現階段4K UHD系統(tǒng)建設特點的探討

文/李莉華

2015年，中國第一輛4K電視轉播車建成投用，依靠4根3G線的模式拉開了從HD向UHD邁進的大幕，此后，4K UHD應用實踐逐步從轉播、演播推進到試驗頻道開播。隨著技術體系的發(fā)展更新，4K UHD系統(tǒng)規(guī)劃建設出現了新的特點，有待在實踐中學習和探討。

1.基礎核心從SDI走向IP化

當前的4K UHD系統(tǒng)實踐，大多集中在演播、直播系統(tǒng)，分為兩種建設思路：一種是延續(xù)傳統(tǒng)的SDI基帶模式，從HD與UHD并存或同播需求出發(fā)，包括4K UHD＋HD、4K UHD變換HD等。4K UHD＋HD架構，核心設備如切換臺各自獨立，適合4K-HDR／HD-SDR同播制作流程，但系統(tǒng)相對冗余且布線量巨大；4K UHD變換HD架構，系統(tǒng)實質工作在HD狀態(tài)下，如切換臺字幕疊加、攝像機調整等均處于HD設置，在面對4K UHD應用時通過格式變換和HDR監(jiān)看設備完成處理，適合以HD運用為主、極少UHD需求的場景；另一種是引入IP化模式，從安播需求和技術實際出發(fā)，現階段是以IP為主體、SDI/IP混合工作，包括4K UHD IP下變換HD、4K UHD IP + HD SDI等。4K UHD IP下變換HD架構，系統(tǒng)工作在4K UHD狀態(tài)下，信號源統(tǒng)一轉換為4K UHD IP進入交換機，生產制作和信號調度均采用IP方式完成，HD應用需求通過末端下變換實現，因此，SDI在系統(tǒng)內占比明顯縮減，如承擔HD端信號監(jiān)看與調度、作為應急處置設備等，適合輸入源和節(jié)目輸出多為4K UHD的情況；4K UHD IP+HD SDI架構，4K UHD IP和HD SDI均為獨立、完整的鏈路，雖然建設預算相對較高，但便于發(fā)揮IP的先進技術和SDI的熟悉優(yōu)勢，并完全適應HD、UHD并存時期的各類應用需求。

SDI模式，系統(tǒng)架構能夠方便地從HD時代平滑升級，保持熟悉的操作模式和工作流程，并具備與HD系統(tǒng)相近似的穩(wěn)定性和可維護性，但由于基于4根3G線或者1根12G線傳輸4K UHD信號，系統(tǒng)能力和擴展性、可持續(xù)性受制于專業(yè)線纜能力的提升、接插件的損耗控制以及價格因素，難以滿足UHD系統(tǒng)未來體系化建設和業(yè)務擴展的需求，目前，多被市場化運營、著重快速生產的制作公司和更看重HD需求保障的項目選用。IP模式，從已建成運行的4K UHD系統(tǒng)來看，主要通過IP接口置換SDI接口實現IP化，采用J2K、LLVC、TICO、VC2等淺壓縮方式實現4K UHD編碼，通過SDI OVER IP完成IP化封裝與傳輸，雖然整體的IP化程度還比較低，周邊和HD視頻、音頻、通話等或多或少還需要IP/SDI格式轉換等傳統(tǒng)方式接入，但已經逐步具備IP化節(jié)省設備空間、降低布線成本、路由靈活、擴展便捷等特點，目前，在4K UHD演播、直播系統(tǒng)建設中日趨廣泛，并成為4K UHD總控調度、異地制作傳輸等系統(tǒng)規(guī)劃的首選。

2.IP化是循序漸進的系統(tǒng)工程

從業(yè)界發(fā)展的主流來看，EBU、SMPTE、VSF、AMWA、AIMS等組織提出了開放互通的媒體網絡發(fā)展路線圖，從SDI起步，以SDI OVER IP為基礎，著力推進媒體流實時傳輸的標準化、靈活性和高效率，逐步改變管理、處理和傳輸方式，創(chuàng)建全新的利用IT協議和設備的各種應用，支持規(guī)模化的系統(tǒng)級資源自動管理與設置，實現充分的協同、互作和連通，最終具備通用IP網絡安全、開放的技術特點，適應并發(fā)揮虛擬化、云化等技術優(yōu)勢?，F階段，4K UHD系統(tǒng)的IP化還處于較為初級的階段，IP化實踐還在不斷的深化與發(fā)展中。

2.1 系統(tǒng)架構

傳統(tǒng)的4K UHD系統(tǒng)架構，通常從鏈路設計的角度出發(fā)，圍繞核心設備完成工作流程各環(huán)節(jié)的配置，除了核心設備負責信號處理與路由分配等，基本不涉及系統(tǒng)化管理，僅著力于鏈路狀態(tài)的運維與監(jiān)控；引入IP模式的4K UHD系統(tǒng)，既要實現IP網絡的可管可控，又要有效運用長期共存的SDI等傳統(tǒng)專業(yè)設備，還需要構建完整有效的媒體實時處理、傳輸體系，系統(tǒng)的、全面的綜合管理和控制變得尤為重要，因此，借鑒IP網絡分層思維和SDN（軟件定義網絡）方式，分離控制與數據、業(yè)務，將系統(tǒng)架構劃分為管理控制、數據交互和業(yè)務應用部分，從應用需求出發(fā)規(guī)劃配置數據處理能力和系統(tǒng)管控能力（圖1）。

圖1 系統(tǒng)架構示意

圖2 三種IP視頻凈切換實現方式

業(yè)務應用部分，涵蓋系統(tǒng)鏈路的各個業(yè)務環(huán)節(jié)，如錄制、調度、切換、播放、監(jiān)看、通話、音頻處理等，包含傳統(tǒng)專業(yè)設備和IP化設備，按具體的業(yè)務類型適配不同的品牌和型號。管理控制部分，面向數據交互與業(yè)務應用實現集中管控，需要提供設備發(fā)現與配置、信號連接與路由管理、IP統(tǒng)一管理、設備資源統(tǒng)一管理、用戶及權限統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)測與維護等功能，還能夠行使一定的代理管理與服務能力，如實現交換機策略管理與下發(fā)、矩陣控制、音視頻聯動切換、TALLY與動態(tài)源名跟隨等。從實現機制上通常包含三個層面：頂層是SDN軟件化的管理與配置，提供設置、管理、操作的界面；中間層提供協議轉換與接口服務，具備硬件化的控制處理能力；底層獲取系統(tǒng)設備對外開放的相關代理管控信息。

數據交互部分負責控制數據和業(yè)務數據的流通，它的核心是交換機。為滿足4K UHD系統(tǒng)媒體流實時處理的要求，需要在保障帶寬的前提下支持IP視頻凈切換、有效控制IP網絡延時等。實現IP視頻凈切換的方式有源切換、交換機切換和目的地切換，前兩者需要依靠專用交換機，涉及源端控制、流表控制等，后者簡化對交換機的要求，基于IGMP（互聯網組管理協議）組播指令和目的地幀重復或短暫雙流實現切換（圖2）。為了擴大交換設備的可選性并確保成熟度，目前，傾向于采用第三種切換方式以便于選擇通用型交換機。值得注意的是，4K UHD系統(tǒng)從實時處理、傳輸的角度應當在帶寬保障方面實現無阻塞，交換設備需要基于數據流的大小配置，如交換的核心設備與邊緣設備采用葉脊結構時，主干脊交換機和葉級交換機之間的總帶寬必須大于或等于葉級交換機和連接終端之間的總帶寬，也就是必須全面評估應用設備整體的信號流量。

2.2 PTP同步

為確保在自身異步的網絡中正常運行業(yè)務，常常需要網絡設備間保持時鐘同步。4K UHD系統(tǒng)通過IP網絡實時處理與傳輸專業(yè)媒體流，更離不開高精度的網絡時間傳輸協議作為支撐。PTP（精確時間協議）通過硬件方式能夠在網絡環(huán)境中達到亞微秒級精度，它通過靜態(tài)指定配置或者Best Master Clock算法動態(tài)確定Grandmaster時鐘，作為應用PTP協議網絡的時鐘源，為域內的所有設備時間提供同步參考。網絡中的設備從時鐘節(jié)點的角度，通過PTP端口或為從上游同步時間的從（slave）狀態(tài)，或為向下游發(fā)布時間的主（master）狀態(tài)，或只是在端口間轉發(fā)PTP協議報文并進行轉發(fā)延時校正的“透明時鐘”狀態(tài)。在網絡對稱（主從之間兩個傳輸方向上的延時相同）的前提下，主時鐘和從時鐘交互同步報文并記錄報文收發(fā)時間，計算主從時鐘之間的平均傳送時間（延時）和從時鐘相對主時鐘的偏移，調整從時鐘的本地時間從而實現主從時鐘同步。在系統(tǒng)實際運行中，若測量發(fā)現平均傳送時間變化過大，可能是由交換機排隊滯留、網絡路徑改變等引起了不對稱的網絡延時，應查找引發(fā)因素并采取相應的調整措施。

按照不同的應用目的，PTP在IEEE 1588標準的基礎上具體遵循ST2059、AES67等協議要求，它既能夠提供基本頻率和相位為IP化的實時制作、傳輸等流程服務，如參考 PTP 時期起點 1970 年 1 月 1 日 00∶00∶00（TAI）確定任意時間的視頻相位,也能夠通過測量BB（Black Burst）/三電平（Tri Sync）與PTP時鐘之間的關系, 確保IP/SDI混合工作流程中SDI 和IP 視頻之間的一致性，目前已經成為4K UHD系統(tǒng)同步的基礎。

2.3 信號流傳輸

采用ST2022框架下的SDI OVER IP方式，是對視音頻及輔助數據的SDI形式添加IP、UDP、RTP、HBRMT等包頭打包，保持了視頻、音頻和輔助數據同步，也支持嵌入音頻。由于缺乏視音頻等的單獨路由，在4K UHD演播、直播流程處理和后期制作等環(huán)節(jié)面臨繁瑣的打開到像素級和重新打包過程。為了簡化制作處理的工作量，并為深化IT協議和設備應用打下基礎，符合ST2110標準的4K IP流正在成為4K UHD信號封裝和調度的標準。

在ST2110的標準下，視頻、音頻和元數據基于RTP流分別傳輸，通過公共參考時鐘、設備內部時鐘、媒體時鐘、RTP時鐘和RTP時間戳實現系統(tǒng)時序和同步。公共參考時鐘PTP通過相應協議在網絡中分發(fā)，網絡中的收發(fā)設備從其內部時鐘生成媒體時鐘并與收到的公共參考時鐘對齊以便共享時期。媒體時鐘按照固定速率前進，這個固定速率與幀速率或媒體采樣率同步，如視頻設備是90 kHz，音頻設備與所支持的PCM數字音頻采樣速率相同，可以是48 kHz、96 kHz和 44.1 kHz。RTP（流）時鐘采用與對應媒體時鐘同樣的固定速率前進，并保持與媒體時鐘的0偏移。RTP時間戳依據RTP流數據類型通過特定方式生成，能夠反映場景捕捉瞬間、信號對準點等，并結合RTP時鐘產生持續(xù)變化，是RTP流再生和同步的基礎。

視頻方面，由于ST2110僅發(fā)送視頻的有效部分，相比ST2022-6能夠顯著節(jié)約傳輸帶寬，有利于IP網絡傳送。它基本與分辨率無關（最大支持32767×32767），因此也并不局限于UHD應用，在設備適配時有利于簡化HD和UHD并存系統(tǒng)的設計。要注意的是，在2110標準框架下，設備在發(fā)送視頻RTP流時存在著多種時序類型，如窄發(fā)送（N型）、窄線性發(fā)送（NL型）和寬發(fā)送（W型），而接收RTP流的設備同樣分為窄同步接收（N型）、寬同步接收（W型）和異步接收（A型）等時序類型，只有A型的設備能夠正常接收來自N、NL、W型發(fā)送時序的信號，其他的N型和W型接收設備只能在一定條件下接收來自不同時序類型的信號，這意味著在現階段規(guī)劃建設4K UHD系統(tǒng)時，即使上下游設備（特別是不同品牌型號間）均表示其提供的是符合ST2110標準的IP流，也應當了解可能由于時序類型的不匹配或是匹配條件的改變而影響信號的正常收發(fā)。

音頻方面，ST2110目前支持PCM數字音頻的IP網絡傳輸，暫未實現數字壓縮音頻的傳送，也還不能處理如Dolby Atmos中的對象音頻。它規(guī)定了A、AX、B、BX、C、CX這6個級別，其中A級是強制級別，支持48 kHz采樣、1-8通道數、1 ms包時間，B級和C級等擴展級別則指定了更短的包時間如125us來減少延遲，更高的通道數如64來適應MADI連接的需要。雖然ST2110與AES67在同步、流傳輸、數據包設置等操作原理和強制要求上一致，但不是無條件的兼容互換，支持AES67協議的設備必須增加對流和時鐘的一些強制性約束后才能符合ST 2110標準，如設備只能處于PTP從狀態(tài)，RTP時間戳相對于媒體時鐘的恒定偏移值只能為0等。而從當前基于IP的音頻應用來看，由于常用的LiveWire+、RAVENNA、DANTE等AOIP協議僅在音頻傳輸范疇歸入了AES67協議框架，在控制管理上大都還自成體系，因此符合AOIP、AES67、ST2110協議的音頻流和模擬、數字音頻將在近段時期內在系統(tǒng)中共存，通過接口設備、交換設備在集中管控下實現統(tǒng)一的轉換和交互。

3.IP化只是手段不是目標

4K UHD系統(tǒng)傾向于利用IP技術建設，是希望利用IP網絡低成本、大容量、傳輸遠、高安全性、高擴展性等工業(yè)化、標準化體系優(yōu)勢，為4K、8K和三維聲、全景聲等更高質量、更優(yōu)體驗的視音頻實時制作、處理、傳播創(chuàng)造良好的技術環(huán)境。這個目標不可能一蹴而就，既需要IP網絡設備能力及容量的穩(wěn)步提高、相適應標準協議集的成熟完備和適用產品的大批量落地，更需要傳統(tǒng)媒體技術人員不斷地充實自身，認識和掌握更全面、更廣泛的知識，為專業(yè)化傳媒網絡的發(fā)展壯大保駕護航。