全媒体制播技术：数字视频特技与数字特技系统详解

数字视频特技又称为数字视频效果系统，英文名称是Digital Video Effect，缩写为DVE，有的公司如SONY公司又将其称为多功能数字特技系统（DME）。它是以帧同步机为基础发展而来的一种数字视频处理设备。

数字特技运用数字技术将输入的视频在电视屏幕的二维或三维空间中进行各种方式的处理，把许多不同的图像元素组成单一的复杂图像或使画面具有压缩、放大、旋转、油画、裂像、随意轨迹移动等处理效果。

1.图像变换原理

数字特技中的图像变换主要是通过变更数字视频信号的数据流以及改变写入存储器的样值地址或改变存储器中读出样值的地址来实现的。

变更数字视频信号的数据流可以产生油画效果、版画效果、负像效果等，改变地址可以完成图像的放大、缩小、移位以及各种二维、三维特技变换等，而实现这一切的关键在于对存储器进行控制管理。为此，需要首先了解数字视频信号在存储器中的结构，然后再讨论各种数字特技的图像变换原理。

通常，把电视画面的位置定义在一个坐标内，如图4-31所示。电视屏幕的左上角为坐标的原点，水平坐标沿画面的宽度方向，垂直坐标沿画面的高度方向。值得一提的是，在数字特技中，各种图像处理是一场一场进行的，所以在这里一幅图像也就是一场图像。

图4-31　电视图像坐标

一场图像被数字化后，电视屏幕中就是由几十万个数字样点组成的数字图像，它存储在与之对应的存储器中。若按分量编码4∶2∶2标准，取样频率为13.5MHz，这些数字样点的结构是正交的。在垂直方向，总的样点数与取样频率无关，等于一场的有效扫描行数，即287.5行，数字信号为288行。在水平方向，总的样点数与取样频率有关，若用TPN表示一行有效样点数，对PAL制而言，TPN=13.5MHz×52μS=702。在实际的数字特技设备中，一般采用分量信号数字化方式，按照ITU-R BT.601标准，TPN取720。若以坐标表示，则图像左上角的一个样点为坐标原点，水平方向总长度为TPN，垂直方向总长度为288。由于TPN和288的关系不是4∶3，因此，若水平与垂直坐标的刻度相同，则图像宽高比也不是4∶3，如图4-32所示。

图4-32　图像样点坐标

在进行数字特技变换时，通常将未变换的图像称为源图像（Source Picture）；存放的地址称为源地址（Source Address）；变换后的图像称为靶图像（Target Picture）；变换后的地址称为靶地址（Target Address）。

（1）二维特技变换原理

把电视画面的位置定义在一个坐标内，这个坐标叫作数字电视坐标。在数字电视坐标下，设输入图像任一点的坐标值为（H，V），该点在输出图像中的位置坐标值为（X，Y）。二维图像变换时，输入、输出坐标满足下列数学关系：

X=SH·H+K1V+X0

Y=SV·V+K2H+Y0

其中，SH、SV分别为水平方向和垂直方向的尺寸变换系数；K1、K2为交错运算系数；X0、Y0分别为水平方向和垂直方向的位移量（输入图像的坐标原点在输出图像中的坐标值）。

A.当K1=K2=0时，

X=SH·H+X0

Y=SV·V+Y0

这时，水平和垂直两个方向没有交错的运算关系，输入图像在水平和垂直方向各自独立地乘以系数，并分别加上位移量，因此输出图像的视觉效果就是宽度和高度改变以及在屏幕上的位置移动。

当|SH|＜1、|SV|＜1时，图像在水平、垂直方向上均缩小；当|SH|＞1、|SV|＞1时，图像在水平、垂直方向上均扩大；当SH＜0时，得到左右颠倒的图像效果；当SV＜0时，得到上下颠倒的图像效果；当SH=SV=1，X0=Y0=0时，图像没有进行任何变换。

B.当K1、K2不全为零时，

a.K1=0，K2≠0，则有下式：

X=SH·H+X0

Y=SV·V+K2H+Y0

这时Y坐标添加了一个与X成正比的增量，使输入的矩形图像变换为V轴与Y轴平行而H轴与X轴倾斜的平行四边形，图像如图4-33所示。

图4-33　K1为0、K2不为0时的图像变化

b.K1≠0，K2=0，则有下式：

X=SH·H+K1V+X0

Y=SV·V+Y0

与第一种情况相比，只是输出的平行四边形倾斜方向发生了变化，图像如图4-34所示。

图4-34　K1不为0、K2为0时的图像变化

c.K1≠0，K2≠0，则输出的是随意的四边形，图像如图4-35所示。

图4-35　K1不为0、K2不为0时的图像变化

如果K1和K2之间确定了某种关系，就可使输出图像在仍保持原图像的情况下，围绕垂直于图像平面的Z轴旋转一个角度，如图4-36所示，这种关系可以推定为：

图4-36　原图像绕Z轴旋转的效果

K1=-SV·tgθ

K2=SH·tgθ

注意：这里假设每个数字样点与坐标的整数值一一对应。

（2）三维特技变换原理

在三维特技中，从画面上看到的具有三维空间运动感觉的图像，实际上是制作的三维空间运动图像在荧光屏上的投影，即它仍是平面图像。

在三维图像变换中，输入、输出图像都是平面图像，三维运动效果是通过图像平面坐标和投影平面坐标间的变换来实现的。因此，它变换的基础是映射变换学。如图4-37所示，当观察点P、投影平面（X，Y）和图像平面（H，V）在空间上的相互位置固定后，这两个平面就确定了一种以几何光学为基础的映射关系。三维数字特技的任务实际上就是用数字形式把输入图像（H，V）变换成在（X，Y）平面上的投影，使观察者看到的就像真的光学投影所造成的图像一样，具有透视感，所以又称其为数字光学效果。

图4-37　映射变换

由于三维特技的这种特点，可以把三维变换的过程分为两步：坐标变换和投影变换。

图中的（X，Y）平面可以看成由（H，V）平面经空间旋转和位移再投影得到的。即先把（H，V）平面想象到三维直角坐标（H，V，W）中去，然后将它绕H轴旋转α角，接着再绕V轴旋转β角，再绕W轴旋转θ角，又将得到的空间坐标（H'，V'，W'）平移X0、Y0、Z0，再投影到（X，Y）平面上。

2.数字特技机的工作原理

数字特技系统可分为输入输出处理、数字处理和特技控制三部分，如图4-38所示。

图4-38　数字特技系统组成

输入输出处理部分是将输入的模拟视频信号转换成数字信号，或是将输入的数字信号进行一些必要的处理，以便能进行后面的数字特技变换。在设备的输出端，又将经处理后的信号重新转换成模拟视频信号或所需要的数字信号输出。

数字处理系统包括帧存储器、数字内插处理器、地址发生器等，它的工作任务是根据数字特技控制系统提供的数据，完成视频图像的连续处理，即是依照操作人员的指令，通过变换存储器地址的读写顺序，改变样值在图像上的位置，从而得到各种特技效果。

控制系统包括键盘单元、微机控制电路和各种接口器件，主要是将键盘各按键的功能指令及由操纵杆或数码盘提供的数据参数变换成数字视频处理系统能够接受的控制数据，实现对画面的特技控制。

（1）输入、输出处理系统

目前电视节目的制作系统还处在模拟复合、模拟分量和数字分量各种系统混杂并存的阶段，为了与原有的电视设备混合使用，数字特技的产品在其输入、输出端设置有以下的输入、输出接口：模拟复合视频，模拟分量视频，ITU-R BT.601数字视频。

A.输入处理

输入处理电路有前/背面切换、钳位放大、亮色分离、低通滤波、A/D转换等，如图4-39所示。

图4-39　输入处理电路

a.前/背面切换器

前/背面切换器是为A/B画面的切换而设计的，它根据计算机控制系统送来的数据，在画面旋转的关键位置执行对A、B输入源的准确切换。

b.钳位放大器

钳位电路用来恢复丢失的直流成分。在钳位放大器中，通过控制面盘还可以对信号幅度进行增益控制，这样做的目的，一方面是使信号幅度尽量覆盖A/D转换器的整个编码范围，提高量化信噪比，另一方面要使信号不超过A/D转换器的工作范围，避免过载噪声的产生。

c.亮色分离器

亮色分离器的工作就是将输入的复合视频信号进行亮、色分离，消除副载波对数字通道的影响，使图像没有亮色串扰，提高图像质量。

图4-39是用模拟分离的方法将全电视信号分离成Y、B-Y、R-Y，再用三个A/D转换器转换成数字信号。(www.xing528.com)

有些特技设备对复合视频信号首先进行A/D转换（只需要一个A/D转换器），然后再通过数字解码器得到Y、B-Y、R-Y数字信号。这种方法使用了数字解码技术，图像质量高。还有一种方法是将全电视信号分离成Y、C，用两个A/D转换器转换后，再用数字解调的方法将C信号分离成B-Y、R-Y。

d.低通滤波器

经过解调或直接从外面输入的Y、B-Y、R-Y信号再送入低通滤波器中，以彻底滤掉不需要的高频杂波。

e.A/D转换器

A/D转换器通过对模拟信号的取样（时间离散化）、量化（幅度离散化）、编码（量化的幅值用二进制码表示）来实现模数转换作用。

亮度信号输入到A/D转换器，被13.5MHz时钟频率取样，在A/D转换器的输出端，每隔74ns就有一个代表输入信息的样值数据输出。色度B-Y和R-Y的A/D转换器分别被6.75MHz时钟取样和8bit量化，然后经B-Y/R-Y复用器得到包含了B-Y和R-Y信息的输出数据。

为与数字分量串行接口的设备连接，数字特技机在其输入处理电路中设计了去复用电路，它的输入信号是三个分量数字信号按时间顺序依次排列的数字信号流B-Y、Y、R-Y、Y、B-Y、Y……这个信号通过去复用分离成Y数据信号和C数据信号，然后送到各自的数字处理电路。

经过上述处理的亮度和色度信号再进入一个先入先出（FIFO）存储器中，以便能够与这个系统的标准时基重新同步。

B.输出处理

输出处理电路的作用是获得模拟复合、模拟分量的视频输出信号、数字串行分量信号及模拟键信号等，其电路方框图如图4-40所示。

图4-40　输出处理电路框图

输出处理电路对来自数字处理系统的亮度视频数据直接进行D/A转换，经5.5MHz低通滤波得到模拟亮度信号Y。

数字处理后的色度信号先送到B-Y、R-Y信号分离电路，取出交替的B-Y、RY数据信号再送到各自的D/A转换器和2.2MHz低通滤波器，最后得到B-Y及R-Y模拟视频色度信号。

Y、B-Y、R-Y信号各分三路输出，一路直接与设备的模拟分量输出接口连接，一路送到RGB矩阵电路，得到RGB输出信号，还有一路送到编码器，得到模拟复合视频信号。

键信号处理电路与亮度信号处理电路相似，键信号的数据信息通过D/A转换器变为模拟信号，经5.5MHz滤波器后送到键信号输出端。

数字特技设备中亮色信号是分别单独进行处理的，对于有串行数字输出接口的设备，在机器内部要进行时分复用处理，使Y、U、V信号通过一根电缆传输。

（2）特技变换的数字处理系统

数字处理系统方框图如图4-41所示。

图4-41　数字处理系统方框图

A.图像处理器

图像处理器用来实现前面所述的变更输入视频数据流，使其在屏幕上出现类似马赛克、油画、负像、散焦等特技效果。

B.压缩滤波器（可变带宽滤波器）

图中的压缩带宽滤波器包括水平滤波和垂直滤波，也称为空间滤波器，它在保证画面放大缩小特技效果的图像质量上起重要作用。压缩滤波器是一个带宽随画面缩小比例而变化的数字滤波器，能将带外的信息滤除掉，以避免图像变化时产生混叠失真。由奈奎斯特取样定理可知，取样频率小于二倍的视频带宽时会产生混叠干扰，使图像质量恶化。图像的压缩相当于将原图像有效区域内的样点数减少，实际上相当于取样频率降低。如果图像信号的带宽仍为原来的带宽，就无法满足奈奎斯特取样定理，出现混叠干扰。缩小比例越大，混叠干扰越严重。

对于画面压缩的特技效果，如果能够准确计算出画面尺寸的压缩比例，便可以得知画面在那种压缩情况下滤波器的加权系数。由于画面的压缩程度几乎是无限的，因此需要用无数个加权系数去对应画面尺寸变化的无限量，显然不可能做到。在实际的三维DVE电路中，通过一个PROM使滤波器的加权系数程序化，对于不同的压缩量给出不同的加权系数，变化的范围比前面的空间滤波器大得多，如图4-42所示。

图4-42　可变截止频率滤波器

C.内插处理器

由于数字化图像是由平面上离散的点阵组成的，经过特技变换后变形画面的点不一定和输入图像的点都能找到一一对应的关系，有的点可能落在几个输入样点的间隔位置上，这样的点无法从存储器中直接读出，这时必须对落在间隔位置上的这些点的样值进行估算，因而需有内插处理器。

最简单实用的内插方法是两点直线内插法，如图4-43所示。

图4-43中，设x（n-1）、x（n）为相邻两样点的样值，y（n）为内插得到的新样值，l1、l2为新样点与原样点之间的间距。内插组成的原则应是：离较近的取样值应贡献较大的比例系数，两比例系数之和应为1，即：

图4-43　两样点间的线性内插

y（n）=l2x（n-1）+l1x（n）

其中，l1+l2=1，若l1=ki，0≤ki＜1，则

y（n）=kix（n）+（1-ki）x（n-1）

式中，ki称为内插加权系数。

另一种内插方法是利用相邻四个像素值来计算内插值的方法。例如，如果有一个输出取样点的位置是（x，y），它与输入取样点（0，0）有一定距离，若输入取样网格在水平方向上的点为X，在垂直方向上为Y，它周围的输入取样点是A、B、C和D，如图4-44所示，于是输出的取样值为：

图4-44　相邻空间内插

内插精度不够会使图像变化缺乏平滑感，且图像有锯齿波纹。

D.帧存储器

帧存储器用于存储超过一场的亮度和色度信息，是数字特技设备的核心；帧存储器由包含亮度和色度信号缓冲器的随机存取存储器RAM组成。

存储容量：对于亮度信号，一般每行取样点为720个像素，每场288行，如果进行8比特量化，则所需存储量为720×288×8=1658880（比特），色度信号也需要相同的存储容量。

可采用一场存储器，两场存储器或三、四场存储器。一场存储器读写同时进行，读写时序控制麻烦，无法得到更好的内插效果；两场存储器时，一场写、一场读，由于在任何时候只有一场可以用来读出，用一场信号中上下左右相邻像素的样值来计算内插值，对隔行扫描信号来说会产生一些误差；三场存储器时，一场写，两场读，可以读取垂直方向上真正意义上的相邻像素（每个存储器读取一次），再根据需要进行内插处理。

E.地址发生器

地址发生器的作用是给出正确的写入地址，并在已知源像素与靶像素的数学关系后，计算出经映射变换出现在屏幕上每一个靶像素点在帧存储器中的位置，给出帧存储器的读出地址。地址发生器分为写地址发生器和读地址发生器。

a.写地址发生器

地址变换有两种处理方式：写边运算、读边正常方式和写边正常、读边运算方式。由于后者更具灵活性，三维数字特技多采用这种方式，因而写地址发生器的工作较为简单。

水平计数器以取样频率13.5MHz作为其计数时钟，进行逐个像素样值的计数，一行一行地重复，产生出帧存储器的水平写入地址。垂直计数器以每帧计数576个水平行的速率一行行地计数，并且一帧一帧地重复，产生出帧存储器的垂直写入地址。

水平/垂直写入地址送到A、B场存储器的读/写地址选择器，按照正确的场关系分配到A、B场存储器，作为它们各自的写地址。

b.读地址发生器

读地址的运算是根据当前的输出位置——画面上靶像素的位置，来求出相应的输入位置——源像素在存储器中的位置，也就是要得到存储器的读出地址。读出地址发生器的工作较为复杂，它由水平地址运算器、垂直地址运算器和Z地址运算器组成。

当操作盘给定特技变换的指令及控制参数的改变量后，控制系统便确定出XYZ三维空间内的画面映射到XY屏幕上的数学关系。水平、垂直读出地址运算器将针对这一数学关系进行运算，得出水平、垂直地址。

例如，当画面进行压缩时，控制系统针对操作盘给出的画面压缩量，从主CPU输出一个代表画面压缩后从帧存储器中读出的第一个像素的地址数据和地址增量数据，增量数据指示出画面压缩时每个读出像素跃过的像素间隔数，水平、垂直地址运算器便根据起始数据产生帧存储器的水平、垂直起始读出地址，然后再将这个地址加上一个增量值进行运算，得到下一个地址……帧存储器的水平、垂直地址就产生了。但是，当画面做倾斜或旋转运动时，用上述方法求出的水平、垂直地址不能直接控制帧存储器像素读出，这时Z地址运算器也工作，根据画面在XYZ三维空间内倾斜或旋转的角度计算出画面上每一个像素点对XY平面的映射系数，再送到水平、垂直地址运算器中对每一个水平、垂直读出地址进行修改，从而使画面旋转时Z轴的变化量折算到XY平面上。这样，在水平、垂直地址中都包含了Z轴的影响，得到了三维空间内的透视效果。因此，Z地址运算器又称透视效果运算器。

F.压缩带宽系数发生器

压缩带宽系数发生器的作用是给出正确的带宽滤波系数去控制压缩带宽滤波器的滤波带宽，达到消除混叠干扰的目的。

读地址的地址变化率与图像的尺寸变化有着对应的关系，只要在水平方向、垂直方向上逐次地从后一个样值地址减去前一个样值地址，便得到了地址变化率，进而知道图像的尺寸变化。压缩带宽系数发生器就是根据这一点，接收地址发生器中的水平、垂直读出地址数据，进行相应的数学运算，将结果送到压缩带宽滤波器的PROM。

以画面缩小、放大的情况为例。当画面在水平、垂直方向各压缩至原画面的一半时，水平方向每隔一个像素读出一次，其读出地址每次增加两个数，垂直方向每隔一个水平行读出一行，其地址每次也增加两个数，这样就得到水平、垂直方向的地址变化率，即都为2。图像放大时，如果使图像在水平方向上扩展一倍，那么图像水平方向上每个像素读取两次，其地址每两次增加一个数，地址变化率是0.5，垂直方向上画面并未扩展与压缩，所以其地址变化率仍为1。

G.键信号发生器

键信号发生器的作用是产生键信号输出。这里的键信号一般是前景图像的四条边的边缘信号，以便前景与背景图像混合。由键信号发生器产生的键信号对特技画面而言是一个8bit的自键信号，它不仅保持前景画面自身的形状，还能跟踪对画面尺寸、位置、旋转等参数的控制。为了消除画面倾斜时边缘不平滑，键信号发生器中一般还设计了去台阶处理电路。

H.背景/键混合器

背景/键混合器的作用是使前景信号与由彩色发生器产生的背景混合，使经过特技变换的画面出现在彩色背景上。

背景/键混合器的输出可以是加上彩色背景的信号，也可以是未加背景的特技变换画面自身的信号。当前，有些数字特技设备中增加了输入背景信号通路，背景/键混合器可以使特技画面直接键控在输入的活动背景图像上。

背景/键混合器的视频输出和键信号输出一同送到输出处理电路。

（3）特技控制系统

特技控制系统有两个CPU，分为主CPU和辅助CPU。主CPU的主要功能有：提供数字特技机各块电路板的控制地址和控制数据，系统数据在数据RAM中进行计算，在场消隐期间送到各个系统；通过以太网控制器与以太网连接；通过RS-422串行遥控接口，与切换台、编辑控制器相连，另外还有两个辅助接口以及与控制键盘连接的RS-422接口；监视GPI输入并驱动GPI输出；产生控制时钟电路。

辅助CPU主要控制监视器显示及键盘、磁盘驱动等，即CRT驱动电路、磁盘驱动电路、键盘双口存储器等操作，并有一个上/下计数器，用于传递由控制旋转参数的按键送入的信号，它通过RS-232和RS-422接口用电缆与主CPU板连接。