超高清數(shù)字電視的IP化技術(shù)探討

范可川 蒙文凱

摘? 要：科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了許多行業(yè)的創(chuàng)新。隨著4K乃至8K超高清電視技術(shù)的發(fā)展，超高分辨率電視節(jié)目制播的應(yīng)用需求與日俱增。本文基于電視制播系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及面向超高清電視發(fā)展所必須解決的技術(shù)問(wèn)題，提出基于IP技術(shù)架構(gòu)的解決方案。核心思路是將SDI基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，從而大大提高超高清電視節(jié)目制作與傳輸?shù)男阅芘c效率，使超高清電視制播技術(shù)真正在應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)化推進(jìn)上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

關(guān)鍵詞：超高清數(shù)字電視;4k;8k;制播技術(shù);IP化技術(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)：TN949.197? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0134（2020）08-117-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.08.031

本文著錄格式：范可川，蒙文凱 . 超高清數(shù)字電視的IP化技術(shù)探討[J].中國(guó)傳媒科技，2020（8）：117-119.

在電視技術(shù)高速發(fā)展的今天，大屏化以及超高分辨率視頻圖像的呈現(xiàn)已經(jīng)日益普及。廣播電視已進(jìn)入了4K超高清技術(shù)高速發(fā)展階段，近年來(lái)包括央視在內(nèi)的多個(gè)廣播電視臺(tái)已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)展了4K超高清電視節(jié)目的制作與播出工作。2018年10月1日央視CCTV4K超高清電視頻道通過(guò)衛(wèi)星及全國(guó)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)播出，標(biāo)志著超高分辨率電視技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入嶄新的發(fā)展階段。由于4K、8K超高分辨率視頻信號(hào)制作與播出對(duì)相關(guān)的技術(shù)要求很高，原有的電視系統(tǒng)很難滿(mǎn)足超高清電視制作與傳輸?shù)囊?，新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展迫在眉睫。

1.傳統(tǒng)電視制作播出系統(tǒng)架構(gòu)面對(duì)4K超高清制作所存在的問(wèn)題

廣播電視技術(shù)已進(jìn)入了一個(gè)媒體深度融合、新技術(shù)應(yīng)用層出不窮的高速發(fā)展階段。經(jīng)歷了高清晰度電視（HDTV）穩(wěn)定成熟的發(fā)展階段后，4K超高清晰度電視（UHDTV ）技術(shù)以其更高的畫(huà)面分辨率、更寬的色域以及更高的動(dòng)態(tài)范圍，極大地超越了原來(lái)高清晰度電視給觀眾帶來(lái)的視聽(tīng)體驗(yàn)。超高的畫(huà)面分辨率及高動(dòng)態(tài)圖像、3D全景音頻能夠帶給用戶(hù)更震撼、更貼近真實(shí)的觀看感受。傳統(tǒng)標(biāo)清電視（SDTV）傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)SMPTE295，帶寬為270Mbit/s;高清電視（HDTV）傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)SMPTE292，帶寬為1485 Mbit/s;4K超高清電視（UHDTV）標(biāo)準(zhǔn)SMPTE2036，帶寬為11880Mbit/s。綜合比較分析，4K信號(hào)所占帶寬是2K高清信號(hào)的8倍。通常情況下，傳統(tǒng)的基帶4K超高清視頻制作包含4×3GB SDI（Serial Digital Interface，數(shù)字分量串行接口）和12GB SDI兩種方式傳輸。4×3GB SDI方式需要大量布線(xiàn)，設(shè)備之間連線(xiàn)復(fù)雜，電纜數(shù)量幾乎是現(xiàn)有系統(tǒng)的四倍;而12GB SDI方式的傳輸距離是短板。因此，對(duì)于電視技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，必須利用更為先進(jìn)的IP技術(shù)，有效地解決上述問(wèn)題。

2.超高清數(shù)字電視IP化技術(shù)探討

如今IP技術(shù)在中國(guó)電視制播應(yīng)用技術(shù)相對(duì)成熟，涵蓋高清電視節(jié)目前后期制作編輯、信號(hào)傳輸、信號(hào)監(jiān)控和測(cè)評(píng)等。音視頻數(shù)據(jù)流和辦公文件流可以混合傳輸使用，同時(shí)二者可以維持一種互相不干擾、互相補(bǔ)充的狀態(tài)?，F(xiàn)有的SDI-over-IP技術(shù)可以完全替代傳統(tǒng)方法。這種新的基于IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的IP化矩陣使用IP交換機(jī)+ SDN技術(shù)取代傳統(tǒng)的SDI矩陣架構(gòu)。SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的管理調(diào)配，為視音頻信號(hào)等提供更多傳輸通道，確保信號(hào)的傳輸質(zhì)量。SDI-over-IP相對(duì)傳統(tǒng)的輸入輸出接口，還可以有效地將基帶信號(hào)快速轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，輕松地調(diào)度信號(hào)的輸入和輸出，支持多路數(shù)據(jù)傳輸，并在以太網(wǎng)高效傳輸。

2.1全面優(yōu)化IP化技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

使用高分辨率數(shù)字IP技術(shù)，其中，IP化的系統(tǒng)可以利用虛擬化、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等尖端技術(shù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，共享資源，加強(qiáng)各個(gè)部門(mén)之間的協(xié)作以及系統(tǒng)管理經(jīng)驗(yàn)，大大提升了工作效率。同時(shí)由于IP技術(shù)架構(gòu)在各種開(kāi)放平臺(tái)中的廣泛應(yīng)用，可以擴(kuò)展交互式多屏功能的業(yè)務(wù)發(fā)展;這些功能有助于促進(jìn)電視臺(tái)等傳統(tǒng)媒體實(shí)施開(kāi)展的新媒體業(yè)務(wù)，彌補(bǔ)不足和缺點(diǎn)，提高競(jìng)爭(zhēng)力。在實(shí)施超高清數(shù)字電視IP化后，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)之間的協(xié)議統(tǒng)一，解決各個(gè)網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)媒體與新興市場(chǎng)的融合，滿(mǎn)足新媒體時(shí)代人們不斷增長(zhǎng)的需求。

2.2增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擴(kuò)展性

由于IP網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有易于配置、管理維護(hù)高效便捷的特點(diǎn)。利用 IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)超高清電視信號(hào)的混合調(diào)配、超遠(yuǎn)距離傳輸，日后系統(tǒng)擴(kuò)容發(fā)展也易于操作;IP架構(gòu)下電視設(shè)備只需接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，就可以輕松地完成電視畫(huà)面質(zhì)量在標(biāo)準(zhǔn)分辨率、高分辨率和超高分辨率之間的轉(zhuǎn)換。而目前傳統(tǒng)SDI技術(shù)設(shè)備的通用性能仍然很低，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在SDI設(shè)備核心技術(shù)的掌握上相對(duì)落后，而國(guó)外SDI設(shè)備產(chǎn)品的價(jià)格又普遍過(guò)高。反而在IP技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)本土產(chǎn)品的起點(diǎn)很高，國(guó)產(chǎn)化程度高，發(fā)展前景廣闊，可以大大降低建設(shè)IP架構(gòu)系統(tǒng)的成本。

3.電視制播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)IP化的技術(shù)解決方案

3.1解決方案的整體思路

在4K超高清電視節(jié)目制作傳輸過(guò)程中，技術(shù)人員需要采用有效的解決方案來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)速度和傳輸?shù)膯?wèn)題，IP技術(shù)則為電視制播網(wǎng)絡(luò)提供了有效的解決方案。利用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和光纖特性來(lái)實(shí)現(xiàn)SDI信號(hào)和IP分組數(shù)據(jù)（SDI-over-IP）信號(hào)的有效轉(zhuǎn)換。這樣不僅可以解決4K技術(shù)下電視節(jié)目制作過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，還可以進(jìn)一步解決網(wǎng)絡(luò)傳播速度的問(wèn)題。

在電視臺(tái)制作和播出業(yè)務(wù)中，包含文件域和信號(hào)域兩類(lèi)場(chǎng)景。文件域從其誕生開(kāi)始，經(jīng)歷了從單機(jī)到網(wǎng)絡(luò)到全臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于IP化的架構(gòu)模式;信號(hào)域目前全國(guó)都尚處在傳統(tǒng)SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，IP化尚在探索階段。隨著SDI-over-IP框架的成熟，在演播室、播出系統(tǒng)的建設(shè)中，可逐步采用IP化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)域的試點(diǎn)，再逐步推廣到全信號(hào)的IP化。最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)域和文件域基于IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)充分融合，全臺(tái)系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一維護(hù)，實(shí)現(xiàn)基于IP的軟件定義電視臺(tái)的技術(shù)目標(biāo)。

由于傳統(tǒng)SDN架構(gòu)硬件鏈路不具備彈性，在系統(tǒng)升級(jí)換代時(shí)需要推翻重建;在4k超高清系統(tǒng)建設(shè)中每路信號(hào)都要被拆成4路3G SDI傳輸，矩陣端口需求是高清的四倍，規(guī)模越來(lái)越大;按原來(lái)的SDI技術(shù)架構(gòu)繼續(xù)發(fā)展越發(fā)困難。而IP架構(gòu)具有可利用現(xiàn)有IT成熟技術(shù)、格式無(wú)關(guān)、靈活彈性等優(yōu)勢(shì)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織如EBU、SMPTE、AMWA、NOMS等都在致力推動(dòng)媒體信號(hào)域架構(gòu)IP化的發(fā)展，一系列標(biāo)準(zhǔn)，如ST 2110、ST2059、IS04、IS05等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也取得了較廣泛共識(shí)與支持。在此基礎(chǔ)上，信號(hào)域全I(xiàn)P化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。在基于IP的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)電視制作設(shè)備和傳輸系統(tǒng)雖然只需要使用一種網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行制作，但是卻需要更多的設(shè)備進(jìn)行SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于網(wǎng)絡(luò)連接方法是雙向多通道連接的，可以幫助優(yōu)化電視制作網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)，可以有效地提高電視信號(hào)的傳輸效率和質(zhì)量。此外，在傳輸層面，技術(shù)人員可以充分利用IP技術(shù)來(lái)傳播其他有價(jià)值的電視制作信息，以提高帶寬傳輸應(yīng)用程序的效率，進(jìn)一步將應(yīng)用程序的功能最大化。

3.2解決方案的優(yōu)化

3.2.1解決方案存在的不足

將傳統(tǒng)SDI信號(hào)轉(zhuǎn)化IP數(shù)據(jù)包的過(guò)程中，必須考慮信號(hào)的轉(zhuǎn)換、控制以及設(shè)備的兼容性，同時(shí)也要考慮傳統(tǒng)制播體系相對(duì)落后的設(shè)備現(xiàn)狀。在傳輸階段，會(huì)存在嚴(yán)重的信號(hào)延遲問(wèn)題，對(duì)電視系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響。通常電視制作時(shí)發(fā)生的信號(hào)延遲必須控制在5幀以?xún)?nèi)。同時(shí)電視信號(hào)傳輸?shù)难舆t也要求控制在嚴(yán)格的范圍內(nèi)。

3.2.2解決方案的優(yōu)化對(duì)策

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，大多數(shù)10G交換機(jī)在交換大型數(shù)據(jù)包（視頻信號(hào)）時(shí)產(chǎn)生的延遲相對(duì)較小。與高清電視（1080/50i）信號(hào)相比，過(guò)渡延遲更長(zhǎng)，相對(duì)于2K技術(shù)來(lái)說(shuō)，4K超高清信號(hào)延遲的持續(xù)時(shí)間超過(guò)了18微秒。同時(shí)，如果具有相對(duì)良好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（例如局域網(wǎng)）就會(huì)以恒定的速度與同步系統(tǒng)進(jìn)行鏈接。IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)解決方案可以有效防止信號(hào)不好而引起的信號(hào)延遲問(wèn)題。

電視制播系統(tǒng)采用時(shí)間同步技術(shù)來(lái)避免信號(hào)延遲問(wèn)題，傳統(tǒng)的SDI基帶信號(hào)系統(tǒng)中我們采用BB鎖相式來(lái)處理視頻信號(hào)的同步。而對(duì)于IP系統(tǒng)中的超高碼率的信號(hào)則需要相應(yīng)的IP網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)來(lái)處理同步問(wèn)題，即依靠PTP（精確時(shí)間協(xié)議）來(lái)實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)電視信號(hào)超高碼率傳輸?shù)臅r(shí)間和頻率的同步需求，其時(shí)鐘同步精度達(dá)到納秒量級(jí)。很好地解決了信號(hào)在以太網(wǎng)傳輸中的同步瓶頸，尤其是基于SDI-over-IP技術(shù)處理的電視信號(hào)。SMPTE基于PTP第2版的標(biāo)準(zhǔn)（ SMPTE2059），專(zhuān)門(mén)用于廣播電視應(yīng)用。SMPTE ST2059-1/2規(guī)定了專(zhuān)業(yè)廣電環(huán)境中時(shí)間和頻率同步的精確時(shí)間同步，協(xié)議規(guī)定必須準(zhǔn)確地同步系統(tǒng)的主時(shí)鐘（由同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘）和從時(shí)鐘（包括時(shí)鐘開(kāi)關(guān)和SDI IP轉(zhuǎn)換到終端），特別是主時(shí)鐘和從時(shí)鐘系統(tǒng)之間的參考時(shí)間變化（偏移量表示）。在數(shù)據(jù)包通信期間，主時(shí)鐘和從屬系統(tǒng)會(huì)受到信號(hào)線(xiàn)更換的影響。最高時(shí)鐘的精確時(shí)間同步原理如下：在系統(tǒng)中，主時(shí)鐘在指定的時(shí)間段內(nèi)（通常每秒一次）傳輸消息信息，并響應(yīng)系統(tǒng)從時(shí)鐘的總時(shí)間和消息。想獲取信息即發(fā)送時(shí)間信息標(biāo)注并添加其它相關(guān)信息的“時(shí)間戳”;接收器則根據(jù)時(shí)鐘歷史記錄計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲和參考誤差。為了應(yīng)對(duì)因各種設(shè)備故障導(dǎo)致的主時(shí)鐘信息丟失的情況，PTP協(xié)議定義了下一個(gè)具有時(shí)間精確度的設(shè)備自動(dòng)接替主時(shí)鐘的功能。

4.電視制播系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案技術(shù)分析

實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于IP體系結(jié)構(gòu)的解決方案具有以下優(yōu)點(diǎn)。

首先，IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案技術(shù)架構(gòu)簡(jiǎn)單，可以進(jìn)一步減少電視設(shè)備和電視系統(tǒng)所需的電纜連接數(shù)量，減少了設(shè)備的接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單?；诰W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)碾p向特性，IP系統(tǒng)所有設(shè)備都連接至IP交換機(jī)，視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)等都可在同一根網(wǎng)線(xiàn)中傳輸，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。

第二，基于IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的電視制播系統(tǒng)具有很高的靈活性。電視技術(shù)人員利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的電視制播系統(tǒng)，能夠利用IP架構(gòu)通過(guò)軟件技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)電視制播系統(tǒng)的硬件功能去實(shí)現(xiàn)電視前期制作、信號(hào)傳輸?shù)阶罱K播出的系統(tǒng)功能，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低了系統(tǒng)運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)高效便捷的管理。

第三，IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案技術(shù)具有易于升級(jí)擴(kuò)容的優(yōu)勢(shì)。基于IP技術(shù)架構(gòu)的電視制播系統(tǒng)可以參照統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)容，從而大大簡(jiǎn)化電視制播系統(tǒng)的升級(jí)改造及日后的擴(kuò)容發(fā)展。

5.超高清電視技術(shù)IP化發(fā)展的意義

處于高速發(fā)展時(shí)期的媒體行業(yè)正面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，新技術(shù)、新媒介的不斷涌現(xiàn)，促使我們必須利用全新的技術(shù)體系來(lái)適應(yīng)廣播電視技術(shù)的高速發(fā)展。[1]當(dāng)前媒體融合的大背景下，超高清電視IP化系統(tǒng)建設(shè)要求電視臺(tái)必須進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，搭建全新的電視制播技術(shù)架構(gòu);IP化將大大推動(dòng)全臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、云技術(shù)等部署的進(jìn)程。同時(shí)，新的技術(shù)應(yīng)用對(duì)電視臺(tái)技術(shù)人員也是一個(gè)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在學(xué)習(xí)、理解、適應(yīng)IP化技術(shù)的過(guò)程中，提高了自身核心競(jìng)爭(zhēng)力。[2]新的IP技術(shù)使超高清電視信號(hào)在采、編、播及傳輸過(guò)程中避免了過(guò)多編解碼過(guò)程造成的信號(hào)損失，最大限度保障了節(jié)目的質(zhì)量。[3]傳統(tǒng)電視技術(shù)中，視頻、音頻、以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)等線(xiàn)纜密布，給升級(jí)、維護(hù)帶來(lái)很大的技術(shù)難題?；贗P以太網(wǎng)交換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)靈活的管理和配置。[4]擴(kuò)大對(duì)新媒體的支持。新媒體業(yè)務(wù)所需的文件通常碼率比較低，但根據(jù)許多新媒體平臺(tái)版本來(lái)看，通過(guò)IP方法進(jìn)行內(nèi)容分散和接收，減少了系統(tǒng)設(shè)置以及默認(rèn)值的操作過(guò)程，相對(duì)統(tǒng)一的封裝格式減少了跨不同平臺(tái)的不同制造商的生產(chǎn)系統(tǒng)之間的障礙，為潛在的新業(yè)務(wù)支持提供了一個(gè)開(kāi)放、靈活和獨(dú)立的發(fā)展基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

在超高清電視技術(shù)發(fā)展已成為主流的今天，相關(guān)電視技術(shù)人員必須意識(shí)到傳統(tǒng)電視技術(shù)系統(tǒng)的短板，通過(guò)學(xué)習(xí)全新的IP技術(shù)方案來(lái)解決所遇到的問(wèn)題。隨著IP技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)廣電技術(shù)走向IP 化，將大大拓展廣電發(fā)展空間，使超高清電視技術(shù)應(yīng)用走入千家萬(wàn)戶(hù)，為廣大觀眾提供更高質(zhì)量的電視節(jié)目。

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作者簡(jiǎn)介：范可川（1964-），男，廣西陸川縣，高級(jí)工程師，研究方向：廣播電視技術(shù)、超高清數(shù)字電視節(jié)目制作、播出;蒙文凱（1968-），男，廣西橫縣，高級(jí)工程師，研究方向：廣播電視技術(shù)、超高清數(shù)字電視節(jié)目制作、播出。