河南电视台都市频道技术部 焦欣然
2005年中南地区电视技术年会优秀论文三等奖 提要： 本文介绍了现有的高清技术以及高清技术在各个领域的运用，如在广播电视、资料片、记录片、医学等领域的应用.... 本文是作者对高清技术发展过程中一些问题的思考，主要说明高清的出现不仅仅是技术的更迭，更重要的是它将对各行业，特别是中国电视行业原有的运行流程发生深刻变化。
关键词： HDTV、标清、数字电视 目前我们大家所看到的电视和DVD节目虽然内容精彩，可惜总感觉和电影院中相差甚远，清晰度就是其中最重要的区别，特别是大屏幕电视普及后，标清显得越发力不从心了,大尺寸显示屏幕是高清节目需求的主要推动力，观看者对单位显示面积的像素数不足表现出明显的不满足，这样就促进了HDTV的发展，那下面我们就先来讲讲什么是HDTV：
一、什么是HDTV？
要解释清楚什么是HDTV，我们首先要了解数字电视（DTV）。数字电视，是指从演播室到发射、传输、接收过程中的所有环节都是使用数字电视信号，或对该系统所有的信号传播都通过由二进制数字所构成的数字流来完成。数字信号的传播速率为每秒19.39MBPS，如此大的数据流传输速度保证了数字电视的清晰度，克服了模拟电视的先天不足。同时，由于数字电视可以允许几种制式信号的同时存在，因此每个数字频道下又可分为若干个子频道，能够满足以后频道不断增多的需求。数字电视在这里是广义的概念，数字电视系统可按节目制作，一次分配、二次分配、发送和接收分类；也可以按卫星传输系统，地面传输系统和有线电视传输系统分类；或按消费类、专业类和演播室数字设备分类；或按低清晰度、常规清晰度和高清晰度业务分类。因此市场上会出现多种多样的数字电视系统和设备。HDTV是DTV标准中最高的一种，即High Definision TV(高清晰度数字电视)，故而称为HDTV。
按照国际电信联盟CCIR（ITU-R）的定义，高清晰度电视应是这样一个系统，即一个具有正常视觉的观众在距该系统显示屏高度的3倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或表演时所得到的质量。这就要求HDTV图像的水平与垂直分解力较常规电视都提高1倍以上，其图像有效扫描线在1000行以上，每行有效像素达1920个像素，信息是常规电视的5倍多。其显示屏宽高比为16:9，水平视角30度，更符合人们的视觉特性。其图像质量可与35mm电影首映质量媲美，其伴音则采用多个声道，如可采用5个声道（左、中、右、左后、右后），具有环绕立体声效果，并可加一个重低音声道，每个声道的收听质量与激光唱盘（CD）相当。
我们都知道数字电视的图像清晰度可以用每一扫描行的有效像素数及每帧图像的有效扫描行数来表示。这两个数越大，表示清晰度越高。CCIR-601所规定的图像清晰度即是标准清晰度（标清）电视（SDTV）的参数，每一扫描行有720个有效像素，而每一帧的有效扫描行数对于525/60及625/50两种制式分别为480行及576行。SDTV（500-600线）即标准清晰度电视，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图像质量为演播室水平；LDTV（200-300线）即普通清晰度电视，主要是对应现有VCD的分辨率量级。从视觉效果来看，数字 HDTV（High Definition Television）图像质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平，它将500多线的视频画面提升到1080线的清晰度，加上高清的16:9宽屏幕模式，意味着你能看到几倍于原标清节目的细节。举例来讲，在标清的画面中你只能看到演员的眉毛、眼睛；但是在高清的画面下，你差不多能数清楚演员眼睫毛的根数了。从下图就可以很清楚的看出标清和高清图象质量的明显区别：
上图为HDTV的画面? 下图是 SDTV的画面 目前，我国的数字高清标准尚未出台。美国、欧洲和日本各自形成三种不同的数字电视标准：即以美国为代表的ATSC、以欧洲为典型的DVB-T和由欧洲的DVB-T衍生出来的集中在日本的ISDB-T。由于HDTV信号传输带宽的要求很高，因此一个实用的HDTV制式就可能依据于数字电视技术的解决方案。
美国电影电视工程师协会确定的高清标准格式分别为1280×720p/60、1920×1080i/60和1920×1080p/60，其中1080P被称为目前数字电视的顶级显示格式，这种格式的电视在逐行扫描下能够达到1920×1080的分辨率；日本基本上与美国相同；欧洲倾向于1920X1080i/50；其中720p需要的行频支持为45kHz，而1080i/60Hz的行频支持只需33.75kHz，1080i/50Hz的行频要求就更低了，仅为28.125kHz。其中i是隔行扫描，p是逐行扫描。如果同是60Hz，1080i采用了隔行扫描的方式，每秒钟在奇数行和偶数行交错提供30幅画面，所以1080i模式下的画面会感觉有些闪烁。而720P采用了逐行扫描的方式，要比隔行扫描的画面更稳定，更不闪烁，效果更好。我们可以算一下，欧洲的标准1080i（隔行）实际上折算后，效果只相当于540p（逐行）。
高清技术简介及其运用 :
一般来说，目前世界上只有60英寸以上的显示屏才能够显示出1920×1080的信号。现在市场上出现的所谓1080P高清数字电视并不能真正给消费者带来1920×1080的图像，这些彩电只是能够接收和处理1920×1080格式的信号而已，但是显示出来的效果是什么样子则很难说。而目前各厂家纷纷炒作的1080P顶级高清数字电视概念，在现有技术条件下很难实现，因为无论是 我国各电视台的信号源，还是这些厂商生产出来的显示屏，都无法做到这个标准。
二、高清技术在各个领域的运用
1、高清使节目的制作过程发生改变
不管HDTV是否已经开播，它已经使电视台设备投资观念发生了变化。对于一些电视剧、重要综艺节目的拍摄，以往的DVW已经不能满足需求，制片人更愿意选择高清拍摄，一次投资，可以获得高清、标清(PAL/NTSC)多版本回报。在高清到来之前，人们已经在标清的画面下生活了几十年，特别是电视台和电影厂的工作人员，已经熟悉了标清节目拍摄和制作的全过程，一旦上升到高清，特别是1080i以上的高清规格后，一切熟悉的环节都要推倒重来，这也意味着拍摄高清节目的投资将大幅度增加，在高清摄像机面前，演员的化妆、布景方式都要重新进行改变。首先，高清节目拍摄的时候，对灯光要求特别高，清晰度高了，体现高清的层次感特别明显，一幅漂亮的构图对灯光的层次要求很高，传统手法拍摄不好的画面，有时候觉得还没有标清画面感觉好，因为高清本身图像细致，对层次要求很高，所以用光的要求也很高。另外，高清对布景的要求也高了，布景方式都要重新进行改变，原本订钉子来挂布景的方式不行了，因为标清摄像机“看不见”的钉子以及布景上的脏渍都会在高清摄像机下纤毫必现，破坏了画面的效果，高清摄像机的好眼神确实比较挑剔，很多演员不敢拍高清，因为原来脸上的皱纹在标清上看不见，现在在高清上看得清清楚楚了，所以制作高清节目不仅仅是设备的投入，对制作环境以及人员的要求都相应提高了。同样，高清电视制作对道具的要求也增加了，高清节目要求体现出清晰度和质感，那到底什么样的道具更能体现出来清晰和质感？如果使用非常有质感的道具放在环境里会凸现晶莹剔透的感觉，比如玻璃器皿里面有水，这样拍出来是非常透亮的画面，更能体现高清节目的表现力。高清如果用很好的道具，马上就能体现出高清节目的质感。
论文高清技术简介及其运用
除了对布景方式和道具的改变外，HDTV对前期节目拍摄方式也有不少改变，拍摄人员对拍摄过程的改变将有一个习惯过程。电视制作要求快，我们采集新闻或者拍摄什么内容，摄像机到外面一转就回来，实际标清的摄像机镜身相对比较长，在跟踪聚焦方面稍微马虎一点问题都不大，但是高清摄像机不仅镜身短，而且高清摄像机的焦点不易对准，这是由高清的高清晰度引起的，因为高清的分辨率高，水平视场角比标清大，画面包容的景物多，景深比标清小很多，这对摄像人员就提出了更高的要求，聚焦时要格外小心，不清楚的镜头回来是不能用的。
2、高清使得后期制作选择增多
有了前期拍摄出来的精美画面，还要有好的高清的后期制作设备才能做出好的电视节目。现在在高清的后期制作设备上，市场所能提供的设备也越来越多，越来越完备。Avid一直把高清电视看作“电视和电影结合点”，其最低成本的产品Avid Xpress Pro HD和加速器Mojo就可以通过1394接口采集HDV和DVCPRO HD源码流并支持Avid DNxHD压缩高清码流的实时编辑；它可以配备在台式机或笔记本电脑上，既可以成为移动高清编辑站，也可以在网络中成为一个高清网络编辑站点。它可直接进行DVCPRO 50 媒体输入，有更好的格式兼容性，支持DV25、DV50及DV100 (DVCPRO HD) 媒体，在同一时间线上可进行DV 、标清与高清的混合处理，这就意味着我们不再需要进行耗费大量时间与存贮空间的转码操作，就可以开始工作。
苹果也发布了曾经荣获艾美奖的Final Cut Pro产品的高清版Final Cut Pro HD。它实时支持DVCPRO HD格式的高清制作，通过一根IEEE1394火线采集和输出广播级质量的高清信号，无需硬件支持。由于不用重新压缩，因此不会对图像质量造成损失。它同时支持DV、标清、高清和电影的编辑，并加入了对摄像机原声代码的支持，高清的信号没有经过再压缩的过程，采用4：2：2的高清格式并拥有比较低的码率。Final Cut Pro HD支持在苹果Cinema HD显示屏上进行HD预览，从而降低了HD编辑环境的进入成本。
另外，品尼高的CineWave HD、Sony推广的xPRI非编系统、Discreet推出的Smoke 5.0也是高清编辑的另外一些选择方案，它们都可以成为向高清过渡时期的良好选择。
任何一种技术的发展都会推动相应的产品的发展进步。高清电视的发展使得许多公司开始开发研制适合高清电视后期制作的设备，丰富了市场。在不久的将来，随着HD技术和标准的完善和更多厂商加入竞争，HD产品的普及和完全化HDTV节目制作和播出即将到来。中国作为2008年奥运会的主办国，近年也加快了HDTV的发展步伐，作为技术和节目的先期准备，北京、上海以及内地的许多电视台都已经投入了HDTV节目的先期制作。
高清技术简介及其运用 :
3、高清数字电影的新篇章
从全球看，高清被广泛地用作商业广告类节目的制作，它被当作取代胶片的数字载体。此外，高清设备也广泛地被用作拍摄一些重大的历史事件、风光资料片，以数字化高清晰度的指标记录下不可逆转的历史长河细节。在好莱坞，高清还更多地用于电影和数字影院节目的制作，人们意识到高清不再是电视的独家专利，它正成为连接电影和电视的数字纽带。
以往我们制作传统的胶片电影时，需要将声音、画面分开来制作。在进行画面剪接时，首先通过胶转磁，并利用非线性视频系统进行粗编，然后将编好的节目时间码转换成胶片的物理长度信息，最后剪接胶片。特技合成时，则需要昂贵的高分辨电影胶片扫描仪将胶片扫描成2K或4K的图像文件，再利用电脑进行特技合成，最后将图像还原成胶片。这样一个数字化的胶片电影制作基地需要巨大的投资，其工作流程不但成本高、效率低，而且不便于节目的修改、存贮和拷贝。现在有了高清技术，我们就可以先用高清24P摄像机进行拍摄，然后将成片节目转为胶片或数字电影，这样制作高清数字电影在经费和周期上与传统电影业就有了很大的不同，电影在整个过程中既降低了成本，也缩短了周期，克服了传统胶片电影制作流程中的种种弊端，而且为后期制作带来了无尽的方便。首先便是拍摄成本：高清数字电影要比胶片电影的成本降低一半甚至更多，主要是省去了胶片钱。第二是后期编辑，相对于数字电影来讲，传统的胶片要麻烦很多：数字电影素材带的使用非常方便，可以随时取用，而胶片电影就不能随便取用。第三是高清数字电影独特的视觉风格。标清和高清在前期拍摄时可能并没有太大的区别，但是在质量上确有了质的飞跃；在后期的“磁胶”转换中更加便捷，画面的失真度很小。
对于数字载体是否可以代替35mm胶片，人们众说纷纭。总体而言，胶片记录层次更丰富、画面更加细腻柔和；而CCD相对于大片基胶片来说，目前在象素方面还有局限性。然而，单纯地比较胶片和数字载体的指标是没有意义的，因为胶片母版虽好、却不能直接提供给影院，在发行中经历多次拷贝后其亮、色都会下降，放映过程中还会受到灰尘和损伤的困扰；相反，数字载体在传递中效率高、成本低、质量无损失，而且便于后期制作。
4、高清时代DV登堂入室
? 在专业摄像领域，索尼的摄像机占据了半壁以上的江山，特别是在面向高清节目制作的高清摄像机，价格非常昂贵，哪怕CCTV这样“财大气粗”的地方，也不敢全面实现高清。我们都曾幻想有一台廉价的小型高清摄像机，用几万元的价格就能拍摄1080i以上的高清节目，最好还能使用DV（SP）格式的磁带……由于高清节目的制作工艺相对复杂，成本相对较高，目前只局限于专业的节目制作部门，为了降低高清制作的门槛，就有了HDV的出现。它主要用来满足行业用户对专业入门级高清产品的需求，他们庞大的数量是任何公司都不可小觑的力量。婚庆公司、广告公司、电教系统、MTV拍摄都是HDV的直接用户，他们迫切需要用高清来武装自己，在市场的竞争中取得先机。当然，在登山、探险等极端恶劣的条件下，摄像机的小型化是非常重要的，这时要追求高清，恐怕只有HDV能胜任了。
至于那些财力没有那么丰厚的地方电视台，在短期内无法实现高清制作的环境中，竟然也对高清技术非常着迷，原因非常简单：需要用高清摄像机同步拍摄重要的会议和活动，这些节目短期内虽然不能被播出，但是可以作为高清素材进行保存，在未来转移到高清播出后，能够编辑使用历史上的高清节目源。
另外一些突发事件对广播级质量提出了挑战，让我们去再思考、再认识新闻报道的速度和质量以及与其他侧面的关系。有一点可以肯定的是，在突发事件的报道上，速度是要比单纯的图像质量重要得多、价值也高得多的因素。DV由于其体积小、重量轻，成本低，易于操作，显然在突发事件的报道和随机创意的实现上有着突出的优势。通过IEEE1394接口，DV视频可以直接下载进便携式非编设备，不仅实现了无损的数字采集、传输、记录、编辑、播出，更可以实现即拍即编即发，野外采访、异地奔波都十分实用。其实DV的优势主要有两点：全数字化和便宜。
那么在目前高清还没有广泛播出的时间里，HDV真的能取得实际的高清效果吗？这样的疑问不是没有道理，但是要知道，从高清信号转到标清信号，会让标清视频的清晰度得到保证，哪怕是记录完全相同的视频，在输出到标清时也足够让高清略胜一筹 。
HDV使我们真正有机会清晰地捕捉到精彩瞬间，不用再忍受50i闪烁的困扰和25p运动的不连贯。此外，格式的多样性给节目的交换带来一定的麻烦，看来HDV的软硬件都要具备高清与高清以及高清与标清的多格式转换能力了。以1080i模式为例，为了使压缩后的视频码率降到25Mbps左右，HDV使用的是长GOP的MPEG-2 MP@HL-14压缩。通过4:2:0色度亚取样结构（不同于DV的4:2:0）和预滤波（使每行只保留1440个亮度取样）等措施，使压缩前的数据量大大减少。MPEG-2之所以具有很大的压缩效率，主要得益于IBP三种帧结构的结合使用。一定数量的IBP帧称作一个GOP，常见的GOP多为12，GOP越长压缩效率越高，所需的运算量也越大。而压缩工作主要由专用处理器完成，大量的运算要消耗更多的时间，这对HDV来说是不容许的，若使用运算速度更快的处理器，价格自然要升高，而且耗电量也随之增大。因此HDV把GOP定为6，在压缩效率与运算量之间取得了一个平衡。许多人不免心生疑虑，对25Mbps级别的高清图像没有信心。但事实表明，世界范围内大多数高清传输系统都把每一路节目限定到21Mbps以下，也许这个数字可以为HDV的潜在用户吃一颗定心丸，但这也并不等于否定CineAlta、Varicam等高端产品，还是那句话，用途不同。
高清技术简介及其运用 :
纵观HDV产品和市场，我们发现，巨大的市场需求是HDV诞生的摇篮。消费应用方面，随着今后高清播出的普及，高清接收机进入家庭是大势所趋，专业应用方面，则呈现出两极分化的态势，越来越多的电视人意识到了这个问题。很明显，高清与DV是两个极端，越来越多的节目也随之分化。用高清制作的影视节目会越来越多，这些大投入的制作更多地关心图像质量，以满足高清电视以及数字电影等新兴行业的需要；同时，追求时效性、机动性和性价比的低成本制作也会越来越多，新闻、体育、公司、政府、教育、医疗都将成为HDV的潜在市场，独立制片人恐怕更是HDV的忠实拥护者了。对于新闻类标清节目，使用低成本的前期摄录设备也完全能满足制作需求。现在大家都认识到了要保证播出质量，最有效的方法是建立一个数字化的制作、播出、传输网络，而不是盲目地追求摄像机的高指标。
5、高清在其它领域的应用
除了电视台之外我们可以看到在行业应用和商业应用这块，比如体育、医疗、公安等，采用高清摄像机拍摄的画面可以用来进行体育训练，我们的运动员向其他国家的运动员学习时要看清楚和研究每一个动作 ,比如足球原来需要去把每个人拍特写，现在不需要了，成本相对就降低了。其它像公安刑侦，也可以采用它进行一些更高质量的取证。
在医疗领域，为了实现更精确的诊断性能，我们可以将目前世界上最先进的HDTV（High Definition TV）高清图像成像系统运用于内窥镜领域，将电子内窥镜的先端部采用高像素CCD，加上HDTV成像系统，这样就可以使内窥镜成像系统的输出扫描线由传统PAL制的576线提高到1080线，由此把内窥镜图像的清晰度提高到一个更高的水平，从而得到逼真、细腻的内窥镜图像，即使进行电子放大图像也能保持一定的分辨率，使黏膜更加细微的结构变化及微血管的显示更加清晰可见，有利于医生对微细血管及黏膜的结构变化进行更加细致的观察与分析，由此提高疾病的诊断率。
全自动测光功能、自动白平衡功能、内镜信息的记忆功能等，实现更高效率的内窥镜检查。精湛的光学技术与数字技术，结合出色的内窥镜操作性能，将引领内镜诊查术跨进一个崭新的时代，照亮内镜发展新的征程。
总之，随着电视技术的不断发展，高清电视的出现与普及将颠覆传统电视时代形成的固定格局，给电视业带来全新的变革和理念。历史不可逆转，唯有适者才能生存，随着高清技术的进一步发展和完善，将给我们的生活带来更多更大的变化，所以我们这些电视从业者应当迅速调整思路，迎接这个电视变革时代的到来。
高清技术简介及其运用 :