廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討

程斌

【摘要】近年來，隨著人們對電視節(jié)目清晰度、流暢性、廣視角等要求的日趨提升，促使4K電視節(jié)目應(yīng)時而生并日漸“受寵”。加大對4K播出系統(tǒng)內(nèi)容建設(shè)、技術(shù)支撐等的探索與研究，刻不容緩，亟需跟進(jìn)。本文結(jié)合筆者相關(guān)實踐經(jīng)驗，首先闡述了廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的建設(shè)理念，然后進(jìn)一步探討了廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，以期能夠為廣大廣播電視技術(shù)人員在開展相應(yīng)工作時有所裨益。

【關(guān)鍵詞】廣播電視;4K超高清;播出系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù)

1. 廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的建設(shè)理念

4K超高清播出系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)嚴(yán)格依照國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合新興工藝技術(shù)，并遵循“高效、可行、簡潔”的原則，建設(shè)集播出、監(jiān)控、管理三位一體的超高清播出平臺，并通過自動化硬盤播出控制軟件實現(xiàn)高清電視節(jié)目串聯(lián)單的自動播出、圖文控制及信號直播。

1.1 提升播出質(zhì)量

4K超高清播出系統(tǒng)充分融入新興超高清顯示工藝技術(shù)，從而為顯著提升電視節(jié)目的播出質(zhì)量提供了技術(shù)支持，主要表現(xiàn)為色域空間、數(shù)字量化、三維聲（3D+Audio）音頻、圖像分辨率等質(zhì)量的提升。另外，超高清播出平臺依舊使用傳統(tǒng)硬盤多通道自動播出系統(tǒng)，從而有效滿足不同節(jié)目類型、不同播出形態(tài)的制播要求，并使電視節(jié)目通過手動或自動的形式按照規(guī)定順序播出，而播出形態(tài)則主要通過硬盤、光盤等存儲設(shè)備事先錄制的文件形式播出，或通過總控室的直播信號進(jìn)行播出。同時，在這一環(huán)節(jié)完成圖文輸出字幕的疊加，并結(jié)合節(jié)目播出的實際需要對具體播出進(jìn)程予以調(diào)節(jié)。

1.2 應(yīng)用新興技術(shù)

4K超高清電視播出系統(tǒng)將4K編排與文件管理加入業(yè)務(wù)流程，并通過部署虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)，促使基于4K視頻文件的帶寬、轉(zhuǎn)碼、質(zhì)檢運算等能力得到提升。其次，加強對新型視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)處理、AI故障分析與排查，以促使基礎(chǔ)資源合理配置、敏捷資源優(yōu)化整合、應(yīng)急自動化切換以及故障智能化診斷等目標(biāo)得以順利實現(xiàn)。此外，通過將基帶視頻SDI信號IP化傳輸?shù)姆庋b方式融入音視頻基礎(chǔ)架構(gòu)，并通過IT交換機(jī)、物理鏈路等連接，為4K視頻無壓縮碼流的傳輸提供足夠的帶寬支撐，從而為質(zhì)檢人員監(jiān)聽、監(jiān)看提供便利，同時融入音頻、視頻運算處理軟件，進(jìn)而實現(xiàn)音、視頻處理的靈活化收縮。

1.3 實現(xiàn)靈活應(yīng)用

超高清播出系統(tǒng)延續(xù)采用以往節(jié)目單驅(qū)動播出的形式，同時在播出運行的全生命周期增加自動化閉環(huán)控制。并通過通用平臺架構(gòu)的應(yīng)用，促使現(xiàn)有各系統(tǒng)與IT通用數(shù)據(jù)資源、軟件能力模塊等實現(xiàn)高效融合，從而促使新播出業(yè)務(wù)實現(xiàn)靈活化拓展。與此同時，4K超高清播出系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)下新興科學(xué)技術(shù)與業(yè)務(wù)水平，在軟件架構(gòu)的構(gòu)建時引入基于“管、監(jiān)、控”的三維模型體系，并能夠有效支持服務(wù)器及桌面的虛擬化技術(shù)，以進(jìn)一步實現(xiàn)了電視節(jié)目播出服務(wù)的靈活化、敏捷化擴(kuò)展與收縮。

2. 廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 50p播控技術(shù)

由于以25幀（50I）播出控制邏輯與技術(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)高清播出系統(tǒng)的不適配性，使得對以50p為基礎(chǔ)的4K播出控制系統(tǒng)的適配性予以改造成為關(guān)鍵。對此，務(wù)須嚴(yán)格依照4K超高清電視播出系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求并采用50p幀頻逐行掃描，以最終實現(xiàn)以50p幀精度實現(xiàn)超高清節(jié)目的播出控制。其中，通過以50p為基礎(chǔ)對4K播出控制邏輯予以適配性改造，從而使4K超高清播出軟件可以對播出單中50p文件素材的入出點予以準(zhǔn)確識別，并能依照50p素材的Cue、Play等不同級別幀精度的播出控制操作生成與之相對應(yīng)的正確指令，再通過視頻磁盤通訊協(xié)議（即VDCP協(xié)議）傳輸至服務(wù)器。在服務(wù)器端，服務(wù)器在接受到相應(yīng)的播出控制指令后，將播出控制指令中關(guān)鍵幀位置進(jìn)行映射、轉(zhuǎn)換并以LTC+VITC格式進(jìn)行表達(dá)，然后與文件時間碼軌中的LTC時碼和VITC時碼相結(jié)合，并按照播出控制指令中幀的要求對50p素材文件予以精準(zhǔn)定位。

2.2 4K凈靜切換技術(shù)

音頻、視頻鏈路中的播出信號主要包括主播視頻服務(wù)器、備播視頻服務(wù)器、異構(gòu)二備播系統(tǒng)服務(wù)器、CYC墊片視頻服務(wù)器等4條路徑輸出的4K視頻信號，輸出的信號通過4路3G-SDI信號然后以Qua-link連接的形式進(jìn)行傳輸（如圖1）。在實際的系統(tǒng)設(shè)計時，鏈路最末端按照4臺雙路二選一的主、備倒換器進(jìn)行配置，該配置形式共有3G-SDI信號的輸入端口16個以及輸出端口8個，端口的配置數(shù)量能夠有效滿足4路4K視頻信號4選1的需求。其中，對于鏈路末端的雙路2選1主、備倒換器，具備幀同步、凈靜切換的相關(guān)功能，且控制面板能夠通過GPI通用接口促使4路3G-SDI信號幀精度實現(xiàn)凈靜視頻切換。4臺倒換器在收到來自GPI接口的切換指令后，在視頻切換行完成視頻凈靜切換，此時所有完成凈靜切換的信號均是以同步幀精度為基礎(chǔ)進(jìn)行的切換，如此便實現(xiàn)了以Qua-link連接傳輸為基礎(chǔ)的4K基帶信號凈靜切換。

此外，由于切換面板與4臺雙路2選1主、備倒換器通過GPI并聯(lián)，所以任何2選1倒換器設(shè)備出現(xiàn)短路故障，將會造成切換面板無法對另一2選1倒換器設(shè)備的GPI控制口的點位水平進(jìn)行判斷。因此，可通過在控制面板與4臺2選1倒換器設(shè)備間加設(shè)單向信號限流裝置，從而使任何一個倒換器設(shè)備出現(xiàn)短路故障，都不會對另一個2選1設(shè)備的GPI控制口電勢差造成影響，由此便可有效規(guī)避切換設(shè)備的單點故障而影響電視節(jié)目的正常播出。

2.3 信號一致性比對檢測

由于音視頻信號鏈路中4K視頻信號的質(zhì)量監(jiān)控要求，使得須分別對4路分量視頻信號予以采集，制定相應(yīng)的質(zhì)量監(jiān)控KPI，并嚴(yán)格依照相應(yīng)的真值邏輯進(jìn)行信號一致性比對檢測，以實現(xiàn)4K信號質(zhì)量的有效監(jiān)控。其中，一致性檢測算法主要由視頻一致性檢測與音頻一致性檢測兩部分內(nèi)容所組成，其是指在指定的延時范圍內(nèi)，對音視頻信號一致性進(jìn)行比較，以測量對比音頻、視頻信號是否一致，進(jìn)而得到音頻、視頻信號的同步狀態(tài)。

同時，針對每路3G-SDI信號也可以通過一致性比對軟件進(jìn)行檢測，其中，視頻信號檢測的內(nèi)容主要為視頻丟失、中斷、靜幀、黑場以及紅、藍(lán)、灰等純色彩場，音頻信號檢測的內(nèi)容主要為靜音、音量過高或過低、音頻中斷或反相等。通過一致性比對檢測，能夠協(xié)助技術(shù)人員判斷哪路信號存在問題。在進(jìn)行音視頻信號的檢測時，主要在采集線程以及檢測線程兩個線程中進(jìn)行，其中，采集線程主要是通過音視頻采集卡進(jìn)行音視頻信號的采集，然后通過回調(diào)函數(shù)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)入待檢測數(shù)據(jù)隊列;在檢測線程中，通過對數(shù)據(jù)隊列中的檢測數(shù)據(jù)調(diào)出、檢測，并將一致性檢測結(jié)果返回以完成比對、分析（如圖2）。

對于一致性比對檢測所應(yīng)用的4K畫面一致性比對儀，其輸入端口為12個3G-SDIBNC接口，可以實現(xiàn)對4K音頻、視頻信號的提取、比對并分析畫面一致性，以滿足主播出、備播出以及異構(gòu)備播服務(wù)器等三路Qua-Link連接的4K超高清畫面輸入要求。4K信號的連接形式為：12路3G-SDI信號與信號比對儀相連接，邏輯上對同一超高清信號的4路3G-SDI信號予以標(biāo)記。在進(jìn)行一致性對比時，將各路4K信號相同位置處的1/4畫幅予以比對，對比畫面中有任意1/4部分不同則可判斷兩路信號的內(nèi)容不同。由此可見，將三組信號的兩兩進(jìn)行對比，則可判斷畫面的一致性。此外，信號比對儀除了能夠?qū)Ξ嬅鎯?nèi)容進(jìn)行比對外，還能夠?qū)π盘柕难訒r、亮度以及聲音等內(nèi)容的一致性予以判斷、對比，以幫助技術(shù)人員對畫面所存在的問題進(jìn)行迅速判斷。進(jìn)而通過4K畫面一致性對比、4K信號質(zhì)量監(jiān)控，能夠?qū)Σコ龉?jié)目信號、鏈路狀態(tài)予以自動化監(jiān)控，并能精準(zhǔn)快速查找問題及故障設(shè)備，同時在系統(tǒng)對信號進(jìn)行分析后，輸出處理結(jié)果并完成主播、備播、異構(gòu)二備播以及CYC墊片等四路信號的末端應(yīng)急切換，進(jìn)而顯著提升了4K播出系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性。

3. 結(jié)語

高質(zhì)量的節(jié)目內(nèi)容是提高廣播電視行業(yè)市場競爭力的關(guān)鍵，因此，加快推進(jìn)4K超高清電視節(jié)目的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展，成為當(dāng)下廣大廣電人員所關(guān)注的重點。對此，須齊心協(xié)力，共創(chuàng)共建，多措共舉，積極打造安全、穩(wěn)定的4K超高清播出系統(tǒng)，更好發(fā)揮4K超高清電視的特點與優(yōu)勢，進(jìn)而為有效提高電視節(jié)目播出質(zhì)量，提升廣大受眾觀看體驗夯實基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏志輝.50P幀精度播出控制技術(shù)在4K超高清電視播出系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣播與電視技術(shù)，2018，45（10）：20-24.

[2]李正福.4K超高清電視在傳統(tǒng)播出中面臨的問題及系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃探討[J].科學(xué)與信息化，2019，（7）：181，183.

[3]李春明.淺談廣東廣播電視臺4K超高清電視數(shù)字播出通路及安全應(yīng)急操作[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2019，（11）：140-143.