论文部分内容阅读
【摘要】随着视音频数字技术的发展，人们对图像和伴音的要求也越来越高，为了更好地满足观众欣赏高品质节目的需求，贵州广播电视台从2010年起，启动了贵州卫视高清频道技术项目建设，2013年10月28日，贵州卫视高清频道在贵州省内有线电视网正式开播，给观众带来了很好的收视体验。
在目前的电视播出过程中，常会出现不同节目的声音电平差异很大，带来响度的跳变；而各个节目间的响度差异巨大，当节目切换时声音会出现跳变。因此，对于伴音的播出，最重要的问题就是获得响度的一致性，同时又保证不损害动态范围，避免破坏音质。在播出系统中增加数字音频信号自动响度控制设备可以控制播出节目的整体平均响度；并可控制播出节目的峰值电平，可以很好的解决这一问题。贵州卫视高清频道也在播出末端加入了响度控制处理设备。本文简要介绍自动响度控制设备在贵州广播电视台高清播出系统中的应用、以及实际使用效果。
一.响度的概念
响度（Loudness）人耳对声音强弱的主观感觉称为响度。它是电信号转换为声波振动时度量声音能量的一个指标，我们经常说的音量其实就代表了响度。响度是一个复杂的声学仿真概念，更多的是代表听众的一种主观感觉，用单位（sone）来表示大小，和声压级、频率有密切关系，定义1000Hz、40dB纯音时响度为lsone。
通常，人们容易将声音电平和响度两个概念混淆，错误地理解为控制电平就是控制了响度。实际上，用客观指标度量音频电平本身有多种方法，如VU表、PPM表、dBFS表等，最接近人耳听觉特性的是VU表，VU表指针或条状图的摆动特性可以大致描述信号还原为声音时音量的变化，也就是人耳最终感觉到的响度变化，但也只是大致，并非特别准确，而PPM或dBFS表，则是响应于音频信号的峰值或准峰值，这类表头通常只对控制信号的峰值有用。
音频的响度是一项主观测量指标，就其本质而言，它与音频电平没有线性关系，而是具有与音频信号的实际强度相关联的心理感受特征。因此，不同的人对相同的信号感知的响度有所不同，相同的人在不同的环境对相同的信号的感知也是不相同的。
二.播出环节中常见的响度处理设备类型
1.基于全局针对素材文件的非实时响度处理设备，这种设备根据一定的策略读取存储区的素材文件，提取整个素材文件的音频数据，进行短期或长期响度分析并计算与响度预期值的差值，根据该差值进行相应的处理，处理后的音频数据重新打包生成符合播出要求的素材文件。这类设备由于是采用非实时处理方式，其对素材文件的所有音频数据进行相同大小的调整，不改变信号的动态范围，对声音质量基本无影响，适合在节目播出前部署。
2.实时响度处理设备，该种方式提取音频信号的部分信息，按照响度预期目标进行实时处理。这种方式通常改变音频序列的动态范围，对声音质量产生一定的影响，音频序列的平均输出响度与响度预期值不完全一致，这类设备由于硬件连接非常简单容易部署适合在播出线上使用。
三.我台节目播出流程和节目音频状况
我台播出节目分为三类：1.电视剧；2.自办节目；3.广告。电视剧播出时，先采集原版剧进入电视剧编辑系统，经过系统编辑后进入播出系统播出，在电视剧原版采集时上载人员会对节目音频进行调整。自办节目播出时，先通过上载服务器采集素材，然后迁移到播出服务器播出，在上载服务器采集时上载人员同样会对节目音频进行调整；广告节目播出同样通过上载服务器采集素材，但素材采集由广告部门完成，对节目音频把控相对较松。使用泰克WFM7120自带响度测量仪选择在黄金时段播出的电视剧（青春烈火）、自办节目（养生）、广告包的原始节目进行节目响度测量分析，采用ITU-R BS.1770标准，测量结果如表1所示：
从测试结果可以看出：我台电视剧节目平均响度在24LKFS左右、自办节目平均响度在22LKFS左右、广告节目的平均响度在20LKFS左右，电视剧最大响度和最小响度间大部分时间相差约5LKFS（由于测试节目有静音片段，导致最大值和最小值间相差23LKFS）、自办节目最大响度和最小响度间相差5LKFS、广告节目最大响度和最小响度间相差最大超过14LKFS。电视剧节目平均响度符合播出要求，自办节目和广告节目的平均响度偏高，广告节目之间的响度差异较大。
四.我台高清频道播出结构及自动响度控制设备使用方式
贵州卫视高清频道采用了主切换台和备切换开关双链路架构，在主切换台后使用了LA的AERO.one响度控制器，在备链路的切换开关后使用了HARRIS的APM 6803板卡式响度控制处理设备，播出系统简图如图1：
LA和HARRIS的响度控制器中都预置了大量的国际标准，并且根据大量电视台在响度和动态范围处理方面的参考数据预设了很多设置，用户可以通过调用这些设置根据自己节目的特点修改一些参数获得适合的播出效果。因此我们只需要根据播出环境选择相应的预设做适当的修改即可。在实际使用中因为大多数参数设置都相互关联，一些修改可能会产生针对当前内容不易立刻察觉的影响，加上前期厂家已针对各种类型的音乐、电视剧、情景剧、谈话节目等等做过优化，在实际使用中LA我们选择了Chinese_TV预设，HARRIS我们选择了MED预设。两者都是目标响度基于ITU BS.1770测量标准的24 LKFS的预设，该预设项提供了温和的动态范围处理，可用于各类节目内容。值得注意的是为保证所有声道信号处理的一致性，所有处理器中必须调用统一的预置效果，设置参数也应尽可能相同。
五.响度处理设备性能和实际使用效果测试
1.HD-SDI接口特性测试
自动响度控制处理设备是播出通道中关键设备，其技术指标的优劣会直接影响通道特性，因此我们首先对其进行了通道指标的测试，测试时按照实际播出链路进行测试：高清数字视频信号由总控矩阵输入，经总控矩阵、帧同步器、高清数字视频分配器、高清频道主切换器、切换台、由LA AERO.one自动响度控制器输出，测试结果见表2： 高清数字视频信号由总控矩阵输入，经总控矩阵、帧同步器、高清数字视频分配器、高清频道主切换器、切换台、由Harris APM6803自动响度控制器输出，测试结果见表3：
HD-SDI接口特性测试数据显示两种设备均符合通道技术指标要求，采用切换台加LA AERO.one自动响度控制器的主通路处理后的声话完全同步，采用切换开关加HARRIS APM6803自动响度控制器的备通路处理后的声音比画面稍微超前Ims，但远小于l帧，也符合相关技术要求，观众察觉不到声话不同步的现象，完全满足播出要求。
2.实际使用效果测试
自动响度控制器的通道性能完全符合相关要求，接下来我们关心的问题是它到底在响度方面起到了什么作用，效果如何。我台目前播出节目主要分电视剧、自办节目、广告三类，我们分别对三类节目的实际使用效果进行了测量。
由于主播出链路使用切换台播出，在进入响度前有音频处理环节，可对音频进行增益调整，测试时将切换台音频增益调整设置为Odb。在黄金时段选取一集电视剧、一档自办栏目和一段广告包直接对实际播出信号进行测量，测量时从视频服务器后视频分配器取信号对素材原始响度进行测量，在播出末端视频分配器分别取主、备通路信号进行处理后的响度测量，测量使用泰克WFM7120采用ITU-R BS.1770标准，设定基准值-24LKFS。
（1）电视剧
通过实际测试可以看出电视剧由于前期制作相对较为规范，整个节目能够保持在一定舒适的响度范围内，经过播出系统响度控制后能较好的保持一个整体舒适的平均响度范围。测试结果截图对比如图2所示：
测量结果见表4：
（2）自办节目
自办节目在规范性上相对电视剧较差，整体节目响度偏大，但在整个节目内响度能够控制在一定范围内，节目响度差异不大，通过播出线上的响度控制设备处理后能控制在一个整体舒适的平均响度范围。测试结果截图对比如图3所示：测量结果见表5表5自办节目响度测量结果
（3）广告
广告节目由于制作不规范，各个制作单位水平不一、目前没有相关的响度标准，导致节目响度差异较大，部分广告商出于商业目的制作时故意提高响度，在制作阶段对节目进行严重的压缩限幅处理，电平非常标准，可是还原出来的响度严重破坏了频道整体的均匀响度水平，通过播出线的响度控制设备处理后仍然能控制在一个整体舒适的平均响度范围。测试结果截图对比如图4所示：
测量结果见表6：
通过对各种不同节目声音大小进行对比分析，结合对三类节目平均响度的测量结果，我们发现当音量过大超过预设值时，经过响度控制设备后会被按比例压低，且声音还原度好，没有破音。相反，当音量过小低于预设值时，经过响度控制设备后会被按比例放大。两种响度控制设备都能很好的控制节目播出响度，且处理后的节目平均响度趋于一致，使节目平均响度长期保持在一个舒适区域给观众带来了应有的听觉审美感受。
六.存在的问题
在贵州卫视高清频道播出后我们发现，在少部分节目之间仍然存在声音大小跳变的现象，这种情况大多出现在广告节目当中。选取出现声音跳变的广告节目在视频服务器重新播放，并在视频服务器节点和播出末端节点取信号进行响度测量分析。测量结果截图对比如图5所示：测量结果见表7：
从测量结果可以看出在没有经过响度处理设备处理前，该节目最大响度达到15LKFS，最小响度34LKFS两者差值达到19LKFS，响度发生跳跃处差值也接近这一数值。经过响度控制处理设备后最大响度达到-17LKFS，最小响度29LKFS两者仍然相差12LKFS，响度发生跳跃处差值仍然有10LKFS。根据相关机构研究，只要响度不脱离 “舒适区”，听众就可以接受一定的响度变化，“舒适区”是指偏离理想响度值约+3LU至5LU的响度区间，我国实测的响度舒适点的响度理想值对应23 LKFS。我台在播出线上使用的响度控制设备属于实时响度控制，实时响度调整设备处理音频时先提取音频的部分信息，按照响度预期目标进行实时调整，当音量过大超过预设值时，经过响度控制设备后会被按比例压低。相反，当音量过小低于过预设值时，经过响度控制设备后会被按比例放大。这种方式节目的平均输出响度与响度预期值不完全一致。部分广告节目之间由于响度差异太大即使经过实时响度处理仍然难以达到“舒适区”要求，当相邻两条节目间声音大小差异过大时即使通过实时响度处理设备处理，仍然会存在声音大小跳变。
七.结论
在播出系统中增加数字音频信号自动响度控制设备可以控制播出节目的整体平均响度；并可控制播出节目的峰值电平，保证安全播出。自动响度控制器在我台播出系统中使用后极大的改善了我台节目播出质量，减轻了工作人员的工作强度，起到了事半功倍的效果。但响度控制的最大目的是提升播出品质，改善观众收视体验，它不仅仅是播出部门的事，响度控制器也只是最基本的规范手段，并不能完全改善播出音频质量，采用这种方式还会改变节目的动态范围，对节目的音质带来一定的影响。基于全局的响度调整为非实时应用能够通过计算与响度预期值的差值，根据该差值进行相应的调整。这种方式对节目的所有音频信号进行相同大小的调整，不改变信号的动态范围，对声音质量基本无影响，在节目制作后播出前对节目文件进行操作即能改善音效又能保证播出，当前这种方式更适合目前播出环境。要彻底改善节目响度，提高播出质量还要寻找更加清晰有效的标准和制作方法，提高音频制作、传输水平，将响度控制由播出末级逐步向制作领域前推，在节目制作源端实现响度标准、在末端对节目传输环节加以规范，给观众带去更美好的视听感受。
在目前的电视播出过程中，常会出现不同节目的声音电平差异很大，带来响度的跳变；而各个节目间的响度差异巨大，当节目切换时声音会出现跳变。因此，对于伴音的播出，最重要的问题就是获得响度的一致性，同时又保证不损害动态范围，避免破坏音质。在播出系统中增加数字音频信号自动响度控制设备可以控制播出节目的整体平均响度；并可控制播出节目的峰值电平，可以很好的解决这一问题。贵州卫视高清频道也在播出末端加入了响度控制处理设备。本文简要介绍自动响度控制设备在贵州广播电视台高清播出系统中的应用、以及实际使用效果。
一.响度的概念
响度（Loudness）人耳对声音强弱的主观感觉称为响度。它是电信号转换为声波振动时度量声音能量的一个指标，我们经常说的音量其实就代表了响度。响度是一个复杂的声学仿真概念，更多的是代表听众的一种主观感觉，用单位（sone）来表示大小，和声压级、频率有密切关系，定义1000Hz、40dB纯音时响度为lsone。
通常，人们容易将声音电平和响度两个概念混淆，错误地理解为控制电平就是控制了响度。实际上，用客观指标度量音频电平本身有多种方法，如VU表、PPM表、dBFS表等，最接近人耳听觉特性的是VU表，VU表指针或条状图的摆动特性可以大致描述信号还原为声音时音量的变化，也就是人耳最终感觉到的响度变化，但也只是大致，并非特别准确，而PPM或dBFS表，则是响应于音频信号的峰值或准峰值，这类表头通常只对控制信号的峰值有用。
音频的响度是一项主观测量指标，就其本质而言，它与音频电平没有线性关系，而是具有与音频信号的实际强度相关联的心理感受特征。因此，不同的人对相同的信号感知的响度有所不同，相同的人在不同的环境对相同的信号的感知也是不相同的。
二.播出环节中常见的响度处理设备类型
1.基于全局针对素材文件的非实时响度处理设备，这种设备根据一定的策略读取存储区的素材文件，提取整个素材文件的音频数据，进行短期或长期响度分析并计算与响度预期值的差值，根据该差值进行相应的处理，处理后的音频数据重新打包生成符合播出要求的素材文件。这类设备由于是采用非实时处理方式，其对素材文件的所有音频数据进行相同大小的调整，不改变信号的动态范围，对声音质量基本无影响，适合在节目播出前部署。
2.实时响度处理设备，该种方式提取音频信号的部分信息，按照响度预期目标进行实时处理。这种方式通常改变音频序列的动态范围，对声音质量产生一定的影响，音频序列的平均输出响度与响度预期值不完全一致，这类设备由于硬件连接非常简单容易部署适合在播出线上使用。
三.我台节目播出流程和节目音频状况
我台播出节目分为三类：1.电视剧；2.自办节目；3.广告。电视剧播出时，先采集原版剧进入电视剧编辑系统，经过系统编辑后进入播出系统播出，在电视剧原版采集时上载人员会对节目音频进行调整。自办节目播出时，先通过上载服务器采集素材，然后迁移到播出服务器播出，在上载服务器采集时上载人员同样会对节目音频进行调整；广告节目播出同样通过上载服务器采集素材，但素材采集由广告部门完成，对节目音频把控相对较松。使用泰克WFM7120自带响度测量仪选择在黄金时段播出的电视剧（青春烈火）、自办节目（养生）、广告包的原始节目进行节目响度测量分析，采用ITU-R BS.1770标准，测量结果如表1所示：
从测试结果可以看出：我台电视剧节目平均响度在24LKFS左右、自办节目平均响度在22LKFS左右、广告节目的平均响度在20LKFS左右，电视剧最大响度和最小响度间大部分时间相差约5LKFS（由于测试节目有静音片段，导致最大值和最小值间相差23LKFS）、自办节目最大响度和最小响度间相差5LKFS、广告节目最大响度和最小响度间相差最大超过14LKFS。电视剧节目平均响度符合播出要求，自办节目和广告节目的平均响度偏高，广告节目之间的响度差异较大。
四.我台高清频道播出结构及自动响度控制设备使用方式
贵州卫视高清频道采用了主切换台和备切换开关双链路架构，在主切换台后使用了LA的AERO.one响度控制器，在备链路的切换开关后使用了HARRIS的APM 6803板卡式响度控制处理设备，播出系统简图如图1：
LA和HARRIS的响度控制器中都预置了大量的国际标准，并且根据大量电视台在响度和动态范围处理方面的参考数据预设了很多设置，用户可以通过调用这些设置根据自己节目的特点修改一些参数获得适合的播出效果。因此我们只需要根据播出环境选择相应的预设做适当的修改即可。在实际使用中因为大多数参数设置都相互关联，一些修改可能会产生针对当前内容不易立刻察觉的影响，加上前期厂家已针对各种类型的音乐、电视剧、情景剧、谈话节目等等做过优化，在实际使用中LA我们选择了Chinese_TV预设，HARRIS我们选择了MED预设。两者都是目标响度基于ITU BS.1770测量标准的24 LKFS的预设，该预设项提供了温和的动态范围处理，可用于各类节目内容。值得注意的是为保证所有声道信号处理的一致性，所有处理器中必须调用统一的预置效果，设置参数也应尽可能相同。
五.响度处理设备性能和实际使用效果测试
1.HD-SDI接口特性测试
自动响度控制处理设备是播出通道中关键设备，其技术指标的优劣会直接影响通道特性，因此我们首先对其进行了通道指标的测试，测试时按照实际播出链路进行测试：高清数字视频信号由总控矩阵输入，经总控矩阵、帧同步器、高清数字视频分配器、高清频道主切换器、切换台、由LA AERO.one自动响度控制器输出，测试结果见表2： 高清数字视频信号由总控矩阵输入，经总控矩阵、帧同步器、高清数字视频分配器、高清频道主切换器、切换台、由Harris APM6803自动响度控制器输出，测试结果见表3：
HD-SDI接口特性测试数据显示两种设备均符合通道技术指标要求，采用切换台加LA AERO.one自动响度控制器的主通路处理后的声话完全同步，采用切换开关加HARRIS APM6803自动响度控制器的备通路处理后的声音比画面稍微超前Ims，但远小于l帧，也符合相关技术要求，观众察觉不到声话不同步的现象，完全满足播出要求。
2.实际使用效果测试
自动响度控制器的通道性能完全符合相关要求，接下来我们关心的问题是它到底在响度方面起到了什么作用，效果如何。我台目前播出节目主要分电视剧、自办节目、广告三类，我们分别对三类节目的实际使用效果进行了测量。
由于主播出链路使用切换台播出，在进入响度前有音频处理环节，可对音频进行增益调整，测试时将切换台音频增益调整设置为Odb。在黄金时段选取一集电视剧、一档自办栏目和一段广告包直接对实际播出信号进行测量，测量时从视频服务器后视频分配器取信号对素材原始响度进行测量，在播出末端视频分配器分别取主、备通路信号进行处理后的响度测量，测量使用泰克WFM7120采用ITU-R BS.1770标准，设定基准值-24LKFS。
（1）电视剧
通过实际测试可以看出电视剧由于前期制作相对较为规范，整个节目能够保持在一定舒适的响度范围内，经过播出系统响度控制后能较好的保持一个整体舒适的平均响度范围。测试结果截图对比如图2所示：
测量结果见表4：
（2）自办节目
自办节目在规范性上相对电视剧较差，整体节目响度偏大，但在整个节目内响度能够控制在一定范围内，节目响度差异不大，通过播出线上的响度控制设备处理后能控制在一个整体舒适的平均响度范围。测试结果截图对比如图3所示：测量结果见表5表5自办节目响度测量结果
（3）广告
广告节目由于制作不规范，各个制作单位水平不一、目前没有相关的响度标准，导致节目响度差异较大，部分广告商出于商业目的制作时故意提高响度，在制作阶段对节目进行严重的压缩限幅处理，电平非常标准，可是还原出来的响度严重破坏了频道整体的均匀响度水平，通过播出线的响度控制设备处理后仍然能控制在一个整体舒适的平均响度范围。测试结果截图对比如图4所示：
测量结果见表6：
通过对各种不同节目声音大小进行对比分析，结合对三类节目平均响度的测量结果，我们发现当音量过大超过预设值时，经过响度控制设备后会被按比例压低，且声音还原度好，没有破音。相反，当音量过小低于预设值时，经过响度控制设备后会被按比例放大。两种响度控制设备都能很好的控制节目播出响度，且处理后的节目平均响度趋于一致，使节目平均响度长期保持在一个舒适区域给观众带来了应有的听觉审美感受。
六.存在的问题
在贵州卫视高清频道播出后我们发现，在少部分节目之间仍然存在声音大小跳变的现象，这种情况大多出现在广告节目当中。选取出现声音跳变的广告节目在视频服务器重新播放，并在视频服务器节点和播出末端节点取信号进行响度测量分析。测量结果截图对比如图5所示：测量结果见表7：
从测量结果可以看出在没有经过响度处理设备处理前，该节目最大响度达到15LKFS，最小响度34LKFS两者差值达到19LKFS，响度发生跳跃处差值也接近这一数值。经过响度控制处理设备后最大响度达到-17LKFS，最小响度29LKFS两者仍然相差12LKFS，响度发生跳跃处差值仍然有10LKFS。根据相关机构研究，只要响度不脱离 “舒适区”，听众就可以接受一定的响度变化，“舒适区”是指偏离理想响度值约+3LU至5LU的响度区间，我国实测的响度舒适点的响度理想值对应23 LKFS。我台在播出线上使用的响度控制设备属于实时响度控制，实时响度调整设备处理音频时先提取音频的部分信息，按照响度预期目标进行实时调整，当音量过大超过预设值时，经过响度控制设备后会被按比例压低。相反，当音量过小低于过预设值时，经过响度控制设备后会被按比例放大。这种方式节目的平均输出响度与响度预期值不完全一致。部分广告节目之间由于响度差异太大即使经过实时响度处理仍然难以达到“舒适区”要求，当相邻两条节目间声音大小差异过大时即使通过实时响度处理设备处理，仍然会存在声音大小跳变。
七.结论
在播出系统中增加数字音频信号自动响度控制设备可以控制播出节目的整体平均响度；并可控制播出节目的峰值电平，保证安全播出。自动响度控制器在我台播出系统中使用后极大的改善了我台节目播出质量，减轻了工作人员的工作强度，起到了事半功倍的效果。但响度控制的最大目的是提升播出品质，改善观众收视体验，它不仅仅是播出部门的事，响度控制器也只是最基本的规范手段，并不能完全改善播出音频质量，采用这种方式还会改变节目的动态范围，对节目的音质带来一定的影响。基于全局的响度调整为非实时应用能够通过计算与响度预期值的差值，根据该差值进行相应的调整。这种方式对节目的所有音频信号进行相同大小的调整，不改变信号的动态范围，对声音质量基本无影响，在节目制作后播出前对节目文件进行操作即能改善音效又能保证播出，当前这种方式更适合目前播出环境。要彻底改善节目响度，提高播出质量还要寻找更加清晰有效的标准和制作方法，提高音频制作、传输水平，将响度控制由播出末级逐步向制作领域前推，在节目制作源端实现响度标准、在末端对节目传输环节加以规范，给观众带去更美好的视听感受。