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你知道什麼是 SMPTE 時碼嗎?

已更新:8月19日




SMPTE時碼是一套合作標準,用時碼標示視訊(Video)或膠捲(Film)個別的影格(Frame)。該系統由「美國電影電視工程師協會(Society of Motion Picture and Television Engineers)」在SMPTE 12M規格中定義。SMPTE在2008年修訂了該標準,將其變成一份由兩部分組成的文件:SMPTE 12M-1SMPTE 12M-2,包括新的解釋及澄清。


時碼被添加到膠捲、視訊或音訊素材中,也被用於同步音樂和戲劇製作。它們為編輯、同步化和識別提供時間參考。時碼是一種媒體的中繼資料(Metadata)。時碼的發明讓現代錄影帶剪輯(Videotape Editing)成為可能,並最終得以發展出非線性剪輯系統(Non-Linear Editing - NLE)


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基本概念

SMPTE時碼以小時:分鐘:秒:格(Hour:Minute:Second:Frame)的格式呈現,通常以32位元的二進碼十進數(Binary-Coded Decimal - BCD)編碼表示。除此之外,還有Drop-Frame及Color Framing標誌(Flag),及3個用於定義使用者位元(User Bits)使用的額外二進碼群組標誌位元(Binary Group Flag Bit)。其他種類的SMPTE時碼格式源自於線性時碼(Linear Timecode)。更複雜的時碼,例如:垂直間隔時碼VITC(Vertical Interval Timecode),也可包含各種編碼的額外資訊。



BCD利用了任何一個十進位數字都可用4位元的樣式(Pattern)來表示。一個明顯的數位編碼方式是Natural BCD(NBCD),其中每個十進位數都由其對應的4位二進碼數值來表示,如圖表所示,這也稱為「8421」編碼


次秒(Sub-Second)時碼的時間值以影格(Frame)表示。常見支援的影格速率包括:


  • 24格/秒(電影、ATSC、2K、4K、6K)

  • 25格/秒(PAL(歐洲、烏拉圭、阿根廷、澳洲)、SECAM、DVB、ATSC)

  • 29.97(30 ÷ 1.001)格/秒(NTSC美國系統(美國、加拿大、墨西哥、哥倫比亞等)、ATSC、PAL-M(巴西))

  • 30格/秒(ATSC)


一般而言,SMPTE時碼的影格速率資訊是隱含的(Implicit),可從媒體的時碼到達速率得知。它也可在媒體中編碼的其他中繼資料中指定。多個位元(包括Color Frame及Drop Frame位元)的解釋,取決於基礎資料速率(Data Rate)。尤其是Drop Frame位元只對29.97及30格/秒有效。


SMPTE時碼訊號(邏輯值1由週期中點的轉換表示。邏輯值0則表示沒有這樣的轉換)與外觀相似的曼徹斯特碼(Manchester Code - 邏輯值0表示在週期中點由高轉低,邏輯值1表示由低轉高)的比較。





不連續時碼和飛輪處理(Flywheel Processing)

時碼是以連續串流(Stream)等量資料值(Sequential Data Value)的方式產生,在某些應用中使用牆上時鐘的時間,而在其他一些應用中,編碼的時間則是具有更多任意參考(Arbitrary Reference)的概念時間(Notional Time)。在進行一系列錄製或粗剪之後,錄製的時碼可能會由不連續的片段組成。


一般而言,目前影格格的線性時碼(Linear Timecode - LTC)需等到該格已經過後才能知道,屆時再進行剪輯已經太遲。實務的系統觀察時碼的遞增序列(Ascending Sequence of the Timecode),並據此推斷目前影格的時間。


由於類比系統中的時碼容易發生位元錯誤(Bit-Error)和丟失(Drop-Out),因此大多數時碼處理設備都會檢查時碼值序列的內部一致性,並使用簡單的錯誤修正方案來修正短暫的錯誤。因此,不連續的時碼範圍之間的邊界,必須經過數個後續的影格才能準確判斷。




Drop-Frame 時碼

Drop-Frame 時碼源自於彩色NTSC視訊發明時的折衷方案。NTSC設計者希望保留與現有單色(Monochrome)電視的相容性。為了在單色接收器上盡量減少副載波(Subcarrier)的可見度,必須使彩色副載波成為線掃描頻率一半的奇數倍;最初選擇的倍數為495。在30 Hz影格速率(Frame Rate)下,行掃描頻率(Line Scan Frequency)為(30 × 525) = 15750 Hz。因此副載波頻率應該是495/2 × 15750 = 3.898125 MHz


這是最初選用的副載波頻率,但測試顯示,在某些單色接收器上,可以看到彩色副載波與4.5 MHz聲音間載波(Sound Intercarrier)之間的拍子所造成的干擾圖案。若將副載波頻率倍數降至455(因此拍動頻率(Beat Frequency)從約600 kHz增加至約920 kHz),並使拍動頻率也等於行掃描頻率一半的奇數倍數,則可大幅降低此干擾圖案的可見度。後一項變更可透過將聲音載波頻率提高0.1%至4.5045 MHz來完成,但設計人員擔心這可能會對某些現有接收器造成問題,因此決定將彩色副載波頻率降低0.1%,進而降低行掃描頻率和影格速率。因此NTSC彩色副載波最終為3.57954 MHz(315/88 MHz),行掃描頻率為15.734265 kHz(9/572 MHz),影格速率為29.970029 Hz(30/1.001 Hz)


改變的影格速率意味著,以29.97格/秒的標稱影格速率計算的一小時時碼,要比一小時的掛鐘時間長3.6秒(對於29.97 Non Drop Frame時碼01:00:00:00的Drop Frame時碼為01:00:03;18,而對於Non Drop Frame時碼00:59:56:12的Drop Frame時碼為01:00:00;00),這導致了一天中幾乎有一分半鐘的誤差


為了糾正這個問題,我們發明了Drop Frame SMPTE時碼。儘管其名稱暗示著什麼,但在使用Drop Frame時碼時,並不會丟棄或跳過任何視訊影格(Video Frame),而是忽略(Drop)部分的時碼。為了讓一小時的時碼與牆上時鐘的一小時相符,除了分鐘數可被10整除的之外,


Drop Frame時碼會跳過每分鐘第一秒第0和第1格。這會讓時碼每十分鐘跳過18格(18,000格@30格/秒),幾乎完美的補償了速率上的差異(但仍會每9小時15分鐘累積1格)。

影格計數忽略的範例:

01:08:59:28

01:08:59:29

01:09:00:02

01:09:00:03


每十分鐘

01:09:59:28

01:09:59:29

01:10:00:00

01:10:00:01


Non Drop Frame時碼的顯示方式是以冒號分隔數字 –“HH:MM:SS:FF”,而Drop Frame時碼則通常以分號(;)或句點(.)作為所有數字之間的分隔符 - HH;MM;SS;FF、HH.MM.SS.FF - 或僅在秒與格之間 - HH:MM:SS;FF 或 HH:MM:SS.FF。Drop Frame時碼通常縮寫為DF,而Non Drop Frame時碼則縮寫為NDF




Color Frame 和時碼

彩色影格位元(Color Framing Bit)通常用來指示Color Frame的Field 1,以便剪輯設備可確保只在適當的Color Frame序列邊界上進行剪輯,以防止影像損壞。



攝影棚的運作和主時鐘

在電視攝影棚作業中,縱向(Longitudinal)時碼(LTC)由攝影棚主同步產生器(Master Sync Generator)產生,並從中央點分發。中央同步產生器(Central Sync Generator)的計時通常來自原子鐘,使用網路時間或GPS。攝影棚通常使用多個時鐘,並在其中一個失效時自動切換。



音樂製作

縱向SMPTE時碼廣泛用於音樂同步。在美國、日本和其他以60 Hz為主頻率、並使用NTSC電視標準的國家,音訊通常使用30格/秒的影格速率。歐洲廣播聯盟(European Broadcasting Union)的標準影格速率為25格/秒,在歐洲、澳洲及主頻率為50 Hz、且使用PAL或SECAM電視標準的任何地方都有使用。




時碼的衍生

時碼可以用多種不同的方式,附加到錄製的媒介上。


  1. 線性時碼(Linear Timecode),又稱為縱向時碼(LTC):適合錄製在音訊通道上,或由音訊線傳送至攝影棚內,以同步錄影機和攝影機。要讀取LTC,錄影片必須是播放狀態,也就是說,當錄影片靜止或幾乎靜止時,LTC是沒有用的。而此缺點促成了VITC的發展。

  2. 垂直間隔時碼(Vertical Interval Timecode - VITC,發音為“vit-see”):記錄在每一格視訊上視訊訊號的垂直消隱間隔中。VITC的優點在於,由於它是播放視訊的一部份,因此可以在磁帶靜止時讀取。

  3. AES-EBU內嵌時碼(Embedded Timecode),嵌入在AES3數位音訊連接(Digital Audio Connection)中的SMPTE時碼。

  4. Control Track Longitudinal Timecode(CTL時碼):嵌入在錄影帶控制軌道(Control Track)中的SMPTE時碼。

  5. 可見時碼(Visible Timecode),又稱為燒錄時碼(Burnt-in Timecode)和BITC(發音為“bit-see”) - 將數字燒錄在視訊影像中,讓人類可以輕易讀取時碼。複製錄影帶時,將這些時碼數字燒入影像中,稱為“視窗配音(Window Dubs)”。

  6. 膠捲標籤(Film Tag),例如:Keykode


燒錄時碼(Burnt-in Timecode)


歷史沿革

在1960年代後期,時碼有過幾次迭代(EECO、DaVinci、Seimens 等)。SMPTE所採用的版本是由Leo O'Donnell在為加拿大國家電影局工作時所開發的。Leo的版本參考了一天中的時間,並使用了從火箭遙測中衍生出來的80-Bit Word。Leo的版本曾獲得數項專利(例如:US3877799)。從那時起,SMPTE已經進行了數次變更,以跟上科技的腳步。








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