一、數(shù)字電視信號的產(chǎn)生基礎(chǔ)

在數(shù)字電視系統(tǒng)中，如何產(chǎn)生數(shù)字電視信號，并將其傳播出去，是實現(xiàn)數(shù)字電視完整體系的基礎(chǔ)之一。隨著新一代電視廣播的出現(xiàn)，廣播機構(gòu)已開始逐步采用數(shù)字?jǐn)z像機和數(shù)字錄像機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬設(shè)備。并且隨著新一代數(shù)字?jǐn)z錄設(shè)備的問世，廣播視頻領(lǐng)域和數(shù)字設(shè)備已經(jīng)逐漸成熟起來。例如，1996年初，索尼公司推出了一種演播室用的攝像系統(tǒng)，就為新型HDTV數(shù)字?jǐn)z像機奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。數(shù)字?jǐn)z錄設(shè)備的采用選型，主要是采用數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的數(shù)字?jǐn)z像機和數(shù)字錄像機，能夠為構(gòu)建一個從拍攝到制作到播出的完整電視系統(tǒng)提供必要的支持和條件。因為作為廣播業(yè)界，歷來都將圖像質(zhì)量放在首位，使其能夠達(dá)到CCIR601（ITU601）文件中所規(guī)定的廣播級演播室數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)。

我們現(xiàn)在知道：數(shù)字電視信號在作長距離傳輸、多次復(fù)制時都比模擬信號優(yōu)越得多，因為，它不會累加噪聲，同時也不會造成信號損失。數(shù)字電視信號，在影視畫面上的特技制作上，在同等帶寬通道內(nèi)的信息量傳輸上，也都比模擬電視信號要方便、經(jīng)濟得多。隨著當(dāng)今數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字處理攝像機、數(shù)字切換臺、數(shù)字特技機、硬盤編輯、記錄系統(tǒng)等許多數(shù)字電視設(shè)備在逐步進入電視臺，在不久的將來數(shù)字電視設(shè)備將占領(lǐng)電視臺，從而使數(shù)字電視代替模擬電視。

然而，從現(xiàn)實出發(fā)，我國各地電視臺所采用的電視設(shè)備，還普遍為模擬式，其傳輸、存儲、節(jié)目交換都是模擬信號，要進入數(shù)字化，還需一個過渡階段。例如，湖北省電視臺于1994年底利用裝一輛數(shù)字處理轉(zhuǎn)播車的方法，來作為由模擬向數(shù)字過渡的奠基。雖然目前轉(zhuǎn)播車的最后輸出應(yīng)是模擬復(fù)合信號，但隨著數(shù)字?jǐn)z像機和數(shù)字錄像機的進入，一輛較為全面的數(shù)字轉(zhuǎn)播車必將成為現(xiàn)實。

1.數(shù)字?jǐn)z像機

在傳統(tǒng)的模擬制彩色電視傳送的基本方案中，是根據(jù)三基色原理，在發(fā)送端把自然景物的彩色利用分色系統(tǒng)分解成紅、綠、藍(lán)三種基色，進而用三支攝像管把三基色的光圖像變換成相應(yīng)的三個電信號，通過有線或無線的形式傳送到接收端。攝像機所攝取自然景物的圖像首先通過物鏡，送到后面的分光鏡上，如圖1-2所示。分光鏡有D1、D2二只，D1只反射藍(lán)色光，并讓其余色光透過，所以彩色中的藍(lán)色光分量被分離出來，通過反射鏡B1投到下面的藍(lán)色光攝像管上。其余的色光透光分光鏡D1到達(dá)分光鏡D2。D2只反射紅色光而讓其余的綠色光透過。分離出的紅色光通過反射鏡B2投到上面的紅色光攝像管上。最后剩下的綠色光通過D2投到后面的綠色光攝像管上。分解后的三幅基色光圖像被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的三個電信號，再經(jīng)處理變換之后傳送出去，從而產(chǎn)生了模擬制彩色電視信號。

隨著數(shù)字電視地面廣播的實現(xiàn)，要求能夠產(chǎn)生數(shù)字全電視信號的攝像機系統(tǒng)也迫在眉睫。因此，將數(shù)字信號處理技術(shù)運用到攝像機領(lǐng)域，就形成了一個新的課題。隨之使用3只CCD攝像器件的3-CCD攝像機產(chǎn)生了。

什么是CCD器件呢？CCD是英Charge Coupled Device的縮寫詞，意為氧化物介質(zhì)電容，具有電荷轉(zhuǎn)移及延時特性。自1993年以來，日本NHK技術(shù)研究所利用3只CCD攝像器件形成的空間像素偏置技術(shù)，大大提高了HDTV攝像機的圖像質(zhì)量，從而新一代雙重綠色拾取方式的高清晰度攝像機問世了。這種雙重綠色拾方式被簡稱為DG拾取方式。其工作原理如圖1-3所示。人們經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)高清晰度電視，必須在彩色顯像管的色品圖進步的基礎(chǔ)上，使亮度議程：

Y=0.30ER+0.59EG+0.11EB

調(diào)整在Y=0.212ER+0.70EG+0.08EB上，因為高清晰度電視（HDTV）系統(tǒng)所用熒光粉中綠色的主波長移向人眼最靈敏段，在提高亮度方面起了相當(dāng)大的作用。

在如圖1-3所示的采用DG拾取方式的攝像機中，主要運用了使G1-CCD和G2-CCD相對移動1/2像素距離的空間像素偏置技術(shù)，使空間偏置圖像存在于兩個G信號CCD之間，從而完全消除了G通道中的寄生信號，明顯提高了G信號的清晰度。從上述高度方程中可以知道，在高清晰度電視系統(tǒng)中，[Page]G信號對亮度信號的影響是非常重要的，因此，改善G信號的質(zhì)量，將意味著提高亮度信號的質(zhì)量。而圖像分解力則是數(shù)字電視系統(tǒng)的重要參數(shù)，重建圖像的清晰度是數(shù)字圖像質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。

在DG拾取方式中，R和B信號并沒有發(fā)生圖像偏置技術(shù)，只是在光學(xué)低通濾波器的作用下，經(jīng)同一只CCD器件通過。因此R和B的寄生信號還直接影響亮度信號的質(zhì)量。為了解決這種3-CCD攝像機中所存在的不足，日本池上公司又推出了一種新型4-CCD攝像機。它是在3-CCD基礎(chǔ)上將R和B信號用2只CCD器件拾取改進而成的。其基本原理示意圖如圖1-4所示。

在4-CCD攝像機中，G1CCD與G2CCD之間仍然保持空間位移設(shè)置。但與此同時，G1CCD與RCGD形成對應(yīng)，G2CCD與BCCD與形成對應(yīng)。RCCD與BCCD之間也存在了圖像偏置。這種新型的CCD的布局，使空間偏置圖像技術(shù)得以完善。因此，4-CCD攝像系統(tǒng)較3-CCD更為理想。

由于在4-CCD攝像機中，首次實現(xiàn)了RCCD與BCCD之間的圖像偏置，使R和B分量之間也彼此抵消寄生信號，人而使攝像機視頻通道中的寄生信號可以在更寬的范圍內(nèi)被消除。

4-CCD攝像機的出現(xiàn)有效地提高了HDTV攝像機的圖像質(zhì)量。由于它使用了4只CCD攝像器件，可以使每幅畫面上的像素提高到130萬個，使攝像機輸出水平可以達(dá)到1200TVL，為數(shù)字圖像的壓縮偏碼奠定了堅實基礎(chǔ)。

2.數(shù)字錄像機

自從廣播電視誕生以來，圖像質(zhì)量一直是人們最關(guān)心的問題。為了提高圖像質(zhì)量，人們不斷努力去開發(fā)研制數(shù)字錄像機。

前幾年由于硬盤錄像機以及非線性編輯系統(tǒng)的開發(fā)成功，使廣播業(yè)界一時間炒得很熱。但由于硬盤價格較貴，視頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不成熟，而且又不能取代電視臺以磁帶為主體的格局，這樣數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的數(shù)字錄像機，便提到了議事日程的首位。

目前日本索尼公司、松下公司、勝利公司已生產(chǎn)出了數(shù)字磁帶錄像機，并且以數(shù)字磁帶錄像機為龍頭的整個數(shù)字視頻系統(tǒng)引入廣播電視界已經(jīng)走向成熟。在廣播電視領(lǐng)域中，由攝像機攝取的活動圖像，一般都要在演播室進行加工處理，因此，錄像機就起了節(jié)目制作的重要作用。

數(shù)字錄像機作為廣播電視領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是為取得高精度編輯的效果，迷就要求數(shù)字錄像機必須有可靠的高速磁鼓轉(zhuǎn)速（4500-9000r/min）和處理高比特流（18-50mb/s）的能力，以及必要的技術(shù)指標(biāo)。例如，目前索尼公司Betacam-sx格式錄像機的主要技術(shù)指標(biāo)有：

1.亮度信號（Y）取樣率：13.5MHz。

2.Y/R-Y、B-Y取樣比：4:2:2

3.量化比特：8bit.

4.壓縮方式：MPEG-2

5.壓縮比：10：1

6.數(shù)據(jù)率：18mb/s

7.音頻：16b/48kHz,4通道

在上述指標(biāo)中，亮度信號（Y）的取樣率13.5MHz是依據(jù)CCIR601文件所規(guī)定的國際取樣頻率標(biāo)準(zhǔn)確定的。為了衡量數(shù)字視頻信號是否達(dá)到廣播級標(biāo)準(zhǔn)，在CCIR601文件中還規(guī)定了亮度信號與色度信號R-Y、B-Y的取樣比，這個比值即為4:2:2。量化比特也是由CCIR601文件所規(guī)定的，但它后來修改為10bit。

在上述指標(biāo)中，由于彩了10:1壓縮，使得數(shù)據(jù)率較低，這樣不僅保持了較好的黑種人質(zhì)量，而且有利于錄像機的整體設(shè)計。因為錄像機在節(jié)目制作中有著十分重要的作用，所以錄像機的格式必須有十分良好的可編輯性。

在目前的數(shù)字錄像機中，除索尼Betacam-sx格式外，還有DVCAM格式，以及松下公司的DVCPRO格式、勝利公司的Digital-s格式等。它們在某些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上略有一些差異，但其取樣率都是13.5MHz。鑒于在本書中數(shù)字錄像機只是作為對數(shù)字電視整體的了解，因此，對其他格式的錄像機京不再予以介紹，望讀者見諒。

索尼Betacam-sx格式的錄像機，主要采用了幀間壓縮技術(shù)，它可以使幀精度編輯效果十分突出，為剪輯工作提供了極大方便及可靠性。

在數(shù)字錄像機中，常有基帶比特流和壓縮比特流兩種編輯方式。所謂基帶比特流編輯，是將壓縮后的數(shù)據(jù)解壓后進行編輯和記錄，而壓縮比特流編輯是在不解壓的情況下直接利用壓縮比特流進行編輯。對于兩者的分析與比較，這里就不再分析介紹，因為它已遠(yuǎn)離電視維修知識的了解范圍了。[Page]

總之?dāng)?shù)字錄像機對整個數(shù)字化電視體系起著關(guān)鍵性的重要作用。

3.數(shù)字?jǐn)z錄機

隨著科學(xué)技校的不斷發(fā)展，攝像機和錄像機正在向一體化方向發(fā)展。目前日本索尼公司、松下公司、勝利公司、夏普公司以及韓國的LG公司已有數(shù)字?jǐn)z錄機推出。例如，1995年9月日本索尼公司推出的DCR-JX1000型數(shù)字?jǐn)z錄機采用了分量記錄系統(tǒng)分別記錄寬帶亮度分量Y和色度分量R-Y、B-Y信號，具有3倍于模擬視頻的色度區(qū)域，其主要數(shù)字視頻規(guī)格有：

1.信號系統(tǒng)格式：北美和日本的NTSC標(biāo)準(zhǔn)信號制式。

2.磁帶：6.35mm數(shù)字視頻盒帶。

3.記錄時間：60min

4.攝像器件：3只8.47mm(1/3英寸)CCD,41萬像素。

5.錄像器：17.78mm(0.7英寸)彩色LCD系統(tǒng)，18萬像素。

6.變倍鏡頭：F1.6(f5.9-59mm)

7.最低照度：8Lx。

8.音頻記錄格式：數(shù)字16bit,48kHz;(立體聲)12bit,32kHz.

9.外形尺寸：329mm×110mm×144mm

10.主機重量:1.4kg.

11.電池:NP-710

這種采用數(shù)字磁帶記錄的小型攝錄機,極大地推進了消費電子數(shù)字化的進程,同時不僅應(yīng)用于娛樂,而且也十分適宜信息應(yīng)用.數(shù)字?jǐn)z錄機的數(shù)字能力,可同個人計算機和通信系統(tǒng)結(jié)合使用,為處理和傳送圖像數(shù)據(jù)開辟新途徑.消費用數(shù)字?jǐn)z錄機系統(tǒng)可以25Mb/s的極快速度傳送視頻數(shù)據(jù),保證了同未來設(shè)備和系統(tǒng)的兼容性.這種小型數(shù)字?jǐn)z錄機所用數(shù)字盒帶可以存儲11GB數(shù)據(jù),因此具有很大的圖像數(shù)據(jù)存儲量.

隨著計算機技術(shù)的全面普及與應(yīng)用,1995年,美國、日本、德國又先后研制出了以計算機硬盤為記錄媒體的數(shù)字?jǐn)z錄機和計算機編輯系統(tǒng)，使全新的電視節(jié)目制作編輯方式數(shù)字非線性編輯技術(shù)成為實現(xiàn)，從而形成了用數(shù)字化攝錄機記錄的，以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)壓縮的32bit數(shù)字圖像信號。

4.數(shù)字式錄像磁帶

隨著數(shù)字?jǐn)z錄像機的出現(xiàn)，與之相適應(yīng)的數(shù)字磁帶也同時產(chǎn)生，它是用Multi Puretron材料蒸涂制作而成的。其記錄密度為VHS磁帶的六七倍，可記錄和重放精細(xì)清晰的圖像和具有臨場感的聲音。因此，它可以提供極優(yōu)的高密度數(shù)字信號輸出。

在國外，國在DVCAM磁帶中裝上了16kb或4kb的半導(dǎo)體存儲器，所以常把數(shù)字式錄像帶盒稱為錄像帶盒存儲器。它可以配合數(shù)字處理攝錄一體機在拍攝過程中形成由攝像開始就參與非線性編輯，從而完成在拍攝進程中自動生成索引畫面和記錄數(shù)據(jù)的兩類常用信息。

所謂索引畫面，是指在攝錄活動畫面的同時，每一個鏡頭的入點靜幀畫面都經(jīng)過縮小到原來的1/64面積之后，形成小的靜止畫面。在裝有16kb帶盒存儲器的DVCAM錄像帶上可記錄198幅索引畫面，而裝有4kb帶盒存儲器的DV錄像帶上可記錄45幅索引畫面。這些索引畫面住處全部記錄在磁帶最后一段素材的尾部。

所謂記錄數(shù)據(jù)，是指對拍攝時出現(xiàn)的場號、次號、入點/出點、時碼等許多十分重要信息進行的數(shù)據(jù)記錄，并存放在帶盒存儲器中。

由于數(shù)字式錄像帶盒能夠產(chǎn)生上述兩種信息，而這種兩種信息的建立，會使DVCAM錄像機在讀取記錄數(shù)據(jù)的同時，可使顯示屏上顯示出相應(yīng)的索引畫面。這就為編輯提供了可靠數(shù)據(jù)，從而大大減少了傳統(tǒng)編輯過程中查看所有磁帶，進行鏡頭剪輯、編輯、拷貝等所耗費的時間。

由于有數(shù)字式錄像帶盒，便完全可以改變傳統(tǒng)的編輯模式。并且，從攝錄一體機到錄像機以及非線性編輯系統(tǒng)，全部采用相同的離散余弦變換的壓縮方式，信號可以通過QSDI這一數(shù)字接口以四倍的速度傳輸，形成了一個全數(shù)字化鏈，它的最大特點還在于數(shù)碼流在反復(fù)的壓縮/解壓縮中不會有任何的信號損失，保證在拷貝過程中視頻圖像質(zhì)量不會降低。因此，數(shù)字式錄像帶盒將會完全取代目前普通的錄像帶盒。

5.數(shù)字性線性編輯

所謂數(shù)字非線性編輯，是一種應(yīng)用計算機技術(shù)使視頻信號A/D量化記錄，編輯鏈路以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進行壓縮信號，以圖表方式檢索素材，編輯過程由計算機自動處理完成為特征的全新視頻制作技術(shù)。我們知道，在傳統(tǒng)的模擬線性編輯技術(shù)中，是利用攝錄機、編輯機等對模擬視頻信號進行攝取、加工的過程。通過剪輯、復(fù)制處理，最后形成了一條組合了視、音頻磁跡的模擬信號集合。這種傳統(tǒng)的模擬線性編輯技術(shù)，對素材先后次序不能進行隨心所欲的調(diào)整與排序，不能隨意進行插入非等長于原[Page]CTL的畫面等操作，從而極大地限制了節(jié)目制作的靈活性與方便性。數(shù)字非線性編輯技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了傳統(tǒng)線性編輯中所存在的一系列問題。

數(shù)字非線性編輯技術(shù)具有以下最為明顯的優(yōu)點：

（1）數(shù)字非線性編輯系統(tǒng)全部的工作過程均以32bit數(shù)字量化壓縮算法完成，因此視頻信號處理鏈路基本不受外界噪波干擾，沒有傳統(tǒng)模擬線性編輯過程中的打火、失落、跟蹤不良現(xiàn)象產(chǎn)生，圖像質(zhì)量高。

（2）由于是數(shù)字信號的編輯，所以圖像質(zhì)量不會因設(shè)備的新舊而出現(xiàn)大的差別。

（3）制作節(jié)目快捷，高效。

（4）節(jié)小機時，設(shè)備使用壽命長。傳統(tǒng)的視頻磁頭壽命為500-1000小時，計算機硬盤為300000小時。

（5）硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化，適應(yīng)多種編輯軟件，可隨意制作多種ADO特技，增加節(jié)目的可看性。

（6）具備多代拷貝而才劣化的特點。

（7）由于編輯系統(tǒng)基于計算機技術(shù)，易于構(gòu)建大型甚至全球視頻網(wǎng)絡(luò)，從而使節(jié)目的交換及素材資料資源共享成為可能。

（8）由于視頻和音頻均可以被采集和量化，因而還可以應(yīng)用靜幀凍結(jié)技術(shù)，制作出多彩多姿的圖像電子郵件或軟件封面，在多媒體制作領(lǐng)域中加以應(yīng)用，

（9）設(shè)備體積小，便攜性能好，易于掛接計算機互聯(lián)風(fēng)格，編輯、傳輸工作可以隨時隨地進行。

數(shù)字非線性編輯技術(shù)的硬件基礎(chǔ)是基于以高速CPU，SCSI硬盤陣列、高效動態(tài)視頻圖形采集壓縮編碼處理器等為特征的計算機編輯系統(tǒng)，其軟件基礎(chǔ)多是以UNIX、WINDOWS、OS/2為平臺開發(fā)的各種圖形、圖像編播制作系統(tǒng)。由于素材信息的標(biāo)識地址在硬盤中的排序是隨機的，因此編輯人員可以對其進行任意調(diào)用、編輯，并加入多種多樣的ADO數(shù)字特技，用ALPHA通道，組織多達(dá)十余層的動態(tài)疊加畫面，每層畫面中還可以獨立應(yīng)用多種濾波特技，形成多種綏繁復(fù)雜的影視形像。編輯人員無需考慮素材在硬盤物理地址中的先后順序與長度，無需考慮圖像拷貝修改的次數(shù)與質(zhì)量，當(dāng)編輯圖表輸入、排序后，這些長達(dá)數(shù)小時的圖像素材便由計算機自動進行編輯、重放，錄制，無需人來干預(yù)。

總之，數(shù)字非線性編輯技術(shù)的興起給習(xí)慣于傳統(tǒng)線性編輯方式的電視工作者帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，迫使在視頻制作領(lǐng)域撳起了一場新的革命。

6.數(shù)碼流的壓縮技術(shù)

隨著數(shù)字化電視技術(shù)的興起，在我國由模擬制向數(shù)字化過渡中的一些標(biāo)準(zhǔn)問題，已擺在通向數(shù)字化的路口。根據(jù)最新數(shù)字技術(shù)及數(shù)字設(shè)備的特點，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，將是數(shù)字化后的電視信號能否正常播出與傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。因為，由于計算機技術(shù)以及磁盤和網(wǎng)絡(luò)/服務(wù)器的非線性編輯技術(shù)，將使數(shù)字化后的電視信號數(shù)據(jù)量極大，使1秒時間內(nèi)的視頻圖像占據(jù)27MB，碼率高達(dá)216Mbps，對硬件要求十分嚴(yán)格。

目前，在廣播電視領(lǐng)域，數(shù)字壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有依據(jù)1982年國際上制定的CCIR601建議書中所確定的能實現(xiàn)PAL和NTSC兩種制式兼容的4:2:2分量編碼標(biāo)準(zhǔn)而實行的MJPEG和MPEG-2兩種方式。

（1）JPEG是對靜止圖像采用幀內(nèi)編碼壓縮，M-JPEG是把運動的視頻序列作為連續(xù)的“靜止圖像”來處理，如以每秒25幀的速度來完成對靜止圖像壓縮。這種壓縮方式只對幀內(nèi)的空間冗余進行壓縮不對幀間的時間冗余進行壓縮，因此，其壓縮效率不高。但這種壓縮方式單獨、完整地壓縮每一幀，在編輯過程中可隨機存取任意幀，精確到幀的編輯。MJPEG的壓縮和解壓縮是對稱的，可由相同的硬件和軟件實現(xiàn)。

M-JPEG方式在廣播播級，圖像質(zhì)量為D1、D5時的壓縮比為1，碼率為165.6Mbps，存儲時間為0.8min/GB；在專業(yè)級，圖像質(zhì)量為S-VHS，HIB時的壓縮比為8，碼率為20.7Mbps，存儲時間為6.46min/GB

（2）MPEG-2是一種應(yīng)用運動補償幀間預(yù)測與離散余弦變換的編碼，在編碼時，圖像序列被分為I幀、P幀和B幀，然后對其采取不同的壓縮編碼方式。其中：I幀為幀內(nèi)編碼幀；P幀為前向預(yù)測編碼幀；B幀為雙向預(yù)測幀。

在幀間預(yù)測壓縮中，以若干幀圖像作為一個GOP（圖像組）進行處理時，視頻圖像的幀數(shù)愈多，同等壓縮比下圖像質(zhì)量就愈高。但是它對后期制作中隨機存取某一幀不利。[Page]

MPEG-2與M-JPEG相比較，最為突出的特點是：在處理圖像的“簡單”與“復(fù)雜”區(qū)域能自動變換壓縮率，在同一幀內(nèi)使用不同的壓縮比，而在M-JPEG中，同一幀內(nèi)必須使用用一壓縮比。同時，在壓縮成丁同像質(zhì)量的條件下，MPEG-2圖像所占的空間只是M-JPEG圖像的10~-15%，因此，在圖像采集、制作、傳輸、播出各領(lǐng)域中，MPEG-2已是主流壓縮格式。

1996年1月，國際慕尼黑會議確認(rèn)了具有高廣播圖像質(zhì)量和高編輯精度的MPEG-2MP@ML標(biāo)準(zhǔn)。它更能夠容許較短的GOP，使之適應(yīng)于節(jié)目制作的精確編輯。