浅析高标清上下变换的基本处理

摘要：从模拟到数字、NTSC到PAL制式，标清到标清，各种信号之间的转换和处理方式一直都是影响节目技术质量的主要问题。

目前涉及最广泛的信号转换就是高标清的上下变换，而高标清之间的上、下变换更为复杂。

目前我国电视节目播出正处在从标清向高清播出过渡阶段，包括中央电视台、北京、上海东方台等地方卫视相继推出了高标情同播的电视节目，但在近期要使高清频道的节目完全100%采用高清素材播出是不现实的，尤其频道包含新闻类节目的，很难保证全部是高清素材，所以，就像目前仍然存在的模/数、数/模转换一样,高标清上、下变换技术的应用将长时期存在。

由于各国对信号格式选择的不统一，以及广播电视技术地不断发展，信号格式转换从始至终都是节目制作、播出中不可避免的环节。

从模拟到数字、NTSC到PAL制式，标清到标清，各种信号之间的转换和处理方式一直都是影响节目技术质量的主要问题。

目前涉及最广泛的信号转换就是高标清的上下变换，而高标清之间的上、下变换更为复杂，因为它不仅是信号格式的变换，还涉及到图像宽高比的变换。

一.上下变换的原理通常将标清到高清信号的变换模块称为上变换器（Up Converter）；高清到标清信号的变换模块则被称为下变换器（Down Converter）；还有的设备具备以上两种变换模块，被称为交叉变换器（Cross Converter）。

当进行格式下变换时，图像高频分量丢失；当进行上变换时，图像被内插再取样。

如图1所示，高标清上下变换的一般流程为去隔行、空间转换、图像增强、色度转换、输出格式化。

这些流程需要使用去隔行技术、运动补偿技术、宽高比转换技术等算法来处理图像。

1.去隔行（de-interlacing）由于受硬件处理速度以及传输带宽的限制，现行的广播电视系统都是使用隔行扫描制式的。

要处理高清与标清之间的高标清上下变换，最直接要考虑的问题就是图像分辨率的变化。

那么，要处理图像的缩放，首先就要把隔行的两场画面结合成一个完整的画面。

在这里，就需要运用去隔行技术。

去隔行的方法可以分为四类：场内去隔行（intra-field de-interlacing）、场间去隔行（inter-field de-interlacing）、动态自适应去隔行（motion adaptive de-interlacing）和运动补偿去隔行（motion compensated de-interlacing）。

场内仅采用一个信息场(有时被称为空间处理)。

场内处理的曲型实例包括线平均、垂直滤波和边缘适应。

场内处理就复杂性而言从低到高，并提供可接受的较好性能。

场间处理采用了来自不同场的信息(有时被称为时间处理)。

场间处理的典型实例包括编织、垂直时间过滤、运动自适应和运动补偿。

场间处理就复杂性而言从低到非常高，并提供令人满意的优越性能。

图2 去隔行前图3 去隔行后运动自适应处理检测出现在两个场之间的运动。

运动检测可能出现在场级、块级 (像素的子集)或每个像素(往往被称为每像素或基于像素的处理)。

运动自适应处理的复杂性趋于中等，并提供较好的性能。

运动补偿处理评估两个场之间的运动。

这一运动评估可出现在场级、块级或每个像素。

运动补偿处理的复杂性非常高，并提供非常优越的性能。

2.图像缩放与增强在去隔行之后，一列场被转换成一列包含了偶数列和奇数列的全帧。

在进行一次恰当的去隔行之后，采样密度不够再生出最高的图像频率，但优化型线性滤波器产生的混叠却比它用来进行去隔行时产生的相对较小。

我国使用的标清电视分辨率为720×576，而高清电视分辨率为1920×1080，两者间的互相转换需要对图像按一定要求进行缩放处理。

单幅图像缩放有多种算法，比较常用的有最邻近插值法(nearest neighbor)、双线性插值法(bilinear interpolation)、双三次插值法(bicubic interpolation)等。

最邻近插值法（临近取样法）是一种最基本、最简单的图像缩放算法，其运算速度最快快，耗用资源少，但效果是不佳，放大后的图像马赛克现象明显，缩小后的图像又容易失真；造成图像损伤的根源就是其引入的最临近插值方法比较简单，从而导致严重的图像失真。

在双线性插值中，新创造的像素值，是由原图像位置在它附近的（2×2）4个邻近像素值通过加权平均计算得出的。

通过这种算法得到的图像拥有平滑的边缘，锯齿难以察觉。

若用双三次插值等较复杂的算法，参与插值计算的输入信号像素数增多，它输出图像的每个像素都是原图16个像素运算的结果，能创造出比双线性插值更平滑的图像边缘。

经过双三次插值运算缩放后的图像虽也会某种程度地损失细节，并出现伪像，但图像主观效果可能较好。

以现在的硬件水平，无论采用双线性插值法还是双三次插值法处理高、标清电视图像的转换，加上帧存器储存图像的时间，完全可以实现高、标清高标清上下变换只有一帧时间的延时。

最邻近插值法、双线性插值法和双三次插值法其实都属于不基于边缘的图像缩放算法(non-edge based image scaling)。

此外，还有基于边缘的图像算法(edge-based scaling methods)，这类算法可以得到比不基于边缘的图像缩放算法更好的视觉效果，但它们算法更加复杂，运算的时间较长。

二. 上下变换的应用1.下变换根据我国现行的高清电视标准以及标清电视标准，从高清信号1080i/50下变换到标清信号576i/50时，由于场频是不变的，只需要进行行频和宽高比的变换。

下变换的过程是：先把高清隔行扫描信号转换成逐行扫描信号，然后再运用内插技术完成像素的变换，最后通过隔行处理变换成576i/50格式的隔行扫描信号。

高清下变换的标清版节目，其质量确实比过去传统标清设备制作出来的标清图像具有更好的色彩,图像也更加细腻。

但是，对于一些特殊的画面，例如比较细的横或竖条纹，从高清图像转换成标清图像时，往往产生闪烁现象，其原因在于画面从1080行变换到576行的过程中，由于取样频率降低，需要滤除信号中的高频分量，如果信号中的高频成分滤除不完全，就会产生混叠失真，从而出现画面中的闪烁现象。

为防止这种混叠失真，我们一般在录制之前适当调整下变换器的行或场滤波器，可以改善这种闪烁现象。

图4 下变换模式示意图把16:9高清画面变换成4:3标清画面一般有四种下变换方式：·切边模式，它的特点是画面比例正常，但是画面左右两侧被剪切损失了一部分画面内容；·信箱模式，在画面的上下两侧加黑边，这种模式的特点是画面比例正常且保留了全部16:9画面内容，信息量不丢失。

在同时制作高标清两版节目时，标清版节目往往采用这种下变换模式，这种情况不需要兼顾16:9和4:3两种取景；·14:9信箱模式，为了减少格式变换带来图像内容的丢失16:9→14:9只要裁掉1/8画面，在16:9画幅的图像采用“14:9”下变换时，可以获得较好的视觉感受。

·挤压模式，它是将画面横向压缩，虽然保留了全部画面内容，但画面产生变形。

在高清下变换至标清时，“信箱”和“切边”模式保留了正常的画面构图。

“信箱”模式保留了原有高清画面构图和内容的完整性，但最大地损失了图像的细节；“切边”模式在切掉高清画面左右共四分之一的内容后，较多地保留了原图像的主要内容。

而“挤压”模式使得图像内容比例变形，不符合观众的欣赏习惯，所以一般不使用这种模式。

系统中下变换器在对视频信号格式进行变换的同时也给视频信号带来了一定的延时，造成画面和声音之间不同步，所以音频信号在进入标清录像机和标清光端机前也做了相应的延时处理。

2.上变换对于目前大量存在的标清素材和标清外来信号，在这些信号进入高清系统前需要把其转换成高清信号，也就是把576i/50上变换至1080i/50。

与下变换相同，由于没有场频的变换，上变换时只需对信号的行频和宽高比进行变换。

把4:3画面变换成16:9画面也有四种方式：·镶边模式，在画面的左右两侧加黑边，这种上变换模式保留了全部画面内容，画面比例也正常；·14:9镶边模式，为了减少格式变换带来图像内容的丢失，4:3→14:9只裁掉1/7画面，这种方案很少使用。

·切边模式，将画面上下剪切掉一部分画面，虽然画面比例正常，但损失了一部分画面内容；·拉伸模式，将画面横向拉伸，4:3的图像完全充满16:9的屏幕，虽然保留了全部画面内容，但画面产生变形。

图5 上变换模式示意图在标清上变换至高清时，“信箱”和“切边”模式保留了正常的画面构图。

“信箱”模式保留了原有标清画面构图和内容的完整性，但观众会对加在电视画面的两条黑边有些反感；“切边”模式在切掉原标清画面上下共四分之一的内容后，保留了原图像的主要内容，但此种变换模式很可能丢掉原图像的重要内容，并且计算出来的图像内容太多，画面质量较差。

而“拉伸”模式使得图像内容比例变形，不符合观众的欣赏习惯，所以一般不使用这种模式。

在上转换之后，模糊的SD图像并不能产生期望的HD清晰度，而人们却往往会想要增加清晰度和输出级别的细节。

抑制模糊需要放大信号高频率，而此举又往往会放大噪音。

我们可以通过将最小细带系数门限设置为零(大都由噪音决定)，并放大最大系数来实现同时减少模糊和噪音的效果。

如此一来，细带细节增强可在不会产生抖动赝像的前提下同时消除噪音并提高图像清晰度。

由于接收机的缘故，在实际运用中高清下变换适合使用“切边”、“信箱”模式，标清上变换只适合使用“镶边”模式。

需要注意的是在高清系统中制作标清节目时，标清节目带的制作要考虑到最后的播出效果。

例如在高清演播室制作标清节目，如果下变换采用信箱模式，标清节目带必须也做成信箱模式的画面。

这是由于高清系统中标清画面要先经过上变换处理，录像机把信箱模式的画面扩展成为16:9高清画面，最后的成品带才能统一成为信箱模式的4:3画面。

如果节目带做成了4:3全屏画面，不管使用那种上变换方式，节目带的播出效果都不美观，三种效果分别是四面都是黑边的画中画、画面上下被剪切掉一部分或图像变形，每种情况制作出的画面都是不可取的。

现阶段，我国的电视节目高标清同播频道数量不断增加，为使广大人民观赏到更好的电视内容，一方面需要上下变换技术和产品都有新的突破；另外一方面也需要电视节目制作、播出人员在画面和信号上下变换处理过程中进行充分的考虑，制作出更多适合大众观看的电视节目。