超高清技術在電視播出中的實踐應用分析

陳明培

摘 要：本文對超高清技術應用于電視播出中的優(yōu)勢進行了分析，指出超高清技術應用于電視播出具有超清晰的分辨率、高動態(tài)范圍以及色彩提升等優(yōu)勢。不過，超高清技術應用于電視播出中也存在一些需要關注的問題，因此，應當對超高清技術在電視播出中的具體應用加以規(guī)劃，這樣才能確保超高清技術更好地應用到電視播出之中。

關鍵詞：超高清技術 電視播出 應用

從模擬到數字，從SD到HD再到UHD，從SDR到HDR，從單聲道到立體聲到環(huán)繞聲再到三維聲，從SDI傳輸到IP傳輸，從單一電視網絡分發(fā)到全媒體分發(fā)，電視在許多方面發(fā)生了質的飛躍?，F階段，高清技術還未能得以全面應用與普及，超高清技術便已出現，超高清圖像清晰度更加細膩，色彩亮度表現更加豐富，符合人們越來越高的觀賞需求，超高清技術必將取代高清技術，成為電視未來發(fā)展的方向。

然而，要把超高清節(jié)目送到百姓家里面臨著許多關鍵技術，比如信號采集制作，信源壓縮編碼，傳輸信道編碼以及電視接收、解碼和顯示等。

一、超高清技術在電視播出中的優(yōu)勢

1.分辨率

ITU-R BT.2020和SMPTE ST 2036-1定義了超高清電視系統(tǒng)的顯示分辨率，4K為3840*2160像素，8K為 7680*2160像素，高寬比為16：9，與高標清分辨率相比，超高清分辨率在圖像上更加精細，能提供給用戶更加細膩的畫面效果。

2.幀率

BT.2020標準定義超高清畫面的幀率為23.976p、24p、25p、29.97p、30p、50p、59.94p、60p、120p，并且都采用逐行掃描。高幀率刷新速度快，觀眾所看到畫面會更加逼真，動作也更加流暢。

3.色域

ITU-R BT.2020定義了超高清電視更寬的色彩空間。傳統(tǒng)的BT.709色彩空間是普通藍光的標準，它只占BT.2020色彩空間的35.9%，超高清BT.2020色彩空間可以顯示更多的色彩，令畫面表現更加生動。

4.色深

ITU-R BT.2020定義4K超高清色深為10bit，8K 超高清色深為12bit。以4K為例，灰度級別為1024，能顯示10.7億種顏色，而傳統(tǒng)藍光標準色深為8bit，只能顯示1677萬種顏色，可見，10bit色彩數量遠大于8bit的，因此色彩過渡更加流暢自然。

5.HDR 高動態(tài)范圍成像技術

當前的SDR畫面亮度范圍僅1000：1，遠低于真實自然界的亮度范圍和正常人眼能感知的視覺亮度范圍，大量的亮度細節(jié)損失掉了。按照ITU建議書，HDR 目標是使畫面的動態(tài)范圍達到人眼在瞳孔不調節(jié)情況下觀看到的亮度范圍是200000：1，這樣的畫面能看到明亮的高光層次和更厚重的暗部細節(jié)，還原出更多的色彩信息。所以說，HDR技術增加了亮度和彩色信息量，通過信息量的增加提升了圖像質量。

6.多聲道三維聲

SMPTE ST 2036-2定義超高清音頻為22.2聲道結構，頂層放置9個聲道，中間放置10個聲道，底層布置3個聲道，從而形成上、中、下3個環(huán)繞聲場。這種具有包圍感的聲場，有物體上下移動的聲音效果，使人感受到處于真實的三維立體空間之中。

二、超高清電視在播出設計中需要關注的問題

目前可供選擇的超高清設備并不多，設備的可靠性和穩(wěn)定性都有待于實踐的檢驗。下面以4K電視為例討論一下超高清在播出設計中需要關注的幾個方面。

1.傳輸方面

超高清電視信號傳輸率遠大于高清電視信號，目前傳輸4K信號可采用以下幾種方式，但各自還存在一些問題。一是采用4根3G-SDI信號線進行組合傳輸，雖然當前的同軸電纜能承載3G-SDI信號，但線纜的數量增加了四倍，使得系統(tǒng)建設成本大幅提高，并且結構復雜不便于靈活擴展，使用成本和維護難度都是問題。二是采用一根12G-SDI信號線傳輸4K信號，這需要高帶寬專用的傳輸線纜，不過即使這樣，12Gbps高數據率SDI信號的傳輸距離還是會受到影響，不適合遠距離傳輸。三是將視音頻信號IP封裝后利用以太網進行傳輸，其布線簡單，傳輸距離不受限，但是電視信號IP傳輸實時性要求很嚴格，必須解決丟包、延時、同步等問題，另外基帶IP化的標準SMPTE 2022僅是技術標準框架，各廠商的解決方案并不相同，造成不能在IP域直接實現互通互連，統(tǒng)一開放標準ST2110在2017年底發(fā)布了部分內容。綜上所述，系統(tǒng)設計中究竟采用哪種傳輸方式應綜合各種情況來決定。

2.播出文件編碼格式

大部分4K節(jié)目是以文件的方式傳輸到播出存儲再通過視頻服務器播出的。4K超高清信號編碼后的文件碼率遠高于高清的，素材文件采用什么樣的播出碼率非常重要，關系到播出系統(tǒng)素材文件的存儲容量和讀寫帶寬。播出碼率高，對各級存儲的容量和讀寫帶寬要求就高，而播出碼率低，節(jié)目的質量就會受到影響，文件編碼格式是設計播出系統(tǒng)需要關注的一個問題。

3.同步和延時問題

目前通常還是用4路3G-SDI來傳輸4K信號，采用4路信號傳輸時，因為信號在傳輸過程中的微小差別，很有可能會導致4路信號不能完全同步，相位偏差超過規(guī)定閾值，視頻服務器等設備識別不出4K信號。所以采用4路3G-SDI并行傳輸4K信號時，如何保證4路信號的同步是非常重要的。

4.控制精度問題

SDI播出視頻服務器及周邊設備的控制通常是由播出控制機通過RS422發(fā)送VDCP指令來實現的，傳統(tǒng)高、標清播控系統(tǒng)中基于25P的播控邏輯和相關技術不能適用，如何對50P素材達到幀精度的控制是一個值得關注的問題。

三、超高清播出系統(tǒng)設計規(guī)劃

超高清播出系統(tǒng)主要由播出總控、播控系統(tǒng)、整備系統(tǒng)、編單系統(tǒng)、監(jiān)控網管系統(tǒng)等組成，并與制作系統(tǒng)、媒資片庫以及全臺節(jié)目分發(fā)系統(tǒng)實現互聯(lián)互通，超高清播出運行架構如圖1所示。下面以超高清4K為例來進行論述。

1.4K文件化節(jié)目的播出

大部分4K節(jié)目是以文件的方式傳輸到播出系統(tǒng)通過視頻服務器播出的，4K信號首先經過攝像機拍攝記錄編碼成文件，然后通過非編制作、文件整備直到視頻服務器解碼播出。

（1）4K節(jié)目的采集制作入庫。常用的4K攝像機有sony的F55、F5，支持4K RAW和XAVC視頻記錄格式。Blackmagic Design的Blackmagic URSA，支持RAW和Apple ProRes 格式。松下4K專業(yè)攝像機Varicam35，支持無損4K RAW 輸出。

非編系統(tǒng)有蘋果系統(tǒng)Final Cut Por 7，支持Apple ProRes422編碼格式；Final Cut Por X 10.0.8支持SDR和HDR制作，安裝XAVC插件PDZK-LT2后支持XAVC編碼格式。主流非編系統(tǒng)還有Edius PRO 7、Premiere Pro CC、Vegas Pro 12、Media Composer 7、Sobey EditMax10等。

制作域目前主流的幾種4K編碼方式ProRes422 HQ （1.5Gbps）、DNxHR （1.5Gbps）、XAVC（500Mbps）、AVC Ultra（735Mbps）。有人做過測試，發(fā)現1.5Gbps和500Mbps相比，沒什么明顯的優(yōu)勢，碼率提高三倍并沒有帶來質量方面顯而易見的提升。拍攝和制作4K電視時需要高效率4K編碼格式，4K/50p信號如果采用XAVC（500Mbps），碼率適中，符合電視節(jié)目對速度與質量的雙重需求。

采用不同的編碼格式和封裝格式制作完成的4K文件都存入全臺的媒資片庫。

（2）編單與整備。按照節(jié)目單的播出順序對要播的節(jié)目文件自動進行準備。播出系統(tǒng)根據節(jié)目單從媒資片庫獲取待播文件，通過轉碼、MD5校驗、自動技審由遷移服務器將文件遷移至播出二級存儲，人工復檢模塊讀取二級存儲中的文件，解碼輸出后通過技監(jiān)設備進行信號審看，人工復檢通過后，文件通過服務器遷移至視頻服務器等待播出。

媒資系統(tǒng)存儲的是制作碼率和制作格式的節(jié)目文件，有XAVC 4K編碼，MXF格式、ProRes422 LT 4K編碼，MOV格式、DNxHR，MXF格式等等。播出系統(tǒng)從媒資片庫獲取節(jié)目文件時，必須對其格式及碼率進行轉碼，轉換成視頻服務器統(tǒng)一的播出格式。

目前4K視頻服務器比如SpectrumX支持XAVC Intra 500Mbps MXF OP-1a等文件播出，如果采用播出碼率為500Mbps，以一個頻道為例，每天8個小時播出量，存儲30天節(jié)目，則可算出二級存儲容量如下：220GB（每小時節(jié)目文件容量）×8（小時）×30（天）/80%=65TB。

如果三倍速讀寫，同時讀寫兩個流，則可算出二級存儲讀寫帶寬如下：寫帶寬為500×3×2=375MBps，讀帶寬500+500×3×2=438MBps，混合讀寫帶寬約813MBps。

如果視頻服務器能支持XAVC lgop MXF OP-1a文件播出，播出碼率降為200Mbps，那么二級存儲容量和讀寫帶寬的負擔將減輕許多。

（3）4K文件的解碼播出。根據節(jié)目單，系統(tǒng)會將節(jié)目文件從二級存儲遷移至頻道對應的播出視頻服務器磁盤陣列（三級存儲），播出下級機根據節(jié)目單的播出時間，控制視頻服務器進行解碼播出。

采用一體化播出服務器，其技術核心是將文件解碼、信號切換、圖文包裝和鍵控器等功能軟件化，運行在通用的計算平臺上。一體化播出服務器使得播出系統(tǒng)得到進-步優(yōu)化。

SpectrumX是一體化播出服務器，支持xavc Intra 500Mbps MXF OP-1a等文件格式。以單頻道為例，如果按每天8個小時播出量，存儲7天節(jié)目，則可算出三級存儲容量如下：220GB（每小時節(jié)目文件容量）*8（小時）*7（天）/80%=15TB。

如果按三倍速寫三級存儲，則寫入帶寬如下：500Mbps*3/8=187.5MBps。

與二級存儲相同，如果視頻服務器支持XAVC lgop MXF OP-1a文件播出，播出碼率降為200Mbps，那么三級存儲容量和讀寫帶寬的負擔也將減輕許多。

2.總控4K信號的播出

除了文件化的節(jié)目播出外，還有通過總控傳來的外來信號的播出，主要包括演播室直播信號和從衛(wèi)星接收下來的信號。4K信號實時傳輸上有較大的瓶頸，有兩種方法傳輸。一是4K信號采用4路3G信號進行傳輸，但4路信號之間的同步要求是極其嚴格的，需要嚴格保證四路高清信號相互間的延時量不能超過0.5ms。外來信號特別是從衛(wèi)星接收下來的信號，由于通常要經過處理，處理過程中某環(huán)節(jié)上的細微差別會導致4路信號之間出現不同步，因此在進入播出系統(tǒng)之前，應通過幀同步板卡，以保證四路信號之間嚴格的同步關系。intoPIX公司提出的TICO視頻淺壓縮方案，壓縮比為4：1，可以將1路12Gbps信號或者4路3Gbps信號壓縮到一路3Gbps在普通的3G-SDI電纜上傳輸，同時保證圖像質量，所以第二種方法是通過TICO視頻淺壓縮把信號送到播出域，再通過TICO解碼器還原出4K-SDI信號，然后經播出矩陣送到視頻服務器播出。

3.播出控制系統(tǒng)

播控系統(tǒng)AV鏈路示意圖如圖2所示。

SpectrumX視頻服務器兼容SDI和MXF文件播出，視頻服務器內部能夠進行兩種不同信號來源的處理，支持SDI信號和本地MXF文件的切換。服務器具備RS422和IP控制接口，支持VDCP LOUTH、Oxtel和API 控制協(xié)議。

為了保證安全播出，播出系統(tǒng)配置了4K應急介質播放器和4K墊片播放器，緊急情況時可以采用介質或切換到墊片播放器播出。

總控信號、應急介質信號、墊片信號通過播出矩陣進入視頻服務器。播出控制機根據節(jié)目單控制播出矩陣、視頻服務器和介質播放器，完成視頻播出、信號切換、圖文疊加。

關于控制精度，由于我國超高清4K節(jié)目多采用50P素材，所以之前高、標清播控系統(tǒng)中25P的播控邏輯需要更新，目前采用VDCP控制擴展協(xié)議，使得播控軟件能識別節(jié)目單中關于50P文件的出入點，并可對50P素材PLAY等操作做到幀級別的控制。

4. 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控平臺采用全域對象統(tǒng)一管理將IT及AV設備、網絡、軟件、業(yè)務、信號監(jiān)控等有機結合，實現基礎設備環(huán)境、基礎平臺、鏈路信號、文件流程、運行維護的全域監(jiān)控。監(jiān)控服務包括監(jiān)控信息采集、監(jiān)控策略管理和監(jiān)控信息展現。

5.節(jié)目分發(fā)傳輸系統(tǒng)

通過電視節(jié)目分發(fā)系統(tǒng)，不僅可以把電視節(jié)目發(fā)布到傳統(tǒng)的有線網絡和衛(wèi)星網絡，還可以通過新媒體接口，把電視節(jié)目發(fā)布到各個網站、移動軟件等平臺之中，人們可以通過電視機、電腦、手機等不同的終端在任何時間任何地方欣賞高質量的電視節(jié)目。為了滿足各層次觀眾不同的收視習慣，各平臺在節(jié)目播出內容和時間上可以做針對性的安排，并且系統(tǒng)能夠依照用戶具體行為完成大數據的處理以及節(jié)目推送工作。

為了規(guī)范超高清電視信號的傳輸，國際標準組織圍繞衛(wèi)星、有線、地面和網絡傳輸方式都出臺了相關的標準。HEVC/H.265標準是目前公認的4K編碼壓縮技術，相比AVC/H.264，HEVC/H.265碼率降低了一半，這對高碼率的4K超高清信號的實時傳輸是非常有利的。我國針對4K超高清電視應用，近年自主研發(fā)了視頻編碼技術，簡稱AVS2.0，該標準將作為我國4K超高清電視視頻編碼標準。

四、小結

超高清電視已向人們走來，清晰細膩的畫面、豐富逼真的色彩和高質量的聲音給人們帶來享受的同時，也給電視臺超高清電視節(jié)目播出提出了迫切的要求。目前，廣東4K超高清頻道已經開播，2018年國慶節(jié)中央電視臺4K超高清頻道也要開播。隨著技術的發(fā)展，超高清播出系統(tǒng)的不斷完善，越來越多超高清節(jié)目將走近人們的視野。

參考文獻：

[1]崔建偉.中央電視臺4K項目研究與進展[J].現代電視技術，2016（5）.

[2] Michael Steel，劉巍.廣播電視IP化——從理論到實踐[J].現代電視技術，2015（10）.

[3]姜斌.淺析4K超高清現場制作系統(tǒng)的基本架構[J].現代電視技術，2015（12）.

[4]丁研，韓沖.4K電視架構淺談與歐洲杯4K測試系統(tǒng)實踐[J].現代電視技術，2016（10）.

（作者單位：中央電視臺）