□劉海蘭 李海彬 李榮瑋 黎朗

淺談視頻文件幀頻轉換的一些方法及常見問題

□劉海蘭 李海彬 李榮瑋 黎朗

國內電視的播出幀頻是25幀/秒，但很多攝錄設備并不按此幀頻進行拍攝，要將這些視頻在電視上播出，必須進行幀頻轉換。本文主要闡述幀頻轉換的一些技術要點和注意事項，并針對幀頻轉換的一些方法進行重點介紹和分析。

幀頻；電視制式；采樣時間

在使用非編系統制作電視節(jié)目時，常常會遇到不同攝錄設備產生的視頻文件，既有記者使用專業(yè)攝像機拍攝的視頻，也有通過相機、手機拍攝的視頻，但在節(jié)目制作中，一些電腦上播放流暢的視頻，經過非編軟件處理后在電視機上播出時，畫面卻出現抖動，這是怎么回事呢？較大的可能是原始視頻的幀頻與電視播出的幀頻不同造成的。

一、電視制式和幀頻

在模擬電視時代，電視分為NTSC、PAL、SECAM三大制式。

（一）NTSC制式電視的分辨率為720×480，幀頻為每秒29.97幀(一般簡化為30幀)，場頻為每秒60場，這種制式的色度信號調制特點為平衡正交調幅制，即包括了平衡調制和正交調制兩種。

（二）PAL制式電視的分辨率為720×576，幀頻為每秒25幀，場頻為每秒50場，它對同時傳送的兩個色差信號中的一個色差信號采用逐行倒相，另一個色差信號進行正交調制方式，是中國目前使用的制式。

（三）SECAM制式電視的分辨率為720×576，幀頻為每秒25幀，場頻為每秒50場，在信號傳輸過程中，亮度信號每行傳送，而兩個色差信號則逐行依次傳送。

幀頻（frame rate）是指每秒鐘放映或顯示的幀或圖像的數量。因為以前的電視機使用顯像管來成像，所以三大制式都采用隔行掃描的方式，即將1幀畫面分為奇數場和偶數場來顯像，因而場頻是幀頻的一倍。

由于三大制式之間的參數不同，在使用錄像機進行電視節(jié)目的編輯時，不同制式的錄像帶是不能互相兼容的，制式間的轉換也需要專門的設備，一般很少進行轉換。

在數字電視時代，電視制式被漸漸忽略了，至少在節(jié)目制作域中，它已經被淡化了。因為電視素材的來源，已不僅僅是用專業(yè)的攝像機來錄制的視頻，手機、照相機、攝像頭等設備都可以錄制視頻并以文件的方式存儲，這些文件是沒有制式之說的。

但是視頻的幀頻對于電視的播出仍然是重要的，因為國內各電視臺的節(jié)目播出，標清采用PAL制，高清采用1080 50i，其幀頻都是25幀/秒，在使用非編軟件制作電視節(jié)目時，無論原始視頻的幀頻是多少，最終必須轉換為25幀/秒，而幀頻的轉換可能會影響最終的節(jié)目成像質量。

二、幀頻和采樣間隔時間的關系

人眼視覺惰性的活動閾值是每秒24次，即每秒鐘連續(xù)顯示24幅以上的不同靜止畫面時人眼就會感覺圖像是連續(xù)運動的而不會把它們分辨為一幅幅靜止畫面。

在拍攝電視時，視頻的錄制并不是連續(xù)的，而是每隔一個固定的時間拍攝一幀畫面并記錄下來，播放時再按拍攝的速度進行重放，由于相鄰兩幀畫面的間隔時間很短，人眼看來就是連續(xù)的了。

根據設置的幀頻，可以確定每秒記錄幾幀畫面，以及相鄰兩幀畫面的采樣間隔時間，它與幀頻的計算公式為：采樣間隔時間=1000毫秒÷幀頻。當幀頻為25幀/秒時，1000÷25=40毫秒，30幀/秒時約等于33.33毫秒，50幀/秒時等于20毫秒，每幀畫面的時間戳將按這個間隔遞增。

拍攝時使用的幀頻越高，記錄的畫面就越多，圖象細節(jié)也會更豐富。在一些體育賽事的轉播中，經常會使用高速攝像機以電視幀頻兩倍以上的速度錄制視頻信號，再將錄制幀頻轉換為電視的播出幀頻；而在慢動作重放時，這些在正常播出時沒有用到的畫面發(fā)揮了很大的作用，它讓我們看到的慢動作過程是連貫的而不是卡頓的。

看到這里，你可能會有一種感覺，就是從高的幀頻轉為低的幀頻是沒有損失的，就像將一張4000×2250像素的照片，縮小到1920×1080像素，放到1280×720的顯示器里觀看，圖片的質量并不會降低。那幀頻從高向低轉換，是否也是這樣的？這個需要看情況而定。圖1是25幀/秒分別與30幀/秒、50幀/秒的采樣時間對比。

從圖1可以知道，除原點（即0ms）外，25幀/秒與30幀/秒每秒鐘內對畫面進行采樣的時間點位是不相同的；而50幀/秒采樣畫面的時間點，會與25幀/秒的出現重合周期。

當采用播出幀頻的倍頻錄制視頻時，如50幀/秒，將其幀頻降為25幀/秒，只需將50幀/秒的畫面每兩幀抽取1幀，即可降為25幀/秒，視頻的連續(xù)性基本不會有任何的影響，音頻也不會不同步，這就是為什么高速攝像機采用多倍頻進行記錄的原因。

而如果是反過來將25幀/秒提升至50幀/秒時也很方便，將25幀畫面每幀寫入2次即可，雖然畫質沒有提高，但不會出現任何問題。

圖1 視頻采樣記錄時間

但將幀頻從30幀/秒轉至25幀/秒，或者反方向轉換時，就沒有這么幸運了，由于兩者的采樣間隔時間不成整數倍關系，無論如何處理，都會對視頻的連續(xù)性和視音頻的同步產生些許影響。

三、降低幀頻的常用方法

國內電視制式的幀頻是25幀/秒，而手機、相機拍攝時常用的幀頻是30幀/秒，一方面拍攝者可能不清楚幀頻對電視播出的影響，另一方面某些手機、相機不支持以25幀/秒拍攝，因此幀頻從30幀/秒降為25幀/秒是比較常見的，下面介紹幾種降低幀頻的方法。

（一）丟棄部分幀并重組視頻

這種方法常見于轉碼軟件，轉換時將每秒30幀的圖像，每隔數幀丟棄1幀，將剩下的25幀重新組成1秒的視頻，圖2是轉碼軟件FFMPEG降幀頻后每秒保留的原幀畫面。

圖2 FFMPEG降幀頻后的畫面分解

降幀頻后，每秒內的30幀畫面，其中的第5、11、17、23、29幀被抽走并丟棄，不再出現在新組成的視頻中，并且除了第1幀外，其它各幀的采樣時間也發(fā)生了變化，如表1所示。

表1降頻前、后采樣時間及偏差值

從表1可知，新組成的各幀畫面，采樣時間最慢的是滯后原視頻畫面約21ms，最快的是超前6ms，即有些畫面出來得慢了，有些又出來得快了，加上丟棄了5幀，畫面的

連續(xù)性較差，并且視音頻會產生輕微的不同步。

（二）相鄰兩幀做透明疊加融合

這種方法多見于非編軟件，如Edius、大洋非編軟件等，它們的做法是將相鄰的兩幀進行一個類似于半透明的過渡處理，圖3是Edius降幀頻后重新生成的畫面。

從圖3可知，相鄰的兩幀畫面按不同的透明比例進行疊加融合，并重新渲染為新的一幀畫面，從某種意義上來說，這里沒有丟棄任何一幀畫面，因此畫面的連續(xù)性可以得到保證，但是又產生一個新的問題，即融合后的畫面可能會產生少許的重影、模糊、拖尾。

圖3 Edius降幀頻后的視頻分解圖

這種方式處理的視頻，其各幀的采樣時間已不好估算，無法計算出轉換后各幀的超前和滯后情況，但視音頻輕微不同步現象仍然不可避免。

（三）降速變換

這種方法有點像慢放，即將原來每秒鐘播放30幀改為播放25幀，但后面的5幀并不丟棄，而是放到下一秒鐘，原來1秒鐘的視頻變成了1秒加200毫秒，由于每秒鐘的視頻變慢了，因此音頻也要作相應的調整，這樣才能保證聲畫同步。由于轉換工序復雜，并且視頻明顯變慢，這種方法并不常見，僅在一些特殊情況下使用。

綜上，在原始幀頻與播出幀頻不存在倍頻關系的條件下，無論采用上述的何種處理方式，在降低幀頻后，畫面都會產生一定的失真。

四、提高幀頻的常用方法

提高幀頻的方法與降低幀頻的差不多，基本上就是其逆運算過程。

（一）按比例重復插幀：根據源幀頻與目標幀頻的差值，每隔數幀向目標視頻插入一幀，如15幀/秒提高至25幀/秒時，平均每1.66幀插入相鄰的1幀。

（二）某兩相鄰幀疊加產生第3幀：原幀畫面不變，根據轉換幀頻的比例，某兩幀畫面按不同的透明度疊加產生新的第3幀。

（三）全部相鄰幀疊加產生多幀：全部畫面重新渲染，相鄰兩幀按不同的透明度產生多幀。

當幀頻低于人眼視覺惰性的活動閾值時，由于原始畫面的細節(jié)丟失嚴重，無論通過何種方式，基本上無法提高畫面質量。

五、結語

當視頻的錄制幀頻與電視幀頻不是整數倍關系時，是一個比較難以處理的情況，轉換后的視頻肯定會有一些失真。文中談及的幾種轉換方法，并未提及何種方法更優(yōu)，這需要根據視頻畫面的構成而定。我們要做的是，將轉換失真降到最低點，在有條件的情況下，盡可能采用幾種方法做轉換，在完成的視頻文件中挑選一個效果最好的。

（作者單位：廣西電視臺新聞中心）