電視播出系統(tǒng)對(duì)聲音的處理及探索

　　摘要 ：電視播出環(huán)節(jié)除了響度控制器，還有很多設(shè)備跟聲音處理相關(guān)。在播出系統(tǒng)中，我們常見的幀同步器也會(huì)有聲音處理模塊，但是又不僅僅局限于這些設(shè)備。本文根據(jù)實(shí)際探索了 HDK鍵控卡、響度控制器、HIX110 三選一自動(dòng)倒換卡原理及在實(shí)際中對(duì)聲音處理的配置應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞 ：視頻 音頻 響度控制加嵌 解嵌 鍵控器

　　1 引言

　　電視播出信號(hào)只有視頻和音頻信號(hào)有效結(jié)合，才能給受眾提供一個(gè)完整的觀看效果。如果觀眾在收看電視節(jié)目時(shí)，即使視頻信號(hào)正常，但音頻有這樣或那樣的問題，大家一定會(huì)認(rèn)為這樣的視頻節(jié)目是很糟糕的。因此，我們必須給予音頻信號(hào)足夠的重視。數(shù)字電視信號(hào)(SDI)中，音頻采用嵌入方式嵌入視頻信號(hào)的附屬數(shù)據(jù)空間內(nèi)，電視信號(hào)通過一根同軸電纜可以同時(shí)傳送視音頻。這樣既解決了視音頻信號(hào)在傳輸中不同步的問題，又減少了開銷，在系統(tǒng)運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)上都得到了好處。目前，高清數(shù)字電視節(jié)目的音頻有雙聲道、立體聲和環(huán)繞聲等幾種形式。

　　電視節(jié)目源除了臺(tái)內(nèi)制作的節(jié)目，還有不少臺(tái)外異源節(jié)目和一些直播節(jié)目，技術(shù)指標(biāo)會(huì)有差別。為了減少節(jié)目間音頻電平的差異，避免出現(xiàn)聲音時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，提升受眾的觀看效果，在播出環(huán)節(jié)一般通過加響度控制器對(duì)聲音的響度進(jìn)行一定程度的處理，使節(jié)目的平均響度值接近 -24LKFS。電視系統(tǒng)中，除了專門處理聲音的響度控制器，電視播出環(huán)節(jié)在處理過程中還有很多設(shè)備跟聲音處理相關(guān)，甚至可以對(duì)立體聲道外存在的雜音進(jìn)行處理。我們以現(xiàn)用的河北廣播電視臺(tái)全高清播出系統(tǒng)的衛(wèi)視頻道為例，對(duì)信號(hào)處理流程中所用的設(shè)備逐一進(jìn)行分析。

　　2 實(shí)際應(yīng)用分析

　　衛(wèi) 視 頻 道 信 號(hào) 來源有播出服務(wù)器信號(hào)、衛(wèi)星信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、演播室信號(hào)幾類。除了播出服務(wù)器信號(hào)，其他三種信號(hào)入切換矩陣前都要經(jīng)過幀同步處理，但都是以HD-SDI 信號(hào)進(jìn)入切換矩陣，之后各設(shè)備的信號(hào)接口都是 SDI 接口。下游不需要編碼的直接輸出 HD-SDI 信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換格式的送入編碼器進(jìn)行編碼。

　　2.1 切換矩陣切換矩陣的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的快速切換，將多路輸入信號(hào)分配給一路或多路輸出。我們選用的是UTAH-100/UDS 系列，輸入信號(hào)格式為 SDI 信號(hào)。由于技術(shù)原因，我們采用了矩陣的正常輸出口，信號(hào)未經(jīng)過解嵌處理，因此也就沒有獨(dú)立的聲音處理通道。

　　2.2 鍵控器鍵 控 器 的 作 用 就 是 把 臺(tái) 標(biāo)、 時(shí)鐘、字幕等鍵入畫面中。鍵控的本質(zhì)就是“摳”和“填”。在鍵控技術(shù)中，我們通常稱被摳的圖像信號(hào)為背景信號(hào)，填入的圖像信號(hào)為前景信號(hào)，用來?yè)溉�圖像的電信號(hào)稱為鍵信號(hào)。

　　目前，我們用的數(shù)字鍵鍵信號(hào)是一個(gè)與前景信號(hào)和背景信號(hào)相同格式的視頻信號(hào)。在視頻信號(hào)的消隱期內(nèi)包含時(shí)間 碼、 數(shù) 字 聲 音、 監(jiān) 測(cè) 與 診 斷 信 息、圖像顯示信息等輔助數(shù)據(jù)。數(shù)字鍵在處理過程中，含有聲音信息的輔助數(shù)據(jù)在操作過程中被完好地保留下來。其鍵控操作是在背景圖像上疊加前景圖形，需要注意的是，在疊加前需提取輔助數(shù)據(jù)，完成圖像疊加后再把輔助數(shù)據(jù)嵌入進(jìn)去，最后合成輸出信號(hào)，但無論主輸出為哪一路信號(hào)，都要保留背景信號(hào)的輔助數(shù)據(jù)。衛(wèi)視頻道用的 鍵 控 卡 是 AXON 的 HDK100， 信號(hào)格式都是 1080i50 的 HD-SDI ;有兩路輸出，一路為預(yù)監(jiān)信號(hào) PST，一路為輸出信號(hào) PGM。HDK100 鍵控板卡 Options 項(xiàng)配置界面如圖 2 所示。HDK100 鍵控卡提供了對(duì)音頻組(每個(gè)音頻組有 4 個(gè)聲道)的簡(jiǎn)單處理。在 Audio Embedder Group 模 塊 中，A-D 嵌 入 通 道 可 以 選 擇 Group1—Group4 或 OFF， 都 選 擇 OFF 就 沒有聲音輸出，正常情況下最少要保留Gruop1，也就是前 4 個(gè)聲道。

　　立體聲節(jié)目時(shí)關(guān)閉 Embedder B-D 通道，可以防止非法雜音的干擾。2.3 響度控制器音頻響度控制器是專門處理聲音的設(shè)備。它對(duì)數(shù)字高清信號(hào)中的音頻按照預(yù)設(shè)響度值做自動(dòng)響度運(yùn)算處理，使聲音在一定范圍內(nèi)變化，避免聲音忽大忽小，保證電視節(jié)目的聲音穩(wěn)定性。HD-SDI 信號(hào)在響度控制器內(nèi)必須經(jīng)過解嵌和加嵌的過程。衛(wèi)視頻道采 用 的 是 TC Electronic DB6 設(shè) 備，它采用 Multi-band 的方式，把處理的音頻按頻段的不同分開進(jìn)行頻段的處理，然后再合成，其優(yōu)點(diǎn)是一些音頻細(xì)節(jié)能很好地被保留，不會(huì)被濾掉。TC Electronic DB6 設(shè)備有兩個(gè)處理器(E1 和 E2)，可以獨(dú)立運(yùn)行 ALC2響度校正算法，DB6 可對(duì)每一路 SDI信號(hào)流提供兩個(gè)可以處理 5.1 環(huán)繞聲的運(yùn)算引擎，底層采用切換矩陣的方式，可以對(duì)聲道進(jìn)行自由切換。其能夠?qū)崿F(xiàn)聲音格式的上變化和下混合，也就是從立體聲格式向上轉(zhuǎn)換成環(huán)繞聲或?qū)�環(huán)繞聲向下轉(zhuǎn)換成立體聲。

　　按 照 規(guī) 定， 高 清 電 視 節(jié) 目 平 均響 度 目 標(biāo) 值 為 -24LKFS， 容 差 范圍 為 ±2LU， 最 大 真 峰 值 電 平 不 超過 -2dBTP。對(duì)普通人來說，剛剛聽出來的聲音變化是 1LU，能清楚聽出變化的量是 3LU，主觀感知響度提高一倍的量是 10LU。實(shí)際情況下，考慮到制作因素，節(jié)目平均響度難以準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)響度(特別是直播類節(jié)目)，平均響度只要不脫離一個(gè)偏離目標(biāo)響度值在 +3LU 至 -5LU 的響度區(qū)間“舒適區(qū)”，聽眾完全可以容忍一些響度變化。我們把 TC 的 M1 設(shè)成對(duì)輸入信號(hào)的檢測(cè)，M2 設(shè)成經(jīng)過響度處理后的檢測(cè)，觀察前后的變化并在調(diào)整后實(shí)際播出節(jié)目試聽感受，對(duì) TC 的配置數(shù)值進(jìn)行了適度的調(diào)整。

　　2.4 自動(dòng)倒換器河 北 衛(wèi) 視 頻 道 選 用 AXON 的HIX110 三選一板卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)倒換。輸入信號(hào)包含兩路主用信號(hào)和一路第三備的信號(hào)，其中，系統(tǒng)的兩路主用信號(hào)可以自動(dòng)倒換，支持凈切換 ;第三備信號(hào)需要手動(dòng)倒換。對(duì)能夠凈切換的兩路主輸入信號(hào)，其聲音通道有獨(dú)立的處理模塊。從SDI 信號(hào)中解嵌出 16 聲道的聲音信號(hào)，經(jīng)過跟蹤延時(shí)和聲道之間的凈切換后，重新嵌入經(jīng)過處理的視頻信號(hào)中，最后合成輸出 SDI 信號(hào)。

　　HIX110 板卡對(duì)聲音信號(hào)的處理包括以下三個(gè)層面。

　　(1)16 個(gè) 聲 道 可 以 獨(dú) 立 設(shè) 置 打開或關(guān)閉。比如，如果只想保留立體聲，Channel 選項(xiàng)可以只打開 A1 和A2，其他 OFF。對(duì)于聲音制作不規(guī)范的節(jié)目，此項(xiàng)設(shè)置非常有用，通過選擇 OFF 可以避免雜音的干擾。(2)16 個(gè) 聲 道 分 成 4 個(gè) 音 頻 組，以組為單位，可以嵌入其他音頻組的聲音。比如，5~8 聲道可以選擇嵌入1~4 聲道的聲音。(3)對(duì)聲音進(jìn)行延時(shí)設(shè)置。此板卡默認(rèn)設(shè)置為 0ms。通過輸入適當(dāng)?shù)臄?shù)值，此設(shè)置可以對(duì)整個(gè)播出通道出現(xiàn)的累積延時(shí)進(jìn)行校正，HIX110 板卡的校正范圍為 ±10s。在實(shí)際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)，兩路主輸入信號(hào)出現(xiàn)過一路有靜音的現(xiàn)象，尤其是對(duì)于直播線路信號(hào)，主備路信號(hào)采用完全獨(dú)立的設(shè)備并且用不同的路由作為 HIX110 板卡的兩路主輸入。

　　我們利用此卡的聲音檢測(cè)功能，成功解決了兩路主輸入信號(hào)在出現(xiàn)靜音故障時(shí)能快速自動(dòng)切換的問題。為實(shí)現(xiàn)靜音自動(dòng)切換，需對(duì) AudioProbe 界面進(jìn)行配置。其中，A 路輸入聲道 A1/A2 選擇 Switch-PCM 模式 ;B 路輸入聲道 B1/B2 選擇 Switch-PCM模 式 ;通 道 檢 測(cè) Silence Detection選 擇 A+B 模 式 ;靜 音 參 數(shù) SilenceTime 選擇 3s(根據(jù)實(shí)際數(shù)值可變);Silence Level 選擇 -50dBFS(根據(jù)實(shí)際數(shù)值可變)。

　　前面提到，系統(tǒng)中有外來信號(hào)源(通過衛(wèi)星饋送的信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)中央信號(hào))，這些信號(hào)在進(jìn)入切換矩陣前都需要經(jīng)過幀同步。幀同步器的原理是依據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)外來信號(hào)進(jìn)行定時(shí)調(diào)整，幀同步器的緩存功能實(shí)現(xiàn)同步校準(zhǔn)輸出信號(hào)，但在視頻通道中會(huì)有處理時(shí)延。如果對(duì) SDI 信號(hào)中與視頻信號(hào)有關(guān)聯(lián)的音頻信號(hào)只作簡(jiǎn)單的處理，將會(huì)使音頻信號(hào)明顯地超前于視頻，因此，需要使用附加音頻延時(shí)以補(bǔ)償視頻處理時(shí)延，幀同步機(jī)內(nèi)部的音頻處理模塊提供了對(duì)聲音更強(qiáng)的操控能力。對(duì)于外來信號(hào)的同步，衛(wèi)視頻道使用了兩種設(shè)備 ：一種是 AXON 的 HFS同步卡，另一種是 Selenio X100TM 同步機(jī)，做好這兩種設(shè)備的設(shè)置能把好安全播出的第一道關(guān)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　在數(shù)字設(shè)備中，當(dāng)需要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)處理，如同步校正或補(bǔ)償，而出現(xiàn)較大時(shí)延，或者對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行修正處理時(shí)，為了避免聲畫不同步的問題，一般都要對(duì) SDI 信號(hào)進(jìn)行聲音解嵌和再加嵌的處理。盡管設(shè)備對(duì)畫面和聲音進(jìn)行不同的延時(shí)處理，但最后相對(duì)于外同步都是一致的。通 過 探 索 設(shè) 備 的 性 能， 可 以 知道哪些設(shè)備通過調(diào)整音頻延時(shí)參數(shù)補(bǔ)償播出通道數(shù)字設(shè)備的視頻累加時(shí)延，避免由視頻時(shí)延而帶來的唇音同步問題 ;哪些設(shè)備通過關(guān)閉不使用的聲音通道而防止雜音的干擾。雖然播出系統(tǒng)可以對(duì)不規(guī)范聲道的干擾音進(jìn)行應(yīng)急處理，但需要由技術(shù)人員通過修改底層配置軟件操作，有一定的風(fēng)險(xiǎn) ;響度控制器盡管提供了一種規(guī)范手段，把聲音控制在一定的響度范圍，但缺少方便的外設(shè)(能隨時(shí)調(diào)整聲音電平大小)。所以，聲音的規(guī)范更多地還要依賴于前期的制作，在節(jié)目源端加以控制，在末端播出環(huán)節(jié)的處理只是應(yīng)急彌補(bǔ)而非依賴。

　　參考文獻(xiàn) ：

　　[1] 李 孟 , 李 秋 山 , 趙 光 顯 . 基 于 FPGA 的數(shù)字線性鍵控器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 微處理機(jī) ,2008,29(5):36-38.

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///wslw/30156.html