齐视音频信号的时延差。
数字演播室发展趋势
1、多媒体和虚拟演播室
由于数字电视技术和计算机技术都是对0和1处理，使得电视技术和计算机技术能很好融为一体，非线性编辑、虚拟演播室，就是二者结合的产物。非线性是相对常规的线性编辑而言，它以计算机的可修改性。信号记录的非顺序性和操作方便性使得型号的插入、搜索等操作简单快速。非线性系统编辑方式由于采用编辑菜单只对记录在硬盘中的节目素材时间码进行各种记录操作而非直接对视频信号进行合成，因此在经过多次编辑之后信号质量基本没有损失。而进行线性编辑的模拟信号损失却很大，且对磁头有磨损，增加了节目制作的成本。所以非线性系统不失为进行节目制作的一种良好方式。非线性编辑系统包含了数字特技机、字幕机、编辑机、调音台的功能。经过非线性编辑系统制作的节目直接输出到数字分量录像机，也可以进行D/A转换后输出到传统的模拟复合录像机，更可存在硬盘中通过网络直接送播控中心播出。随着演播室数字化技术及设备的发展，录像机在传统节目制作环境中的核心地位正在被非线编系统打破。因此，数字化制作环境中，非线性编辑将起着 越来越重要的作用。虚拟演播室技术也已成为当今电视技术的热点，虚拟演播室利用计算机技术生成三维运动的或静止的场景，成功地解决了前景与背景之间的透视关系、比例关系，使合成的图像有极佳的立体效果，可以达到以假乱真的地步。虚拟演播室不仅能提供虚拟场景，还能让表演者走入（出）三维场景内，或者虚拟物体的后面。同样场景内的虚拟物体可运动到表演者的面前或周围，这一点和传统的色键抠像有很大的区别。虚拟演播室可以进行异地人物采访。利用外来的视频信号直接进入虚拟演播室系统，与现场主持人结合进行实时的、面对面的采访。在虚拟场景中，对虚拟物体（道具）的增加、删除、移位是很方便的（和三维建模软件有关），这为临时修改创意提供了极大的方便。不仅大大节约了演播室的制景经费，而且使演播室资源得到了更充分的利用。
2、网络化、智能化
演播室的网络化，是与计算机数据压缩、传输和网络技术紧密结合的。按照这种技术，摄像机和话筒等前端信号获取设备会将所得图象和声音信号直接转为数字信号，并可以按照一定格式进行压缩，然后通过网络传给后继设备，当设备之间很近时，也可以选择不压缩而直接通过网络传送，使演播室网络化。
随着IT在节目制作中的广泛应用，为使制作更快捷，获得更多的高质量节目信息，数据处理和传送技术面临新的挑战。以往演播室的“数字岛”技术已让位于计算机集成网络制作系统。已开发出大量的软硬件产品，通过PC实现广播质量的视频和音频数据处理，新开发的网络基于光纤通道（FC）和串行存储结构（SSA）“多发送端”技术，可确保一组PC基工作站访问共享普通磁盘存储器的子系统，而不使用普通的视频服务器，借助于经济的数据集线器，用户计算机和共享磁盘存储器的智能子系统之间已可实现高比特的通信（1G b/s），还有开发了适于节目制作应用的智能单元布线的方式（铜缆和光缆）和合适的“多发送端”技术“服务器软件”，以控制和管理数据，因而确保客户机和共享磁盘存储器子系统之间的实时同步对话。最后，“多发送端”技术确保有足够的数据处理及传送的技术容量。基于以上IT技术，实现演播室的无带制作环境。
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