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數(shù)字化演播室系統(tǒng)
數(shù)字化演播室系統(tǒng)
隨著數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)、以及數(shù)字壓縮技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得設(shè)計、建設(shè)一個數(shù)字化演播室系統(tǒng)成為現(xiàn)實。
系統(tǒng)設(shè)計
１、演播室系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路
數(shù)字演播室系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)有兩種：一種如傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的線性結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的設(shè)備換為數(shù)字設(shè)備，再加上編碼與解碼、復(fù)用與分離等部分；另一種是計算機網(wǎng)絡(luò)，采用以寬帶視頻服務(wù)器為中心的分布式結(jié)構(gòu)。雖然目前以FC網(wǎng)、以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的計算機網(wǎng)絡(luò)已可以實現(xiàn)局部范圍內(nèi)的某些功能，但要建立一個全部基于多媒體的數(shù)字系統(tǒng)，技術(shù)上仍要提高。所以，數(shù)字演播室系統(tǒng)大多仍采用線性結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的某些局部可以使用多媒體網(wǎng)絡(luò)。
數(shù)字演播室總體設(shè)計思路：確保系統(tǒng)的技術(shù)先進性和高可靠性，系統(tǒng)配置靈活，可兼容4：3和16：9格式，為將來的HDTV做好準(zhǔn)備；在功能上，既要滿足對直播的要求，又可以進行后期節(jié)目的制作，并且保證出色的圖像質(zhì)量；系統(tǒng)應(yīng)為將來的發(fā)展留有余地，包括綜合布線、計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的通道帶寬。
２、系統(tǒng)信號格式和接口標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)字視頻信號格式種類繁多。目前，數(shù)字電視系統(tǒng)以串行分量數(shù)字信號格式為主流。通過串行數(shù)字接口（SDI）可用一根同軸電纜同時傳輸4:2:2數(shù)字分量視頻信號、數(shù)字音頻和時間碼。ITU---R BT601數(shù)字分量演播室標(biāo)準(zhǔn)建議和SMPTE267M分別提供了4:3和16:9兩種彩色電視信號的編碼方式、取樣頻率、取樣結(jié)構(gòu)的明確規(guī)定（詳見表一）。演播室采用分量編碼，亮度抽樣頻率選為525/60和625/50行頻的公倍數(shù)2.25MHZ的6倍13.5MHZ，使樣值有正交結(jié)構(gòu)，便于數(shù)字處理并使三大制式在數(shù)字域內(nèi)的每電視行的亮度樣值數(shù)統(tǒng)一于720個，兩個色度樣值均為360個，即4：2：2格式，從而使同一格式數(shù)字錄象機能記錄三種不同制式的信號，并使整個數(shù)字演播室能以4：2：2格式接在一起。正是這一標(biāo)準(zhǔn)，使各種數(shù)字演播室的數(shù)字設(shè)備能連成一系統(tǒng)，形成一個4：2：2的數(shù)字演播室環(huán)境。
數(shù)字演播室視音頻系統(tǒng)設(shè)備
1、視頻部分
（1）數(shù)字切換臺 切換臺是演播室的核心設(shè)備。
切換臺的數(shù)字化是演播室數(shù)字化的關(guān)鍵所在。目前，數(shù)字切換臺無論在外觀、操作還是內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)上，均與傳統(tǒng)的模擬切換臺相似，不同之處在于：切換臺和計算機技術(shù)相結(jié)合起來，實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)操作。其輸入的SDI接口不再與控制面板按鈕一一對應(yīng)，而是由菜單設(shè)置其對應(yīng)關(guān)系；輸入的視頻信號與鍵信號也不再區(qū)分，可接入任一路SDI 輸入口。數(shù)字切換臺具有強大的設(shè)置菜單，可對制式、格式、寬高比、各種鍵及特技等在內(nèi)的幾乎所有參數(shù)進行設(shè)置。
以下是數(shù)字切換臺的選型原則：
- 采用串行數(shù)字分量電視信號格式；
- 保證足夠的直接切換的信號源；
- 至少要有兩級M/E,一級PGM/PST；
- 有兩個下游鍵（兩種字幕疊加或主、備字幕機）
- 可以存儲某些特技效果；
- 運行可靠性高，最好有備份電源系統(tǒng)；
- 各信號源之間的自動同步；
- 能進行軟件操作，保證在面板失靈時，軟件能代替面板進行正 常的切換操作。
目前，各種大、中、小型的數(shù)字切換臺和特技機有很多種，SONY的DVS系列、PHILIPS的DD系列、泰克公司的GVG系列、THOMSOM的TTV系列，還有UTAH、ABEKAS、SNELL等公司都紛紛推出各自的產(chǎn)品，切換臺的選型不僅要考慮演播室的節(jié)目制作類別和容量，還應(yīng)考慮后期節(jié)目制作功能的兼顧，以充分發(fā)揮作用。
（2）攝像機
攝像機是前期信號的采集設(shè)備，在視頻系統(tǒng)中占有很重要的位置。目前，市場可供選擇的數(shù)字?jǐn)z像機型號很多，各大廠家高級攝像機都采用12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換，在信號處理上采用16bit以上的數(shù)據(jù)處理，保證了更精確的伽馬、拐點、輪廓校正。另外，演播室攝像機所用電纜長度最好不超過200m，超過時應(yīng)用光纖，接插件要采用鍍金措施，防止輻射。攝像機質(zhì)量直接決定演播室的節(jié)目技術(shù)質(zhì)量，因此，需慎重考慮性能、價格和需求。以下是各大廠家演播室攝像機的列表比較
表二 攝像機主要技術(shù)參數(shù)
由表可見在實現(xiàn)4：3和16：9兼容時，各廠家采取的技術(shù)不同，日本各攝像機廠采用的是16：9的CCD元件，通過改變水平尺寸以實現(xiàn)對4：3的兼容。在進行4：3和16：9之間轉(zhuǎn)換時，由于成像面的水平尺寸不同，因此需要通過可轉(zhuǎn)換鏡片來彌補視角的變化。而飛利浦的LDK系列攝像機采取了動態(tài)像素管理（DPM）的技術(shù)，在4：3的CCD上實現(xiàn)了16：9的兼容，DPM技術(shù)沒有改變CCD成像區(qū)域的水平尺寸，只改變了垂直尺寸。選擇攝像機的最好方法是用戶根據(jù)系統(tǒng)投入的資金將各公司的相關(guān)檔次的攝像機架在一起攝取同一測試卡，對測試數(shù)據(jù)進行比較并結(jié)合自己的主觀感覺及攝像機的價格則優(yōu)選取。
（3）視頻記錄設(shè)備
目前，對于串行分量數(shù)字演播室可供選擇的廣播級錄像機有D1、D5和BETACAM DVW系列的產(chǎn)品。在數(shù)字演播室中，考慮到節(jié)目制作的質(zhì)量以及原有大量BETACAM SP格式節(jié)目素材的直接利用，應(yīng)該首選BETACAM DVW系列的錄像機。近年來推出的DVCAM、DVCPRO、DIGITAL–S、BETACAM–SX等都是數(shù)字分量記錄格式，但互不兼容。它們都是進行碼率壓縮后將數(shù)字信號記錄到磁帶上，這在進行簡單的節(jié)目編輯和復(fù)制時，進行多次D/A、A/D變換后，信號的質(zhì)量會下降，因此比較適用于新聞節(jié)目的制作。在專業(yè)數(shù)字演播室中，BETACAM DVW應(yīng)作為首選。
（4）數(shù)字矩陣
隨著演播室功能的增多，數(shù)字矩陣逐漸在演播室得到應(yīng)用，系統(tǒng)中使用矩陣的目的在于：擴展切換臺有限輸入通道；根據(jù)節(jié)目制作需要改變監(jiān)視屏上監(jiān)視器的信號排布；記錄設(shè)備輸入源的選擇；攝象機返送源的選擇；提供緊急備路輸出通道；為整個系統(tǒng)進一步擴展提供選擇。
目前，生產(chǎn)矩陣的廠家在增多，矩陣的控制也越來越方便，產(chǎn)品工作穩(wěn)定，通道指標(biāo)高，具有多種格式混合切換功能。現(xiàn)在生產(chǎn)矩陣的廠家有：索尼、飛利浦、LEITCH、PROBELL等，具體型號和矩陣大小用戶可根據(jù)自己演播室的實際需要進行選擇。
（5）數(shù)字串行設(shè)備
數(shù)字串行設(shè)備指串接在數(shù)字電路中，對數(shù)字信號進行變換和存儲的設(shè)備，包括A/D、D/A、數(shù)字信號幀同步機、數(shù)字臺標(biāo)發(fā)生器、數(shù)字視頻分配器等。由于大規(guī)模集成電路的采用，數(shù)字串行設(shè)備的體積比相應(yīng)模擬設(shè)備大為減小，通常只是一塊電路板。
雖然數(shù)字串行設(shè)備并非數(shù)字演播室的核心設(shè)備，但它通常串接在系統(tǒng)的輸入輸出端口處，直接一向到系統(tǒng)與外部時基及相位關(guān)系，也在很大程度上影響到經(jīng)各種變換后信號的技術(shù)指標(biāo)。
2、演播室數(shù)字音頻系統(tǒng)
演播室音頻系統(tǒng)包括聲音接收裝置、音頻信號傳輸裝置、音頻信號編輯處理裝置、揚聲器等。廣播音頻將音頻取樣頻率規(guī)定為44.1KHZ或48KHZ。而AES（美國音頻工程師學(xué)會）/EBU（歐洲廣播聯(lián)盟）建議采樣頻率為48KHZ，這樣做除了能夠得到高質(zhì)量的數(shù)字音頻信號外，也使得音頻采樣與視頻頻率之間具有簡單的換算關(guān)系。有利于解決音頻信號與視頻信號之間的同步問題。
對音頻設(shè)備選型的原則是：
- 滿足各類節(jié)目的制作要求。
- 適應(yīng)現(xiàn)代音樂制作方式。
- 符合演播室數(shù)字音頻標(biāo)準(zhǔn)。
演播室音頻標(biāo)準(zhǔn)AES/EBU，參數(shù)如表三。
量化比特 16——20bit 取樣頻率 30——50k Hz 接 口 平衡卡儂/音頻電纜或BNC/75同軸電纜 音頻輸入電阻 110/75 聲道數(shù)量 1AEC/2AEC通道=2個/4個模擬聲道 傳輸特點 AEC音頻碼流可以嵌入數(shù)字視頻碼流一同傳輸表三 演播室數(shù)字音頻標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)字控制的模擬調(diào)音臺適合于演播室使用，不僅可以減少A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)量，而且整個調(diào)音臺的技術(shù)指標(biāo)也比較高。
三、數(shù)字系統(tǒng)的測試
數(shù)字系統(tǒng)測試的是作為圖象信號載體，由“０”、“１”碼組成的碼流。這些數(shù)據(jù)流在經(jīng)過某個系統(tǒng)后發(fā)生的變化，及其對數(shù)碼流在后級設(shè)備中的再生的影響，是數(shù)字系統(tǒng)測試中的重要的事情。
數(shù)字系統(tǒng)的客觀測試包括以下內(nèi)容：
- 測試數(shù)字信號的模擬指標(biāo)，如信號幅度、抖動、噪聲、上升及下降時間等，這些可在眼圖上得到綜合反映。
- 數(shù)字指標(biāo)，包括誤碼率、時基誤差等。
- 數(shù)字信號碼流結(jié)構(gòu)的測試，尤其是各種加在行、場逆程期間的輔助數(shù)據(jù)的測試。
- 增強測試，也即系統(tǒng)安全性測試，測試數(shù)字系統(tǒng)中畫面開始走向崩潰的拐點，以及當(dāng)前系統(tǒng)距拐點還有多少余量等。
系統(tǒng)設(shè)計中需要注意的問題
１、數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)字系統(tǒng)各設(shè)備間通過數(shù)字信號串行數(shù)字接口（SDI）相連接。SDI接口是按ITU---R BT601-2 數(shù)字分量演播室標(biāo)準(zhǔn)建議，為N制SMPCE（SMPCE259M）和PAL制EBU（TECH3267－E）采納的標(biāo)準(zhǔn)接口。接口接受來自并行接口經(jīng)過修正的10bit信號，傳送比特率為270mb/s。可傳送4---8路數(shù)字音頻信號。用單根BNC電纜傳送，最長傳輸距離300米。由于SDI接口還是一種新型的、采用擾碼的NRII接口，因而被世界上眾多數(shù)字視頻生產(chǎn)廠家普遍采納。在其生產(chǎn)的視頻設(shè)備輸出均留有SDI接口，把SDI接口作為標(biāo)準(zhǔn)視頻接口。對當(dāng)今多種數(shù)據(jù)壓縮方式并存，存在不同壓縮數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，是十分重要的，它確保在4：2：2數(shù)字演播室環(huán)境下，使各數(shù)字演播室的不同的設(shè)備連成一個系統(tǒng)。SDI接口的使用也大大簡化了系統(tǒng)內(nèi)部不同格式數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，為數(shù)字演播室視頻系統(tǒng)設(shè)計提供了方便。
２、定時和延時
在數(shù)字環(huán)境中并不需要準(zhǔn)確的定時。因為數(shù)字系統(tǒng)的定時要求以時鐘周期、毫秒、行的數(shù)量級進行度量的，而不是以納秒級進行，而且通常不要求串行數(shù)字信號與時鐘周期的時間準(zhǔn)確對齊，這就使得在數(shù)字系統(tǒng)中的定時問題變得簡單化。自動定時教正功能是輸入電路中的自動定時緩沖器實現(xiàn)的，一般數(shù)字視頻設(shè)備均具有這種輸入自動定時教正功能。數(shù)字切換臺的自動定時窗口大約是幾十微秒，在自動定時窗口的可調(diào)范圍內(nèi)，自動定時窗口為所有輸入信號提供同樣的基準(zhǔn)，這樣，輸入信號都有一個對稱的定時窗口，若所有信號源都落在這個窗口內(nèi)，自動定時的特點就能使信號鎖定，并將輸入信號調(diào)整到精確狀態(tài)。所以，錄像機都可以直接接到切換臺上，這就大大簡化了系統(tǒng)調(diào)整，減少信號之間的定時誤差。
數(shù)字系統(tǒng)中，視頻信號經(jīng)過帶內(nèi)存儲器的設(shè)備后，相對于音頻尤其是模擬音頻信號會產(chǎn)生一定的延遲。一般來說，數(shù)字錄像機輸出的視音頻信號是同步的，切換臺的時延在幾行之間，而A/D、Ｄ/Ａ、幀同步機、制式轉(zhuǎn)換器等所產(chǎn)生的延遲一般是一幀。只要合理安排信號流程，視音頻信號之間的延遲可以控制在難以察覺的范圍內(nèi)。如能覺察到延遲，可在音頻系統(tǒng)輸出端加接延遲器，以拉齊視音頻信號的時延差。
數(shù)字演播室發(fā)展趨勢
1、多媒體和虛擬演播室
由于數(shù)字電視技術(shù)和計算機技術(shù)都是對0和1處理，使得電視技術(shù)和計算機技術(shù)能很好融為一體，非線性編輯、虛擬演播室，就是二者結(jié)合的產(chǎn)物。非線性是相對常規(guī)的線性編輯而言，它以計算機的可修改性。信號記錄的非順序性和操作方便性使得型號的插入、搜索等操作簡單快速。非線性系統(tǒng)編輯方式由于采用編輯菜單只對記錄在硬盤中的節(jié)目素材時間碼進行各種記錄操作而非直接對視頻信號進行合成，因此在經(jīng)過多次編輯之后信號質(zhì)量基本沒有損失。而進行線性編輯的模擬信號損失卻很大，且對磁頭有磨損，增加了節(jié)目制作的成本。所以非線性系統(tǒng)不失為進行節(jié)目制作的一種良好方式。非線性編輯系統(tǒng)包含了數(shù)字特技機、字幕機、編輯機、調(diào)音臺的功能。經(jīng)過非線性編輯系統(tǒng)制作的節(jié)目直接輸出到數(shù)字分量錄像機，也可以進行D/A轉(zhuǎn)換后輸出到傳統(tǒng)的模擬復(fù)合錄像機，更可存在硬盤中通過網(wǎng)絡(luò)直接送播控中心播出。隨著演播室數(shù)字化技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，錄像機在傳統(tǒng)節(jié)目制作環(huán)境中的核心地位正在被非線編系統(tǒng)打破。因此，數(shù)字化制作環(huán)境中，非線性編輯將起著 越來越重要的作用。虛擬演播室技術(shù)也已成為當(dāng)今電視技術(shù)的熱點，虛擬演播室利用計算機技術(shù)生成三維運動的或靜止的場景，成功地解決了前景與背景之間的透視關(guān)系、比例關(guān)系，使合成的圖像有極佳的立體效果，可以達到以假亂真的地步。虛擬演播室不僅能提供虛擬場景，還能讓表演者走入（出）三維場景內(nèi)，或者虛擬物體的后面。同樣場景內(nèi)的虛擬物體可運動到表演者的面前或周圍，這一點和傳統(tǒng)的色鍵摳像有很大的區(qū)別。虛擬演播室可以進行異地人物采訪。利用外來的視頻信號直接進入虛擬演播室系統(tǒng)，與現(xiàn)場主持人結(jié)合進行實時的、面對面的采訪。在虛擬場景中，對虛擬物體（道具）的增加、刪除、移位是很方便的（和三維建模軟件有關(guān)），這為臨時修改創(chuàng)意提供了極大的方便。不僅大大節(jié)約了演播室的制景經(jīng)費，而且使演播室資源得到了更充分的利用。
2、網(wǎng)絡(luò)化、智能化
演播室的網(wǎng)絡(luò)化，是與計算機數(shù)據(jù)壓縮、傳輸和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合的。按照這種技術(shù)，攝像機和話筒等前端信號獲取設(shè)備會將所得圖象和聲音信號直接轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并可以按照一定格式進行壓縮，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳給后繼設(shè)備，當(dāng)設(shè)備之間很近時，也可以選擇不壓縮而直接通過網(wǎng)絡(luò)傳送，使演播室網(wǎng)絡(luò)化。
隨著IT在節(jié)目制作中的廣泛應(yīng)用，為使制作更快捷，獲得更多的高質(zhì)量節(jié)目信息，數(shù)據(jù)處理和傳送技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。以往演播室的“數(shù)字島”技術(shù)已讓位于計算機集成網(wǎng)絡(luò)制作系統(tǒng)。已開發(fā)出大量的軟硬件產(chǎn)品，通過PC實現(xiàn)廣播質(zhì)量的視頻和音頻數(shù)據(jù)處理，新開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)基于光纖通道（FC）和串行存儲結(jié)構(gòu)（SSA）“多發(fā)送端”技術(shù)，可確保一組PC基工作站訪問共享普通磁盤存儲器的子系統(tǒng)，而不使用普通的視頻服務(wù)器，借助于經(jīng)濟的數(shù)據(jù)集線器，用戶計算機和共享磁盤存儲器的智能子系統(tǒng)之間已可實現(xiàn)高比特的通信（1G b/s），還有開發(fā)了適于節(jié)目制作應(yīng)用的智能單元布線的方式（銅纜和光纜）和合適的“多發(fā)送端”技術(shù)“服務(wù)器軟件”，以控制和管理數(shù)據(jù)，因而確保客戶機和共享磁盤存儲器子系統(tǒng)之間的實時同步對話。最后，“多發(fā)送端”技術(shù)確保有足夠的數(shù)據(jù)處理及傳送的技術(shù)容量。基于以上IT技術(shù)，實現(xiàn)演播室的無帶制作環(huán)境。
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