4K超高清電視播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

王 浩

（天津海河傳媒中心，天津 300221）

0 引 言

經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，積極推動(dòng)著我國電視行業(yè)向前發(fā)展。其中，4K電視終端在國內(nèi)各大電視臺(tái)的普及與應(yīng)用，讓電視播出的節(jié)目畫面更加清晰、色彩更加自然逼真，極大地提升了用戶觀看體驗(yàn)。4K超高清電視播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)是一項(xiàng)持久性工程，需要在原有播出系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變，確保信號(hào)傳輸穩(wěn)定及良好的系統(tǒng)兼容性等，均是設(shè)計(jì)過程中應(yīng)給予高度關(guān)注的事項(xiàng)，確保該系統(tǒng)在電視行業(yè)中應(yīng)用實(shí)效性。如何合理設(shè)計(jì)4K超高清電視播出系統(tǒng)，是目前相關(guān)人員需要考慮的問題。

1 4K超高清電視基本特點(diǎn)分析

用戶在收看電視節(jié)目時(shí)，屏幕上所呈現(xiàn)的超清晰畫面離不開4K超高清技術(shù)的強(qiáng)力支持。作為一種現(xiàn)階段快速發(fā)展的新興技術(shù)，相較于高清、標(biāo)清電視播出系統(tǒng)，4K超高清電視的普及與應(yīng)用，不僅是技術(shù)方面的全面升級(jí)，其播出畫面也更加細(xì)膩，動(dòng)作流暢度提升，色彩還原自然且逼真，帶給用戶更為優(yōu)質(zhì)的視覺體驗(yàn)。4K超高清電視的基本特點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是具有高幀率。相較于高清視頻的隔行掃描，4K超高清電視選擇逐行掃描模式，其掃描幀率最高可達(dá)到每秒120幀，有效解決了高清視頻一直存在的圖像閃爍問題。4K超高清電視在呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)畫面時(shí)，其動(dòng)作流暢度得到極大的提升。

二是具有高分辨率。相較于高清視頻分辨率，4K超高清電視的分辨率是高清視頻的4倍以上。在高分辨率功能的支持下，4K超高清電視所呈現(xiàn)的畫面清晰度較高，能帶給用戶全新的視覺體驗(yàn)[1]。

三是具有高量化比特?cái)?shù)。在像素量化比特?cái)?shù)方面，4K超高清電視在此方面的性能遠(yuǎn)高于高清視頻，讓播出畫面中的圖像細(xì)節(jié)更加豐富。

四是具有高動(dòng)態(tài)范圍。高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）技術(shù)讓4K超高清電視的顯示亮度范圍進(jìn)一步提升，從原有的1 000∶1升級(jí)到了100 000∶1，使得畫面呈現(xiàn)更清晰、動(dòng)作更流暢、色彩更豐富、圖像更多層次。

五是具有全景聲。相較于高清視頻的單聲道、雙聲道音頻，4K超高清電視不僅支持環(huán)繞聲與三維聲，其全景聲音頻功能的融合，通過與室內(nèi)天花板、地面以及墻壁形成聲反射，不僅有效增強(qiáng)了空間感，也讓整個(gè)空間氛圍更具沉浸感，給予用戶身臨其境的感官體驗(yàn)，在一定程度上也突顯了4K超高清電視與用戶之間的交互性。

2 4K超高清電視播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 播出質(zhì)量提升

4K超高清作為目前一種新興的技術(shù)手段，與傳統(tǒng)播出系統(tǒng)融合，可以設(shè)計(jì)出4K超高清電視播出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)目播出質(zhì)量進(jìn)一步提升，讓電視播出節(jié)目所呈現(xiàn)的畫面在色彩、圖像、音頻等方面的質(zhì)量均得到大幅度強(qiáng)化。為了確保能夠滿足不同類型節(jié)目、不同播出形態(tài)等的制播要求，4K超高清電視播出系統(tǒng)仍沿用原有自動(dòng)播出系統(tǒng)通道，確保用戶可以通過人工或自動(dòng)的方式來播出電視節(jié)目。將制作完成的電視節(jié)目轉(zhuǎn)化成錄制文件，并存儲(chǔ)在硬盤或光盤等具有高容量的設(shè)備中等待播出，或者由總控制室負(fù)責(zé)選擇直播信號(hào)進(jìn)行電視節(jié)目直播。為了保證電視節(jié)目的播出質(zhì)量與效果，屏幕圖像需配以輸出字幕，需要相關(guān)人員根據(jù)電視節(jié)目播出實(shí)際情況，合理進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

2.2 新興技術(shù)融合

為了有效提升4K視頻文件的質(zhì)檢運(yùn)算、轉(zhuǎn)碼等功能作用，將4K編排和文件管理與現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程進(jìn)行融合，結(jié)合實(shí)際情況，經(jīng)過一系列相應(yīng)部署，實(shí)現(xiàn)虛擬4K超高清電視播出系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，同時(shí)利用先進(jìn)技術(shù)手段，對(duì)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、AI故障診斷與排查等能力加以強(qiáng)化，其目的是合理配置現(xiàn)有基礎(chǔ)資源，將敏捷資源整合在一起，提升4K超高清電視播出系統(tǒng)故障診斷效率，避免突發(fā)情況發(fā)生，保證直播信號(hào)自動(dòng)切換順利。

另外，在視音頻基礎(chǔ)架構(gòu)中融入基帶視頻SDI信號(hào)轉(zhuǎn)型IP化的封裝傳輸方式，在IT交換機(jī)、物理鏈路等連接方式支持下，讓4K視頻無壓縮碼流的寬帶傳輸更加高效；在此方面功能的作用影響下，有效優(yōu)化了現(xiàn)有視音頻監(jiān)控方式，并引入相應(yīng)運(yùn)算軟件對(duì)視音頻進(jìn)行處理，進(jìn)而達(dá)到提升視音頻處理靈活性的目的。

2.3 保證播出系統(tǒng)應(yīng)用靈活

4K超高清電視播出系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，選擇以節(jié)目單驅(qū)動(dòng)電視節(jié)目播出的方式，并在此基礎(chǔ)上將自動(dòng)化閉環(huán)控制設(shè)計(jì)引入全生命周期運(yùn)行的播出節(jié)目中，借助現(xiàn)有平臺(tái)架構(gòu)應(yīng)用的通用性這一特性，讓各系統(tǒng)可以高效融合IT通用數(shù)據(jù)資源，以此來達(dá)到靈活化拓展新播出業(yè)務(wù)的目的。此外，將現(xiàn)階段各種先進(jìn)技術(shù)與4K超高清電視播出系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以進(jìn)一步提高播出業(yè)務(wù)水平，構(gòu)建全新的軟件架構(gòu)體系，便于后期相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管，確保4K超高清電視播出系統(tǒng)應(yīng)用靈活，從根本上保障電視節(jié)目播出服務(wù)質(zhì)量。

3 如何設(shè)計(jì)4K超高清電視播出系統(tǒng)

3.1 合理設(shè)計(jì)播出系統(tǒng)架構(gòu)

在原有電視播出架構(gòu)基礎(chǔ)上，將現(xiàn)階段新興技術(shù)手段設(shè)計(jì)引入，完成4K超高清電視播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，播出系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合4K超高清電視的播出業(yè)務(wù)特點(diǎn)，合理化設(shè)計(jì)4K超高清電視播出系統(tǒng)架構(gòu)，才能更好地保證該類型播出系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)效性。如何設(shè)計(jì)4K超高清電視播出系統(tǒng)架構(gòu)，具體可從以下幾個(gè)方面著手。

第一，明確4K超高清電視播出系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)成。目前4K超高清電視播出系統(tǒng)由制作系統(tǒng)、廣告系統(tǒng)、媒資系統(tǒng)、演播室系統(tǒng)、節(jié)目生產(chǎn)系統(tǒng)以及主控制室系統(tǒng)等關(guān)鍵模塊構(gòu)成。例如，在演播室系統(tǒng)中，基于IP總控平臺(tái)，根據(jù)業(yè)務(wù)播出要求，對(duì)4K信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)度，此過程中全部將要播出的素材均由計(jì)審平臺(tái)統(tǒng)一審核及送播；一般情況下，審核通過的播出素材，則由計(jì)審平臺(tái)將播出素材向4K超高清電視播出系統(tǒng)集中提交，并分發(fā)給全媒體系統(tǒng)，最終完成電視節(jié)目播出。

第二，4K超高清電視播出系統(tǒng)除了支持電視超清播出以外，同時(shí)也可以滿足在手機(jī)端、網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行超高清節(jié)目播出的需要，利用該系統(tǒng)內(nèi)部所設(shè)置的全媒體分發(fā)功能單元，將4K超高清電視信號(hào)通過分發(fā)平臺(tái)完成多種碼流轉(zhuǎn)換，以此來實(shí)現(xiàn)用戶通過手機(jī)App、電腦客戶端、戶外大屏等多渠道播放平臺(tái)來收看電視節(jié)目。

第三，網(wǎng)絡(luò)安全控制。通常情況下，IP轉(zhuǎn)化后的4K超高清電視播出系統(tǒng)，必須建立具有更高安全性的網(wǎng)絡(luò)防御體系。應(yīng)根據(jù)4K超高清電視播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)及后期應(yīng)用要求，搭建對(duì)應(yīng)的信息監(jiān)管平臺(tái)，其目的是監(jiān)測內(nèi)外部服務(wù)域信號(hào)傳輸，確保授權(quán)信號(hào)輸入與輸出安全并順利接收，同時(shí)可分別隔離媒體數(shù)據(jù)與信息元數(shù)據(jù)，盡可能避免關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的情況出現(xiàn)。

3.2 靈活應(yīng)用4K凈靜切換技術(shù)

4K超高清電視播出系統(tǒng)的視、音頻鏈路中，播出信號(hào)主要包括4種類型，分別是異構(gòu)二備播系統(tǒng)服務(wù)器、主播視頻服務(wù)器、CYC墊片視頻服務(wù)器以及備播視頻服務(wù)器，均屬于支持4K超高清視頻播出的信號(hào)。信號(hào)輸出時(shí)，基于對(duì)應(yīng)鏈路進(jìn)行連接，并通過上述4條路徑對(duì)4K視頻信號(hào)進(jìn)行輸出。根據(jù)播出業(yè)務(wù)要求，可自由配置主用和備用的線路倒換器。一般情況下，這一種配置形式普遍提供多個(gè)輸入與輸出端口，為4K視頻信號(hào)輸出提供多樣化的傳輸路徑選擇[3]。

另外，該系統(tǒng)在4K凈靜切換技術(shù)支持下，同時(shí)具備凈靜切換、幀同步等幾項(xiàng)關(guān)鍵功能。凈靜視頻切換目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，可借助GPI通用接口，對(duì)上述4條信號(hào)傳輸路徑的信號(hào)幀精度進(jìn)一步增強(qiáng)；當(dāng)GPI接口所輸出的切換指令被倒換器接收時(shí)，4K視頻在同步幀精度的基礎(chǔ)上完成凈靜切換，這一過程也被稱為4K基帶信號(hào)凈靜切換。

3.3 做好IP化轉(zhuǎn)型

現(xiàn)行傳輸標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了4K超高清高碼率類型信號(hào)IP化傳輸協(xié)議內(nèi)容，基于以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，在IP組播相關(guān)協(xié)議支持下，將4K超高清高碼率類型信號(hào)通過交換機(jī)完成信號(hào)傳輸。利用IP化將傳輸過程中的視頻進(jìn)行壓縮，視頻均可在無線/有線的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，由于存在VANC機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)傳輸同步功能?，F(xiàn)行傳輸標(biāo)準(zhǔn)也明確細(xì)化了關(guān)于傳輸壓縮視頻、未壓縮視頻的保護(hù)機(jī)制，有效解決了視頻信號(hào)在傳輸過程中極易中斷的問題，為以IP化形式傳輸4K超高清視頻信號(hào)提供了有利條件。

IP化轉(zhuǎn)型是現(xiàn)階段從事視、音頻設(shè)備制作的廠商極為關(guān)注的熱點(diǎn)，同時(shí)也是該行業(yè)的主流發(fā)展趨勢。在相關(guān)新興技術(shù)手段的支持下，具有IP矩陣、多畫面以及可轉(zhuǎn)換SDI等功能的視、音頻設(shè)備已經(jīng)投入使用。隨著該類型設(shè)備生產(chǎn)愈加規(guī)模化，再加上行業(yè)內(nèi)各廠家相互合作，使得視、音頻設(shè)備所涉及的技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)，可兼容多種設(shè)備，為設(shè)計(jì)與建設(shè)4K超高清電視播出系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力支撐。其中，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）架構(gòu)的出現(xiàn)與搭建，讓IP化轉(zhuǎn)型進(jìn)程加快，同時(shí)也為業(yè)務(wù)融合、網(wǎng)絡(luò)功能完善提供方便，有效優(yōu)化了傳統(tǒng)視頻播出架構(gòu)，將其劃分為多個(gè)具有不同功能作用的層級(jí)，大力支持4K超高清視頻的信號(hào)傳輸。流量管道在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持下，極大地提升了配置靈活性，使得在傳輸視頻、音頻時(shí)，可以根據(jù)播出業(yè)務(wù)要求選擇合適的傳輸通道，從根本上規(guī)避信號(hào)傳輸中斷問題，為高質(zhì)量傳輸4K超高清視頻信號(hào)提供基礎(chǔ)保障[4]。

從目前的IP化轉(zhuǎn)型情況來看，IP全面性轉(zhuǎn)化這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍存在一定阻礙，但基于當(dāng)下發(fā)展形勢，IP轉(zhuǎn)化是設(shè)計(jì)與建設(shè)4K超高清電視播出系統(tǒng)的必然要求。4K超高清電視播出系統(tǒng)在IP轉(zhuǎn)化支持下，有利于精簡系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)，同時(shí)還可以滿足多種類信號(hào)傳輸，減少銅線使用，有效降低此方面的資源消耗。最為重要的是，4K超高清電視播出系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)靈活應(yīng)用，保證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性[5]。

4 結(jié) 語

4K超高清技術(shù)的普及與應(yīng)用，為設(shè)計(jì)4K超高清電視播出系統(tǒng)提供了良好條件。在此過程中，各種新興技術(shù)手段的融入，使得4K超高清電視播出系統(tǒng)功能進(jìn)一步完善，極大地滿足了現(xiàn)階段用戶的個(gè)性化需求，給予用戶全新的視覺體驗(yàn)，也在一定程度上積極推動(dòng)了我國電視行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，為行業(yè)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)突破指明了方向。