電視臺超高清電視播出面臨的問題及系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃探討

傅 榮

（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺，招遠(yuǎn) 265400）

電視臺超高清電視播出面臨的問題及系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃探討

傅 榮

（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺，招遠(yuǎn) 265400）

本文首先對超高清電視技術(shù)進(jìn)行了介紹，然后對4K電視播出所面臨的問題進(jìn)行了分析，最后結(jié)合超高清播出的必然趨勢，對4K播出的總體架構(gòu)、IP化、全媒體發(fā)布、智能化運行監(jiān)管等前沿技術(shù)進(jìn)行了有益探討。

4K；播出系統(tǒng)；智能化監(jiān)管

1 引言

從電視誕生至今不到一百年的時間里，電視技術(shù)不斷創(chuàng)新，畫面質(zhì)量不斷提升，視覺感受顯著增強。今天，技術(shù)依然在加速發(fā)展。高清尚未完全普及，超高清已經(jīng)到來，具備高動態(tài)范圍（HDR）的超高清緊隨其后，且呈現(xiàn)不可阻擋之勢。根據(jù)行業(yè)發(fā)展規(guī)律與人眼視覺特性需求，超高清電視系統(tǒng)終將取代高清系統(tǒng)。

超高清數(shù)字電視的出現(xiàn)和發(fā)展體現(xiàn)了電視行業(yè)不斷變革的不竭動力，其內(nèi)在的本質(zhì)原因在于畫質(zhì)依然是電視最為核心的要素，只有具備出色的畫質(zhì)表現(xiàn)，才能真正吸引消費者的眼球。超高清數(shù)字電視是一個系統(tǒng)工程，涉及一系列的關(guān)鍵技術(shù)，如超高清信號的攝錄、存儲、壓縮處理、傳輸、接收和顯示等，電視臺超高清播出室系統(tǒng)建設(shè)也將成為不可回避的話題。

2 超高清電視技術(shù)簡介

超高清電視（UHDTV），是目前高清電視的下一代技術(shù)，根據(jù)分辨率劃分包括4K超高清和8K超高清兩種。主要具有如下技術(shù)特點：

（1）超清晰分辨率。4K超高清其分辨率為3840×2160包含829400個像素點，8K超高清分辨率為7680×4320，包含33177600個像素點。分辨率越高代表所能呈現(xiàn)的畫面質(zhì)量越清晰，越能展現(xiàn)更多的畫面細(xì)節(jié)。

（2）觀賞距離。電視觀看距離與屏幕尺寸、分辨率相關(guān)，相對高清電視而

言，4K技術(shù)發(fā)展使得像素點距縮小，用戶近距離觀看時不會感覺畫面像素邊緣排列，同時給用戶帶來“滿視野”觀看的現(xiàn)場感。人眼的中心視野約為50°，以此作為最佳收視視野，觀看距離為3m，觀眾可以分辨的像素密度最多為50ppi，4K分辨率已基本能滿足觀眾對120寸電視機(jī)所需分辨率的需求（5120×2880）。

（3）色彩提升。繼續(xù)提高分辨率不會改善電視觀賞體驗，因此，超高清電視技術(shù)發(fā)展改進(jìn)重點轉(zhuǎn)移到色域、色彩、準(zhǔn)確度指標(biāo)上，正如杜百川先生提出超高清技術(shù)公式UHD=HR+HDR+HFR+HQS（超高清=高清晰度＋高動態(tài)范圍和更寬色域＋高幀率＋高質(zhì)量環(huán)繞聲），其中，HDR正成為超高清技術(shù)中的技術(shù)熱點。

（4）音頻處理技術(shù)。采用22.2聲道的音頻重放系統(tǒng)，MPEG也在制定相關(guān)的多聲道標(biāo)準(zhǔn)SAC。而同時Dolby，DTS，Auro也分別給出了Dolby atmos，DTS:X，Auro 3D三種不同的解決方案。

（5）HEVC編碼技術(shù)。分辨率及采樣率的提升帶來了超高清電視數(shù)據(jù)量顯著增加，因此必須采用新的編碼技術(shù)以降低節(jié)目傳輸及存儲的數(shù)據(jù)量。作為通信領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定組織ITU-T與作為電氣及電子領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定組織ISO/IEC聯(lián)合，于2013年發(fā)布了“高效視頻編碼（HEVC）”標(biāo)準(zhǔn)，命名為H.265。采用靈活的編碼結(jié)構(gòu)包括編碼單元（CU）、預(yù)測單元（PU）和變換單元（TU），靈活的塊結(jié)構(gòu)—— RQT，采樣點自適應(yīng)偏移SAO以及并行化設(shè)計思路，在保持主觀畫面質(zhì)量不變情況下，相對于現(xiàn)有H.264編碼效率提高一倍。通過H.265壓縮的4K超高清節(jié)目碼率可控制在16～25Mb/s。

3 4K電視播出面臨的問題

廣播電視從標(biāo)清數(shù)字電視發(fā)展到高清電視用了十年時間，從設(shè)備使用壽命及更新?lián)Q代來說是比較合適的周期。而目前國內(nèi)數(shù)字電視高清化的發(fā)展才剛剛開始，只有中央臺及十幾家省級電視臺的部分頻道完成了高清化改造，部分衛(wèi)視及大量的地面頻道仍然使用標(biāo)清信號播出。因此，橫空出世的超高清技術(shù)面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的狀況，而在現(xiàn)階段甚至是挑戰(zhàn)大于機(jī)遇的局面。

目前支持4K的設(shè)備還比較少，而且均剛剛面世，并沒有大規(guī)模商用，其穩(wěn)定性和可靠性還需要經(jīng)過實踐的檢驗。新產(chǎn)品帶來的劣勢就是高昂的價格，對于剛剛投入高清化改造的各電視臺來說，要實現(xiàn)4K電視的播出，在技術(shù)和資金方面均需要承擔(dān)較大的壓力。以招遠(yuǎn)臺實際情況為例分析目前4K電視播出面臨以下問題：

（1）首先是傳輸方面，我臺內(nèi)系統(tǒng)主要使用電纜傳輸方式。以百通-1694電纜為例，標(biāo)清SDI信號傳輸比特率為270Mb/s，傳輸距離不到300米，高清SDI信號傳輸比特率為1.485Gb/s，傳輸距離約70～80米。而超高清SDI信號傳輸速率至少高達(dá)6Gb/s，可見其對電纜質(zhì)量的要求更高，在使用同樣線材傳輸?shù)臈l件下傳輸距離更短。因此，現(xiàn)有的播出系統(tǒng)無法滿足超高清信號傳輸?shù)幕緱l件，只是對現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行超高清化的升級換代也不能實現(xiàn)超高清播出。

在當(dāng)前的技術(shù)條件下解決傳輸問題可行的方法有二：一是將4K信號拆分為4路高清SDI信號進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)傳輸，在編碼輸出端之前再將其合并成4K信號，這種方式對現(xiàn)有系統(tǒng)資源的占用量是很大的，相應(yīng)的系統(tǒng)擴(kuò)容工作量及資金投入也是相當(dāng)可觀的；二是使用over IP的傳輸方式，目前交換機(jī)的傳輸速率已經(jīng)可以達(dá)到10Gb/s，可以滿足4K的傳輸需求，即使使用主流的千兆交換機(jī)也可以通過端口匯聚的方式提高傳輸速率，達(dá)到4K傳輸要求。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，IP流傳輸?shù)姆€(wěn)定性也越來越高，可以說，IP傳輸是未來的發(fā)展方向，但對于傳統(tǒng)電視臺來說需要新建一整套系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)及資金投入同樣巨大。

（2）再從數(shù)字化播出方式來看，目前我臺所有頻道均采用服務(wù)器的文件化播出方式。一般來說標(biāo)清文件的碼率為12Mb/s，24小時單頻道節(jié)目容量為12×3600/8/1024×24=126.5GB。高清文件的碼率為50Mb/s，24小時單頻道節(jié)目容量為50×3600/8/1024×24=527.3GB。顯然超高清文件的碼率更大，占用的硬盤容量也更大（大概是高清的4倍），所以對服務(wù)器的讀寫速度及容量的要求也更高。

（3）目前，我臺很多節(jié)目已經(jīng)采用網(wǎng)絡(luò)化送播方式，節(jié)目都會在主干平臺上進(jìn)行傳輸。一般一條高清素材在各節(jié)點直接的傳輸速率為15MB/ s～40MB/s。而超高清文件要比高清文件大很多，如果要提高傳輸速率就會加大系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，容易造成系統(tǒng)崩潰；而若不提速的話又會大大延長傳輸時間，甚至?xí)绊懝?jié)目的正常播出。所以要滿足超高清文件的網(wǎng)絡(luò)送播勢必要對現(xiàn)有的主干系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級，這樣才能夠滿足播出的需求。不過隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在十萬兆的光纖交換機(jī)也已經(jīng)面世了，相信可以緩解超高清文件對系統(tǒng)帶來的負(fù)擔(dān)。

4 4K播出建設(shè)規(guī)劃

2014年4月，全球首個超高清有線電視頻道U-max在韓國上線，播出紀(jì)錄片、動畫、現(xiàn)場音樂會和體育賽事等100個超高清節(jié)目內(nèi)容。大連天途有線電視公司在2014年8月開通了國內(nèi)首個4K實驗頻道，樂視網(wǎng)、江蘇網(wǎng)絡(luò)廣播電視臺等互聯(lián)網(wǎng)平臺也進(jìn)行了一些4K節(jié)目播出嘗試。隨著超高清電視終端逐漸進(jìn)入用戶家庭，超高清傳輸測試不斷取得成功，超高清電視系統(tǒng)終將取代高清系統(tǒng)。

目前，部分電視臺正在建設(shè)4K播出分發(fā)系統(tǒng)，隨著各項技術(shù)的進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化，超高清播出已經(jīng)是發(fā)展趨勢。

4.1 4K播出整體架構(gòu)

圖1 4K播出架構(gòu)拓?fù)鋱D

圖1是根據(jù)現(xiàn)有播出架構(gòu)，結(jié)合主流的技術(shù)趨勢以及技術(shù)發(fā)展方向，設(shè)計的一套針4K播出的架構(gòu)規(guī)劃。

由圖1可見，臺內(nèi)有制作系統(tǒng)、媒資系統(tǒng)，通過臺內(nèi)的互聯(lián)平臺，實現(xiàn)與播出的素材交互；臺外通過專用通道實現(xiàn)門戶上傳。4K演播室、4K制作系統(tǒng)通過總控IP調(diào)度平臺與播出完成4K IP信號調(diào)度。播出系統(tǒng)中具有統(tǒng)一的技審平臺，將全臺的送播素材統(tǒng)一匯聚到該平臺進(jìn)行技審和送播，素材通過統(tǒng)一技審后提交到4K IP播出系統(tǒng)，由4K播出系統(tǒng)發(fā)送到全媒體分發(fā)系統(tǒng)，4K播出系統(tǒng)支持獨立的4K頻道、高清頻道、手機(jī)頻道、網(wǎng)絡(luò)頻道。全媒體分發(fā)平臺，可以將播出系統(tǒng)提供的信號轉(zhuǎn)換成不同的碼流，分發(fā)到各個不同的平臺。4K播出系統(tǒng)信號處理采用SDI Over IP，發(fā)布采用TS Over IP。

4.2 超高清播出

超高清能夠帶給人們更好的視聽效果，但是同時對存儲、帶寬、傳輸?shù)确矫嬗兄鴺O高的要求。在電視方面，需要考慮采集收錄、制作存儲、播出分發(fā)、終端接收這幾個環(huán)節(jié)，目前播出分發(fā)是實現(xiàn)4K的技術(shù)難點。

要實現(xiàn)4K播出分發(fā)，技術(shù)關(guān)鍵是解決信號傳輸，由于超高的分辨率，無壓縮的4K原始碼流需要12Gb/s，現(xiàn)在國內(nèi)普遍的高清是1.5Gb/s，大部分線纜及設(shè)備能支持3Gb/s。現(xiàn)在業(yè)界考慮IP技術(shù)來承載SDI信號的傳輸，SMPTE 2022-6 標(biāo)準(zhǔn)對SDI Over IP 已經(jīng)進(jìn)行規(guī)范。

面對4K傳輸，為了盡量提高帶寬的利用率并降低成本，可以采用淺壓縮的方式進(jìn)行信號傳輸，如TICO淺壓縮的方式可以使普通的3G-SDI傳輸4K信號。

4.3 IP化

實現(xiàn)IP化首先需要標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，目前SMPTE 2022-6定義了高碼率視頻信號通過IP傳輸需要遵守的具體協(xié)議：主要采用IP組播協(xié)議，因為是采用的以太網(wǎng)三層協(xié)議，因此支持通用的交換機(jī)；采用低壓縮或者未壓縮的視頻通過IP傳輸；能夠在有線或無線局域網(wǎng)進(jìn)行傳輸；具有VANC同步機(jī)制。SMPTE 2022標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了壓縮、無壓縮的視頻傳輸及無中斷的保護(hù)機(jī)制，為視音頻信號通過IP傳輸?shù)耐茝V創(chuàng)造了可行性。

現(xiàn)在很多傳統(tǒng)的視音頻廠商正在嘗試著向IP化轉(zhuǎn)型，IP矩陣、IP多畫面、IP與SDI互轉(zhuǎn)等設(shè)備都已經(jīng)成型，隨著SMPTE 2022的規(guī)范不斷細(xì)化，以及各個廠家之間不斷摸索和合作，SDI Over IP也能夠像傳統(tǒng)的SDI信號一樣普及，各家的設(shè)備能夠兼容，共同完成系統(tǒng)的搭建。

現(xiàn)在SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)推動了全I(xiàn)P化的進(jìn)程，其核心理念將網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)處理功能與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件解耦合，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拆為應(yīng)用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)三層分離架構(gòu)，與傳統(tǒng)的SDI的矩陣?yán)砟詈芟嗨?，而且SDN能夠靈活配置流量管道，提供給視音頻更多的流量管道，保證視音頻傳輸質(zhì)量，同時能夠動態(tài)調(diào)整資源分配，進(jìn)行接入控制，適用于全I(xiàn)P化后的廣電場景。

目前實現(xiàn)全I(xiàn)P化難度還很高，必然會經(jīng)歷長時間的IP和SDI混播的情況，但是IP化已經(jīng)是時代發(fā)展的必然結(jié)果。IP化后系統(tǒng)架構(gòu)會精簡很多，如果采用40G光纖，能夠傳輸不少于25路無壓縮的高清信號或者100路TICO 4∶1壓縮的高清信號，兩根40GB光纖就能取代大量的銅線。IP化后系統(tǒng)會更加靈活，只需要通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，就可以實現(xiàn)信號分配調(diào)度。

4.4 超融合架構(gòu)

超融合架構(gòu)（HCI）是軟件定義數(shù)據(jù)中心的一種基礎(chǔ)架構(gòu)，是指在同一套單元設(shè)備中不僅具備計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和服務(wù)器等資源和技術(shù)，而且還包括備份軟件，快照技術(shù)、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、在線數(shù)據(jù)壓縮，多套單元設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)聚合，實現(xiàn)模塊化的無縫橫向擴(kuò)展，實現(xiàn)統(tǒng)一的資源池。

傳統(tǒng)的網(wǎng)路架構(gòu)由各自獨立的運算、存儲、網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備組成，引入超融合架構(gòu)后，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將用通用服務(wù)器設(shè)備組成含有跨節(jié)點的統(tǒng)一存儲池，上層部署軟件和應(yīng)用?？梢酝ㄟ^增加節(jié)點數(shù)來擴(kuò)充系統(tǒng)的運算性能和存儲空間，提供服務(wù)的高可用和數(shù)據(jù)保護(hù)能力。

對于未來規(guī)劃的播出系統(tǒng)，頻道規(guī)模相對較多，且系統(tǒng)具有統(tǒng)一的技審平臺和全媒體分發(fā)平臺，需要處理臺內(nèi)外的素材資源，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的分發(fā)處理，因此對存儲和數(shù)據(jù)處理的能力要求相對較高。因為超融合架構(gòu)的資源調(diào)派不涉及底層實體硬件，因此系統(tǒng)底層采用統(tǒng)一的x86架構(gòu)，上層部署相應(yīng)的文件管理和應(yīng)用，處理存儲、技審、遷移、分發(fā)等一系列任務(wù)。這樣不僅能夠利于整個系統(tǒng)的維護(hù)、擴(kuò)容，還能提高整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)處理能力和響應(yīng)速度，對于提高系統(tǒng)效率而言是不錯的選擇。

4.5 全媒體發(fā)布

全媒體發(fā)布平臺能夠?qū)⒐?jié)目統(tǒng)一發(fā)布到有線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、網(wǎng)站門戶、手機(jī)APP、社交網(wǎng)站等?？紤]到每個平臺受眾的觀看習(xí)慣和偏好不一樣，因此發(fā)布的時間、內(nèi)容、重點也需要有所調(diào)整。

無論是電視、PC還是電視，都是采用自定義觀看方式，用戶可以自定義自己的點播頻道和直播頻道，系統(tǒng)根據(jù)用戶的觀看習(xí)慣進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和推送。

4.6 智能化運行監(jiān)管

智能化運行監(jiān)管平臺是為了輔助未來播出系統(tǒng)安全運行而建設(shè)的，在現(xiàn)有監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)上，增加了自動化電子巡檢、設(shè)備健康指數(shù)分析、知識庫管理、多元化報警提示等人性化功能。

5 結(jié)束語

目前的高清信號已能夠基本滿足人們的收視需求，畫面的清晰度較標(biāo)清信號有了顯著的提升。但是，就像當(dāng)初從模擬走向數(shù)字、從標(biāo)清走向高清的發(fā)展歷程一樣，人們的需求總是伴隨著科技的進(jìn)步而不斷提高的。隨著4K終端的普及，H.265編碼以及HDMI傳輸技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)?K信號接入普通民眾的家中，對超高清信號源的需求量一定會越來越大。因此，在市場需求的驅(qū)動下，超高清播出最終將會成為我們技術(shù)發(fā)展的一個方向。

[1] 李超．超高清晰度電視與三維電視進(jìn)展[J]．電視技術(shù)，2011,35（22）:19-24

[2] 俞斯樂．電視原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2012

Phononic為亞太地區(qū)提供高性能電子冷卻解決方案

作為一家通過固態(tài)技術(shù)來革命性創(chuàng)新冷卻與加熱方案的公司, Phononic近日宣布，在中國臺灣省成立銷售辦事處，聘請亞太地區(qū)總監(jiān)，并與富泰科技成為戰(zhàn)略合作伙伴以擴(kuò)大其全球業(yè)務(wù)范圍至亞太地區(qū)。

Problems Faced by Ultra High Definition TV Broadcasting and System Construction Plan

Fu Rong
(Zhaoyyuan Television Station, Zhaoyuan, 265400)

This paper firstly introduces ultra high definition TV technology，Then analyses the problems faced by 4K television broadcast, Finally, combined with the inevitable trend of ultra high definition broadcast, broadcast on 4K overall architecture, IP, the entire media release, cutting-edge technology such as intelligent operation regulation has carried on the beneficial discussion.

4K; Playout System; Intelligent Monitoring

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.014

TN94

A

1672-7274（2017）03-0050-04

傅 榮，1973年生，助理工程師，主要從事廣播電視技術(shù)工作。