由幀頻轉換技術看不同高清電視系統(tǒng)的差別

韓振雷，侯慶來

（山東理工大學 計算機學院，山東 淄博 255049）

1 高清電視系統(tǒng)規(guī)格簡介

根據(jù)分辨力不同，高清電視系統(tǒng)可分為兩種：1080系統(tǒng)和720系統(tǒng)。1080系統(tǒng)有1 920×1 080和1 440×1 080兩種規(guī)格，另外有1 080i和1 080p兩種掃描方式。720系統(tǒng)只有1 280×720一種規(guī)格且只有720p一種逐行掃描方式。除此之外，兩種高清系統(tǒng)分別采用了不同的下拉變換技術，其輸出信號的格式不同——720系統(tǒng)輸出信號的幀結構是標準的逐行幀，而1080系統(tǒng)在逐行模式下輸出的是具有隔行特征的“分段幀”。表1給出了兩種高清電視系統(tǒng)的部分技術規(guī)格[1-2]，其中29.97，59.94，60均指NTSC電視系統(tǒng)，25和50為PAL電視系統(tǒng)，23.98 f/s（幀/秒）是拍攝數(shù)字電影的幀速率標準。“i”表示隔行，“p”表示逐行，PsF意為來自逐行幀的分段幀。

表1 兩種高清電視系統(tǒng)的部分視頻規(guī)格

下面以下拉變換技術為主線，剖析兩種高清電視系統(tǒng)的主要區(qū)別。

2 1080高清系統(tǒng)的2∶2下拉變換

表中的2∶2是2∶2 Pull down的簡寫，意為2∶2下拉變換，其作用是實現(xiàn)單位時間內畫面數(shù)量的倍增。逐行掃描有很多優(yōu)點，但也存在相同條件下數(shù)據(jù)碼流是隔行掃描2倍的缺點。對于1 920×1 080的高清格式，如果采用50 f/s（PAL制）或59.94 f/s（NTSC制）的高幀率模式，由于數(shù)據(jù)碼率太高，目前還不被現(xiàn)有技術和設備所支持。但是如果攝像機以25 f/s（PAL制）或29.97 f/s（NTSC制）記錄并輸出逐行信號，由于刷新頻率太低，在視頻回放時畫面不流暢，頓挫感嚴重。通過2∶2下拉變換，在保持逐行信號優(yōu)點的同時，可使畫面的刷新頻率提高一倍，保證了回放時的畫面流暢，在存儲、編輯、傳輸和顯示等方面，極大地降低了對技術和設備的要求。

1080系統(tǒng)采用幀拆分方式進行2∶2下拉變換，基本原理是將一幀畫面的所有奇數(shù)行和偶數(shù)行進行拆分，使一個逐行幀變?yōu)閮蓚€分段幀——一個類似隔行掃描奇數(shù)場的奇數(shù)行分段幀和一個類似偶數(shù)場的偶數(shù)行分段幀，這樣就可以將25p或29.97p的逐行信號轉換為50i或59.94i的“隔行”信號，圖像的數(shù)據(jù)量、解析度及同等存儲容量下的記錄時間均保持不變，但刷新頻率得以倍增，逐行信號的優(yōu)點得以繼承，并且在后期編輯可以很容易地通過合并兩個相鄰的分段幀恢復原始的逐行幀，變換原理如圖1所示。

這里的50i和59.94i是在25p和29.97p的基礎上，將一個逐行幀拆分成兩個具有隔行特征的分段幀而得來的，這樣的信號并不是真正的隔行信號，因為拆分后的兩場內容是來自同一幀畫面，兩者的信息幾乎完全相同，原來相鄰的兩個圖像行雖然被拆分到兩個幀結構中，但回放時兩者在空間位置上仍然是相鄰的圖像行，相鄰行之間的時間差是系統(tǒng)掃描的行周期，時間為微秒級，非常短暫，可以忽略不計。如果是真正的隔行信號，回放時在空間位置上相鄰的圖像行之間的時間差是系統(tǒng)掃描的場周期，時間是毫秒級，當水平方向上畫面快速運動時，在逐行顯示的終端上就會出現(xiàn)明顯的鼠齒（Mouse Teeth）現(xiàn)象。另外，通過幀拆分而產生的分段幀信號在播放時不會出現(xiàn)原生隔行信號常見的行間閃爍（Interline Twitter）現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)由于并行原因而導致的垂直分辨力下降問題。因此，通過幀拆分下拉變換而產生的50i或59.94i分段幀信號，雖然具有隔行信號的形式特征，但卻仍然保持著逐行信號的屬性和優(yōu)點。

如果輸出、記錄的均是拆分變換后的50i或59.94i的分段幀信號，這樣的記錄格式即29.97p over 59.94i或25p over 50i，輸出格式則稱為29.97 PsF over 59.94i或25 PsF over 50i；如果輸出格式不變，而記錄的是拆分前的25p或29.97p逐行幀信號，那么其記錄格式是29.97p-29.97pN或25p-25pN，字母N指“Native”，即記錄的是原生逐行幀。

事實上，通過幀拆分產生的兩個分段幀，既不是傳統(tǒng)意義上基于隔行掃描的奇數(shù)場或偶數(shù)場，也不再是一個標準的逐行幀。在松下和索尼的攝像機上，將這種由逐行幀拆分而產生的分段幀叫做Progressive segmented Frame[3]，意即將逐行幀拆分而成的片斷幀，縮寫為PsF，或干脆進一步縮寫為sF。將逐行幀拆分為分段幀是一種隔行化（Interlacing）處理手段，通過下拉變換分別將畫面刷新頻率從29.97 Hz（NTSC制）和25 Hz（PAL制）倍增到59.94 Hz和50 Hz，根本目的是提高畫面的刷新頻率，克服回放時畫面的頓挫現(xiàn)象。

3 1080高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換

1080高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換也是采用幀拆分方式，原理如圖2所示（含上拉變換）。

圖2中，A，B，C，D為4個原始的逐行幀。幀拆分的過程是：A逐行幀拆分為一個奇數(shù)行分段幀Ao和偶數(shù)行分段幀Ae；B逐行幀拆分為一個奇數(shù)行分段幀Bo和偶數(shù)行分段幀Be，然后再復制一個奇數(shù)行分段幀Bo；C幀也是拆為Ce和Co兩個分段幀；D幀和B幀拆分情況類似，只是分段幀的順序稍有不同。這樣，4個原始的逐行幀就拆分為10個具有隔行特征的分段幀，其中5個奇數(shù)行分段幀，5個偶數(shù)行分段幀，且奇、偶分段幀正好交錯相連，在后期編輯時可以很方便地將相鄰的兩個分段幀合并，恢復為符合NTSC標準的逐行電視信號，這一過程叫做反2∶3下拉變換或2∶3上拉變換（Pull up）。由于變換過程是以4個原始幀為周期，以2∶3∶2∶3的規(guī)律循環(huán)變化，所以簡稱為2∶3下拉變換，變換的結果是將23.98p的電影格式變換為59.94i的NTSC制電視標準，與現(xiàn)有的NTSC制隔行電視系統(tǒng)完全兼容。從表1可以看出，不管是哪一種高清系統(tǒng)，2∶3下拉變換僅適用于電影標準到NTSC制電視標準的轉換，另外這種變換與50 Hz的PAL制電視系統(tǒng)完全沒有關系。1080高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換輸出格式均為23.98 PsF over 59.94i，但記錄格式也有23.98p over 59.94i（記錄PsF分段幀）和23.98p-23.98pN（記錄原生逐行幀）兩種情況。

4 720高清系統(tǒng)的2∶2下拉變換

720高清系統(tǒng)的2∶2下拉變換不是采用幀拆分方式，而是采用了更為簡單的幀復制方式——通過直接復制每一幀原始逐行畫面，從而產生數(shù)量倍增的逐行幀，達到刷新頻率提高一倍的目的，其本質是一種幀倍頻技術，變換原理如圖3所示。

幀復制方式的2∶2下拉變換，變換前后都是標準的逐行幀，可以將25p或29.97p的逐行幀轉換為50p或59.94p的逐行幀，與此同時，數(shù)據(jù)的碼率也增大了1倍，同等存儲容量的記錄時間縮短1倍，對應的行掃描頻率也提高1倍。

720系統(tǒng)的輸出幀速為50 f/s（PAL制）或59.94 f/s（NTSC制），在記錄方面則有兩種情況，一種是只記錄2∶2變換前的原始逐行幀，即25p-25pN或29.97p-29.97pN的原生記錄格式，另一種是直接以50p或59.94p進行拍攝并記錄，這種情況輸出畫面不需要進行倍頻處理即可獲得流暢的回放效果。嚴格說來，這才是真正的720p高清格式，缺點是同等條件下，數(shù)據(jù)碼率增大一倍，對記錄、編輯、傳輸?shù)忍岢隽烁叩囊蟆?/p>

5 720高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換

720高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換也是采用簡單的幀復制方式，基本原理與幀拆分方式的2:3下拉變換一樣，也是以4個原始幀為循環(huán)周期，幀復制的規(guī)律是2∶3∶2∶3…，變換的結果是將23.98p的電影標準變換為59.94p的NTSC制逐行電視標準，變換前后的畫面均為逐行幀，但變換后的數(shù)據(jù)量是變換前的2.5倍。720高清系統(tǒng)的2∶3下拉變換只記錄23.98p的有效原生幀，另外這種下拉變換也和PAL制電視系統(tǒng)沒有關系。限于篇幅，示意圖從略。

6 結束語

綜上所述，1080系統(tǒng)以幀拆分方式進行下拉變換，輸出畫面的幀率提高以后，數(shù)據(jù)碼率與變換前及同等頻率的原生隔行信號完全一樣。720系統(tǒng)以幀復制方式進行下拉變換，變換后的幀率提高以后，數(shù)據(jù)碼率等也相應地提高1倍（2∶2下拉變換）或1倍以上（2∶3下拉變換）。換句話說，PsF分段幀只出現(xiàn)在1080系統(tǒng)中，720系統(tǒng)不需要幀拆分技術。表2是索尼BVM-L231廣播級主控監(jiān)視器的部分技術規(guī)格及對應的國際標準，通過對其解讀不難理解為什么兩種高清系統(tǒng)會存在這一差別。

從表2可以看出，1 920×1 080/50p和1 920×1 080/60p兩種高清系統(tǒng)，和幀速低1倍的其他1080系統(tǒng)標準相比，需要高1倍的水平掃描頻率，另外其傳輸接口的采樣頻率、系統(tǒng)碼率等也都需要提高1倍，這對存儲、編輯、傳輸和顯示等諸多環(huán)節(jié)都提出了極高要求。再就是，1 920×1 080/50p和1 920×1 080/60p兩種高清標準，在10 bit量化，4∶2∶2采樣時，必須通過雙鏈路HD-SDI或3G-SDI高清數(shù)字接口才能正常傳輸（其他高清標準只有在4∶4∶4采樣時，才需要雙鏈路HD-SDI或3G-SDI接口傳輸，這種采樣結構只出現(xiàn)在個別的專門面向數(shù)字電影發(fā)布的頂級攝像機中），而一般的編輯系統(tǒng)和顯示終端是不支持這類接口的。因此，考慮到技術、成本等因素，目前各國的高清電視標準都不支持1080高清系統(tǒng)的50p/60p格式。通過幀拆分變換技術將逐行幀變換為分段幀，既可保持數(shù)據(jù)碼率、采樣頻率、掃描頻率不變，又提高了刷新頻率，在記錄、編輯、傳輸、顯示等方面與現(xiàn)有的隔行系統(tǒng)完全兼容。因此，通過2∶2或2∶3下拉變換技術，將逐行幀拆分為具有隔行特征同時又保留逐行優(yōu)勢的分段幀，無疑是一種科學而現(xiàn)實的“權宜之計”。至于720系統(tǒng)，由于其分辨力及每幀畫面的像素數(shù)相對要低得多，即使采用50p/60p的高幀率格式，其數(shù)據(jù)碼率、采樣及掃描頻率等也和低1倍幀率的1080系統(tǒng)相差無幾，完全被現(xiàn)有技術和設備所支持。因此，高幀率的720p高清系統(tǒng)除分辨力不占優(yōu)勢外，其他方面的表現(xiàn)略優(yōu)于1080系統(tǒng)。這也是兩種高清系統(tǒng)并存，分別為不同國家所采用的主要原因。

表2 兩種高清系統(tǒng)的部分技術規(guī)格及對應標準

[1]松下電器（中國）有限公司.AJ-HPX3700MC、AJ-HPX2700MC產品目錄[EB/OL].[2010-08-11].http：//panasonic.cn/support/download/4939.

[2]韓振雷.XDCAM無帶化存儲攝像機的技術規(guī)格及應用選型[J].電視技術，2009，33（6）：74-76.

[3]Progressive segmented frame[EB/OL].[2010-08-11].http：//en.wikipedia.org/wiki/Progressive_segmented_frame.