當(dāng)4K遇到了“春晚”

趙凱

【摘要】2019年的央視春節(jié)晚會進(jìn)行了4K直播，并取得圓滿成功，本文對春晚4K直播中4K超高清播出系統(tǒng)做出的重要貢獻(xiàn)從不同角度作了較詳盡的闡述。

【關(guān)鍵詞】4K HDR 色域 5.1環(huán)繞聲 異構(gòu) 應(yīng)急預(yù)案

2019年春節(jié)已經(jīng)過去，全國矚目的中央廣播電視總臺《2019年春節(jié)聯(lián)歡晚會》已圓滿結(jié)束。熱熱鬧鬧的春節(jié)晚會是除夕闔家團(tuán)圓時必不可少的娛樂方式，已經(jīng)成為許多中國人對春節(jié)的記憶。今年春晚不僅奉上了精彩的歌舞、有趣的小品、精彩的魔術(shù)和雜技等，還為廣大觀眾獻(xiàn)上一道豐盛的4K視聽大餐。4K超高清春晚直播以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動力，全面提升信號播送核心技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用能力。直播全程采用4K HDR高動態(tài)圖像和5.1環(huán)繞聲技術(shù)，采用國內(nèi)自主產(chǎn)權(quán)的編碼壓縮技術(shù)，全鏈路配置多備份的同步信號路由，制定了完善的應(yīng)急備份策略，實現(xiàn)了高安全高質(zhì)量的4K信號播出，為觀眾呈現(xiàn)了一場更高清晰度、更寬色域、更高動態(tài)范圍和環(huán)繞聲音頻的影院視聽體驗。技術(shù)先進(jìn)設(shè)計完備的4K超高清播出系統(tǒng)為4K春晚直播提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

一.4K超高清技術(shù)助力春晚

4K超高清電視給觀眾帶來的是更高的畫面品質(zhì)，更豐富的內(nèi)容和更優(yōu)質(zhì)的用戶體驗。從高清電視到超高清電視的演進(jìn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是提高了電視圖像的清晰度，而是在多個層面全方位地提升了觀眾的視聽體驗：

·4K超高清電視信號的顯示細(xì)膩度是高清電視信號的4倍以上，

高清電視信號：1920×1080 16：9

4K超高清電視信號：3840×2160 16：9

·相較于高清電視采用的隔行掃描或逐行掃描，4K超高清電視全部采用50P逐行掃描，動感畫面更流暢。

·量化由高清的8bit（可描述256色階）提升到10bit（可描述1024色階），畫面色彩及細(xì)節(jié)的表現(xiàn)力明顯提升。

·色域方面，舌形圖中顯示4K超高清BT2020占可見光范圍總面積的75.8%，高清BT709占可見光范圍總面積的35.9%，BT2020所呈現(xiàn)的色域范圍明顯大于BT709的色域范圍。這讓4k的顏色更加豐富多彩、絢麗奪目。

·高清電視信號能展現(xiàn)出的亮度范圍極為有限，畫面中亮的部分提不上去，暗的部分降不下來，導(dǎo)致人眼所能感受到的亮度層次丟失。4K超高清電視信號避免了高清信號的不足，使陽光下的明亮場景特別是高亮度部分表現(xiàn)得更加自然，層次更加豐富，同時能夠彰顯更多的暗部細(xì)節(jié)，從而完美的還原真實場景。

·聲音方面應(yīng)用了5.1環(huán)繞聲技術(shù)，可以在高分辨率的圖像下保證聲相的準(zhǔn)確定位，從而給觀眾帶來更完美的視聽體驗。

4K超高清播出系統(tǒng)相較于高清系統(tǒng)完成了高分辨率、高幀率、寬色域、高動態(tài)范圍和高量化深度的全面升級，為春晚4K直播提了供有力的技術(shù)支持。

二.先進(jìn)的設(shè)計方案為春晚直播提供有力支持

4K超高清播出系統(tǒng)與現(xiàn)有節(jié)目生產(chǎn)管理進(jìn)行流程對接，與媒資的節(jié)目文件進(jìn)行整備對接，與總控調(diào)度進(jìn)行信號對接，與節(jié)目分發(fā)進(jìn)行發(fā)布對接，以及與全臺網(wǎng)絡(luò)分級規(guī)劃的信息安全域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對接，全方位的把4K融入到全臺現(xiàn)有節(jié)目生產(chǎn)體系當(dāng)中。

播出系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計充分考慮4K超高清及其相關(guān)新技術(shù)的探索，在流程節(jié)點設(shè)置、信息交互接口定義、文件交換的格式與碼率選擇、文件質(zhì)量分析、信號切換處理、圖文疊加處理、監(jiān)聽監(jiān)看方法、軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和信息安全等進(jìn)行設(shè)計。

1.先進(jìn)性引領(lǐng)創(chuàng)新

4K超高清播出系統(tǒng)建設(shè)著力推動新技術(shù)應(yīng)用，大力推進(jìn)播出IT基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬池化，使得播出應(yīng)用業(yè)務(wù)向虛擬化、資源能力化邁進(jìn)；推進(jìn)視音頻信號的IP封裝傳輸，使得播出視音頻信號實現(xiàn)更高帶寬的傳輸與路由、監(jiān)聽監(jiān)看更為便捷，視音頻處理模塊微服務(wù)化成為可能。

優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)同時著力建立新業(yè)務(wù)形態(tài)，將管理、監(jiān)測、控制融為一體，全方位管理實現(xiàn)播出資源分門別類建模管理，在“管”的模型基礎(chǔ)下建立監(jiān)測體系，包括設(shè)備監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、軟件監(jiān)測、信號檢測、流程檢測等，給出設(shè)備健康度報告。采用節(jié)目單驅(qū)動播出業(yè)務(wù)運行的方式，對播出業(yè)務(wù)整個生命周期包括整備、播出、播后全流程的自動化控制，重要環(huán)節(jié)人機(jī)互動，提供人為干預(yù)手段，完善安全保障措施。

系統(tǒng)實現(xiàn)面向全臺4K超高清播出業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通，與節(jié)目生產(chǎn)管理系統(tǒng)、媒資系統(tǒng)、廣告管理系統(tǒng)、廣告?zhèn)洳ハ到y(tǒng)、主控、LDAP、URM、ESB、新媒體系統(tǒng)等接口，實現(xiàn)播出系統(tǒng)與各外部系統(tǒng)的信息交互與解析；支持識別單據(jù)中的4K超高清相關(guān)標(biāo)識，并按照50P幀率生成節(jié)目單據(jù)和素材相關(guān)通知單據(jù)，有詳細(xì)的日志記錄等功能。人機(jī)界面兼顧操作人員現(xiàn)有使用習(xí)慣，操作方便，界面友好，體現(xiàn)以人為本的易用特性。

整套系統(tǒng)采用開放式規(guī)劃，保證與各大廠商設(shè)備、系統(tǒng)的良好集成性能，確保符合全臺業(yè)務(wù)流程規(guī)范，并確保與節(jié)目生產(chǎn)管理、媒資、制作及廣告等相關(guān)平臺的無縫銜接。

4K播出系統(tǒng)著眼于保證其安全性及可維護(hù)性，并兼顧經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、節(jié)能減排“綠”化原則，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。系統(tǒng)硬件平臺和軟件模塊等多方面設(shè)計具有可擴(kuò)展性，能夠?qū)崿F(xiàn)可預(yù)見的平滑升級。

2.可靠性確保安全

播出系統(tǒng)的高可靠性是方案設(shè)計的第一原則。

4K超高清播出系統(tǒng)硬件平臺適度引用設(shè)備虛擬化技術(shù)，提高設(shè)備資源集約化、降低能耗的同時，提高了單機(jī)服務(wù)器不具備的資源冗余性。播出系統(tǒng)視音頻播出主備鏈路采用基帶SDI和基帶IP混合異構(gòu)的設(shè)計，核心設(shè)備播出視頻服務(wù)器采用主備異構(gòu)設(shè)計，從鏈路、設(shè)備、協(xié)議和同步基準(zhǔn)等四個方面采取異構(gòu)以提高系統(tǒng)的安全保障，體現(xiàn)系統(tǒng)先進(jìn)性的同時確保系統(tǒng)運行的安全。

該播出系統(tǒng)具有多種安全備份技術(shù)、應(yīng)急處理機(jī)制預(yù)案。設(shè)備及技術(shù)兼顧先進(jìn)性與成熟性，確保播出系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行。

3.智能化提升運行

播出系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實現(xiàn)了節(jié)目文件制、播、存的全程文件化和節(jié)目信息的全程無紙化。

播出系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程采用節(jié)目單驅(qū)動播出業(yè)務(wù)運行的方式，實現(xiàn)全流程的自動化，通過智能化監(jiān)測及控制手段，實現(xiàn)故障應(yīng)急的自動化。

同時，該系統(tǒng)在各個重要環(huán)節(jié)上考慮采用人機(jī)互動的工作運行方式。例如整備環(huán)節(jié)采用以設(shè)備自動技審為主，人工復(fù)核確認(rèn)為輔的互動審看方式；以及在播出環(huán)節(jié)采用以智能倒換為主，人工干預(yù)為輔的互動主備倒換方式。

智能播出控制單元對4K播出視頻服務(wù)器、4K信號調(diào)度矩陣等核心異構(gòu)設(shè)備實現(xiàn)多協(xié)議集成，在每一個文件播放和信號切換環(huán)節(jié)做到4K幀精度的控制，保證主備鏈路完全同步。

三.完備的系統(tǒng)架構(gòu)提高系統(tǒng)安全性

4K播出系統(tǒng)采用SDI、IP鏈路混合架構(gòu)，主路為傳統(tǒng)的SDI鏈路，備路為IP鏈路。實現(xiàn)來自上游總控系統(tǒng)的4K信號接入，并能夠?qū)崿F(xiàn)對外部輸入視音頻信號的監(jiān)測、調(diào)度與調(diào)整功能。同時，可對4K播出系統(tǒng)末級送給下游傳輸系統(tǒng)的4K視音頻信號進(jìn)行控制與調(diào)整。系統(tǒng)前端分別采用IP信號矩陣調(diào)度矩陣與傳統(tǒng)基帶信號調(diào)度矩陣對信號進(jìn)行分配調(diào)度，視音頻系統(tǒng)可接受自動播出控制系統(tǒng)的自動控制信號或人工干預(yù)控制信號，實現(xiàn)正確播出節(jié)目信號源的選切，可對播出信號視音頻進(jìn)行分別處理或調(diào)整。同時適配傳輸系統(tǒng)的需要，提供所需的4K超高清節(jié)目播出視音頻信號。

今年的春節(jié)晚會在一號演播大廳現(xiàn)場直播，4K直播信號是由一號廳演播室轉(zhuǎn)換成IP信號之后送給圓樓800平米演播室。同時還有一路高清信號進(jìn)行超高清上變換，轉(zhuǎn)換成IP信號后作為一路備份信號送給800平米演播室。在800平米演播室對4K直播信號進(jìn)行切換、疊加直播標(biāo)、字幕包裝合成和5.1環(huán)繞聲制作，經(jīng)過數(shù)字聯(lián)動切換臺與一號廳演播室進(jìn)行智能聯(lián)動，實現(xiàn)高清和4K超高清的同步直播。800平米演播室將信號經(jīng)由總控鏈路送至4K超高清播出系統(tǒng)，直播信號進(jìn)入播出系統(tǒng)后，通過TICO解碼器將淺壓縮信號轉(zhuǎn)換成3G-SDI信號，經(jīng)過SFS幀同步分配板卡將信號送給主路基帶信號調(diào)度矩陣和備路IP信號矩陣調(diào)度矩陣，再將主備路信號分別傳送至主備視頻服務(wù)器（系統(tǒng)主備通路由兩套異構(gòu)的all in one視頻服務(wù)器構(gòu)成，主路采用傳統(tǒng)的基帶SDI信號鏈路，備路則是全新的IP化的信號傳輸）疊加臺標(biāo)和時鐘，然后經(jīng)過播出PGM視分，送給4選1切換開關(guān)和末級視分，最后從播控系統(tǒng)末端將4K播出信號傳送給現(xiàn)址總控，進(jìn)行地網(wǎng)和上星的傳送。

除了獨立的主備視音頻通路，4K播出還擁有完全獨立的控制系統(tǒng)：即主控制機(jī)控制主路設(shè)備播出主直播信號源，備控制機(jī)控制備路設(shè)備播出備直播信號源，實現(xiàn)了主備路獨立，可用四選一完成應(yīng)急操作。另外，本系統(tǒng)還配備有應(yīng)急介質(zhì)播放器，可作為應(yīng)急節(jié)目的墊播。

四.針對性的應(yīng)急預(yù)案保障春晚安全播出

1.直播演播室主路或備路單路出現(xiàn)問題

直播演播室有主備兩路直播信號通過總控送至4K播出線，正常情況下4K播出系統(tǒng)主鏈路使用主路播出，備鏈路使用備路播出，當(dāng)主路或備路中的一路出現(xiàn)異常而另一路正常時，由播控值班員立即應(yīng)急處理，用4選1應(yīng)急切換開關(guān)或跳線恢復(fù)播出，同時通知總控和直播演播室，按照對外接口流程及時與相關(guān)部門協(xié)調(diào)，配合處理。如信號較長時間不能恢復(fù)，手動將此鏈路選切為另一路正常直播信號，確認(rèn)輸出正常后，將4選1應(yīng)急切換開關(guān)切換回正常狀態(tài)，避免長時間主備末級使用同一鏈路播出。

2.多重備份輔助應(yīng)急策略

為了給觀眾呈現(xiàn)一個完美的4K春晚，在完善的系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，播出線還制定了多重備份的輔助應(yīng)急策略。除了對直播信號在演播室系統(tǒng)、總控系統(tǒng)、播出系統(tǒng)和編碼壓縮系統(tǒng)的傳輸路由制定了雙備份的無縫切換應(yīng)急方案，4K播出系統(tǒng)還配置了循環(huán)播出的4K春晚墊播短片，并且由節(jié)目組提供了全時長的4K春晚備播文件，直播時與現(xiàn)場同步播出，一旦1號廳演播室出現(xiàn)整體崩潰，4K超高清播出機(jī)房播控值班員馬上墊播春晚備播文件，并電話同演播室聯(lián)系，及時匯報并聽取總編室或臺領(lǐng)導(dǎo)的處理意見，做好應(yīng)急處置。

此外，直播前進(jìn)行了多次全鏈路應(yīng)急切換演練，對直播鏈路各項指標(biāo)進(jìn)行了詳盡的測試，排除安全隱患，從系統(tǒng)和人員全方位保障安全播出。

2019春晚4K直播的圓滿成功，是4K超高清電視技術(shù)的一次成功應(yīng)用，給觀眾帶來了全新的視聽體驗，為超高清電視及更多大型綜藝、大型體育賽事等4K直播提供了寶貴的經(jīng)驗，為中央廣播電視總臺在超高清電視領(lǐng)域的長遠(yuǎn)發(fā)展和戰(zhàn)略目標(biāo)提供有力支持。