基于5G的4K視頻直播技術(shù)研究

周奕捷

【摘要】本文主要研究基于5G的4K視頻直播技術(shù)，首先對5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡單介紹，了解5G網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)，重點(diǎn)分析基于5G的4K視頻直播設(shè)計(jì)和基于5G的4K視頻關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)基于5G的4K視頻典型應(yīng)用場景設(shè)計(jì)，希望通過本文的研究能夠更加全面的認(rèn)識基于5G的4K視頻直播技術(shù)，也為后期更好的綜合應(yīng)用5G技術(shù)和4K視頻直播技術(shù)提供參考。

【關(guān)鍵詞】5G;4K;視頻直播;信息技術(shù)

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.04..009

1. 5G網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)

5G網(wǎng)絡(luò)是最新一代的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為速度快、信號強(qiáng)、延時(shí)短，在具體的性能指標(biāo)方面可以從以下幾方面進(jìn)行分析，其一是用戶體驗(yàn)速度更快，相同環(huán)境下5G用戶能夠體驗(yàn)到0.1 ～1 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)速度，比現(xiàn)在通用的4G網(wǎng)絡(luò)的信號速度提高近百倍;其二是連接數(shù)密度更大，在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的千平方米范圍內(nèi)，能夠同時(shí)容納100萬臺設(shè)備在線，其密度也是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍;其三是延時(shí)更短，用戶終端之間的時(shí)間延遲相比4G網(wǎng)絡(luò)降低了10倍，延時(shí)控制在1 ～10 ms的范圍內(nèi);其四是移動(dòng)性好，在高速狀態(tài)下也能穩(wěn)定通信，目前5G通信網(wǎng)絡(luò)可以在時(shí)速500 km的環(huán)境下穩(wěn)定使用;其五是用戶峰值速率更高，目前基本能夠達(dá)到10 Gbp。

2? 基于5G的4K視頻直播設(shè)計(jì)

4K技術(shù)是高清視頻傳播技術(shù)的簡稱，視頻直播中應(yīng)用4K技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁└咔宓漠嬞|(zhì)，提升用戶感受，也有利于視頻的傳播。但是高清視頻需要傳輸更多的數(shù)據(jù)，而且視頻直播對于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣纫蟾撸駝t在觀看過程中機(jī)會出現(xiàn)視頻卡頓或者視頻畫質(zhì)低等問題。在4G時(shí)代的視頻直播中，一般不會應(yīng)用4K技術(shù)，主要是為了避免對直播的流暢度造成影響。近年來5G技術(shù)愈加成熟，而且已經(jīng)在生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用，5G技術(shù)最典型的特點(diǎn)就是傳輸速度更快，尤其適合進(jìn)行4K視頻的直播。

2.1 4K信號直播及切換

在直播切換方案中需要使用4K攝像機(jī)4K切換臺，以便于在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)4K信號多機(jī)位的切換，而且在切換后可以直接輸出4K-SDI信號方便后期進(jìn)行編碼

2.2 4K-VR采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要組成是4K級VR采集系統(tǒng)，具備VR信號采集拼接、現(xiàn)實(shí)與虛擬場景疊加以及不同場景實(shí)時(shí)綜合渲染功能，而且也可以輸出4K-SDI信號

2.3 4K編碼系統(tǒng)

編碼系統(tǒng)的作用是對節(jié)目流進(jìn)行編碼，基于5G的4K視頻直播中采用4K編碼系統(tǒng)，利用該編碼系統(tǒng)能夠把采集系統(tǒng)輸出的4K-SDI信號轉(zhuǎn)換編碼變?yōu)?K-IP信號，系統(tǒng)的后端與5G傳輸終端連接，實(shí)現(xiàn)節(jié)目傳輸。

2.4 4K解碼系統(tǒng)

解碼后得到的4K-IP信號推送需要借助4K解碼系統(tǒng)傳輸?shù)缴鐑?nèi)演播室，而且可以使用解碼系統(tǒng)將音頻信號嵌入其中4K- SDI 信號，通過與演播室導(dǎo)播切換系統(tǒng)連接，以供后期制作節(jié)目信號。

2.5 延時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)

在基于5G的4K視頻直播中，可能需要在多終端不同的平臺進(jìn)行播放。為了滿足直播過程中的安全需求，一般需要在系統(tǒng)內(nèi)配置延時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)能夠?qū)?K直播信號進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，得到適合多平臺不同終端的碼率格式。在播放中，也可以根據(jù)直播的實(shí)際情況對其進(jìn)行配置。而且還能針對直播的要求設(shè)置直播的延時(shí)時(shí)間。

2.6? VR播放系統(tǒng)

VR播放系統(tǒng)的作用是播放SDK，方便在節(jié)目制作過程中，在社內(nèi)觀看體驗(yàn)VR視頻，也能借助5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對于4K-VR節(jié)目的實(shí)時(shí)預(yù)覽。

3. 基于5G的4K視頻關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 先進(jìn)的4K-VR縫合+AR渲染

在基于5G的4K視頻制作中使用能夠?qū)崟r(shí)縫合對于不同目的全景信號，對于在錄制過程中由于鏡頭畸變導(dǎo)致的畫面扭曲問題也能進(jìn)行糾正處理，從而實(shí)現(xiàn)不同畫面之間的無縫拼接。結(jié)合AR渲染處理技術(shù)可以直接在4K-VR信號中進(jìn)行渲染，而且可以根據(jù)運(yùn)營制作需求將動(dòng)畫、LOGO、背景等元素實(shí)時(shí)植入畫面之中，通過應(yīng)用這種技術(shù)能夠提升視頻的觀看效果，而且可以為運(yùn)營商創(chuàng)造增值收益。除此之外，在使用系統(tǒng)對視頻信號進(jìn)行縫合渲染的過程中，編輯人員能夠?qū)崟r(shí)預(yù)覽視頻信號，而且可以實(shí)時(shí)對縫合效果進(jìn)行調(diào)整處理，真正實(shí)現(xiàn)渲染效果的所見即所得。

3.2 支持4K+H.265編碼和多屏分發(fā)

在高性能GPU的支持下，利用先進(jìn)的編碼算法能夠編輯輸出4K+H.265類型的視頻直播，而且視頻輸出質(zhì)量更高，輸出效率更高，而且更加穩(wěn)定，從而為客戶提供更高品質(zhì)的觀看體驗(yàn)。而且在視頻編輯輸出時(shí)，能夠轉(zhuǎn)碼輸出為多種不同的格式，不同的直播流可以滿足用戶端不同設(shè)備、不同分辨率的觀看需求。

3.3 擴(kuò)充VR片源

首先可以直接將普通的視頻轉(zhuǎn)換為VR全景模式，這樣就能極大擴(kuò)充VR視頻片源，為VR產(chǎn)業(yè)提供內(nèi)容支持。其二可以根據(jù)播放需要在直播畫面中植入LOGO，而且具體的拼接疊加位置可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠借助相關(guān)植入創(chuàng)造更多的收益。其三是對全高清視頻的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用技術(shù)能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成4K-VR視頻，為用戶提供更震撼的視覺觀影感受。

3.4 低碼率高質(zhì)量節(jié)省帶寬

在基于5G的4K視頻中應(yīng)用投射編碼器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)球面與平面之間1：1點(diǎn)到點(diǎn)的投射，避免在投射過程中出現(xiàn)信息損失和畫面失真的情況，投射時(shí)畫面中的黑色無效區(qū)域不會消耗碼率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更低的編碼面積，僅占傳統(tǒng)模式下的63%，能夠節(jié)省30%以上的碼率。該技術(shù)在應(yīng)用中利用人眼的雙目競爭特性，保證觀眾在雙目觀看視頻時(shí)不會出現(xiàn)主觀感受質(zhì)量下降的問題。而且雙目編碼以高質(zhì)量的眼睛為標(biāo)準(zhǔn)，可以在保持主觀觀影質(zhì)量的前提下進(jìn)一步降低碼率，因此視頻傳輸中的帶寬更小，速度更快。同時(shí)每隔10秒會對質(zhì)量較好的眼睛視頻輪流切換，觀眾的體驗(yàn)會更加舒服。

3.5? 一站式的解決方案

基于5G的4K視頻技術(shù)全方位支持對主流VR業(yè)務(wù)實(shí)，在覆蓋業(yè)務(wù)的同時(shí)，用戶粘度也進(jìn)一步增強(qiáng)。從前期生產(chǎn)采集視頻，到中期的縫合渲染、轉(zhuǎn)碼等，直到最后對視頻進(jìn)行分發(fā)播放，可以全鏈路覆蓋，一站式解決，極大提高視頻從制作到傳播的效率。

4. 基于5G的4K視頻典型應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

4.1 事件性現(xiàn)場4K直播

近年來隨著信息傳播速度的不斷加快，人們對于獲取信息的要求也不斷提高，直播場景的應(yīng)用更加廣泛，比如電視臺、媒體公司在日常報(bào)道現(xiàn)場事件時(shí)都需要利用直播技術(shù)，首先在現(xiàn)場采集信號，再利用5G技術(shù)傳輸?shù)郊庸ぬ幚碇行?，并直接分發(fā)到不同的播出平臺中，最后在手機(jī)、電視、網(wǎng)站等不同的終端以直播的形式呈現(xiàn)。而且隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，現(xiàn)場直播的內(nèi)容更加豐富，頻次更加頻繁，比如常見的會議直播、演唱會直播、活動(dòng)直播、風(fēng)景直播以及當(dāng)前火熱的銷售直播，都要基于于5G的4K視頻直播技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用 Live- 4K直播業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠?yàn)榭蛻籼峁└痛a率、更低延遲的直播視頻，而且視頻畫面更加穩(wěn)定、高清。

4.2 新媒體4K直播

隨著通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提高和三網(wǎng)融合程度的不斷加深，傳播方式也更加多樣化，逐漸衍生出手機(jī)電視、網(wǎng)絡(luò)電視、IPTV等不同類型的互動(dòng)形態(tài)，視頻傳播的內(nèi)容也更加高清，4K成為視頻傳播的主流格式，AVS2、H.265和4K直播等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用更加普遍。

4.3 有線運(yùn)營4K直播

當(dāng)前電視直播業(yè)務(wù)仍然是有線運(yùn)營商的基本直播業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)與千家萬戶有密切的聯(lián)系，需要滿足更高的的穩(wěn)定性和安全性要求，在傳播呈現(xiàn)中主要是高標(biāo)清格式直播。隨著視頻技術(shù)的不斷發(fā)展，也開始提供4K化視頻服務(wù)，同時(shí)升級形成時(shí)移回看等高端業(yè)務(wù)功能。Live-4K直播業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過建設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)DVB+OTT架構(gòu)能夠?yàn)橛芯€直播提供了穩(wěn)定高并發(fā)的直播方案，而且畫質(zhì)可以滿足4K化要求。同時(shí)利用4層安全架構(gòu)對有線直播的安全穩(wěn)定性形成可靠的保障。

4.4 互聯(lián)網(wǎng)視頻運(yùn)營4K直播

信息時(shí)代的發(fā)展也伴隨著著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，而互聯(lián)網(wǎng)視頻行業(yè)也借助5G等信息技術(shù)得到飛速發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)視頻行業(yè)的內(nèi)容方式變得更加豐富，相關(guān)視頻內(nèi)容的出口也從單一的手機(jī)端延伸到平板、電視、投影等不同的終端?；ヂ?lián)網(wǎng)視頻的內(nèi)容也衍生出自制綜藝、電視劇、體育直播以及不同類型的直播內(nèi)容，利用Live- -4K直播業(yè)務(wù)系統(tǒng)同樣可以為互聯(lián)網(wǎng)視頻的傳播提供解決方案。

4.5 5G+4K在視頻直播中的應(yīng)用案例

5G+4K的視頻直播技術(shù)的應(yīng)用最典型的案例就是央視轉(zhuǎn)播2019年國慶閱兵現(xiàn)場，用戶可以使用不同的終端在線直播觀看閱兵。在此之后，這種基于5G的4K視頻直播技術(shù)愈加成熟，也逐漸在新聞媒體、晚會、會議等不同的場景中普遍使用，受到用戶群體的廣泛追捧。

5. 結(jié)語

通過前文的分析可知，基于基于5G的4K視頻直播技術(shù)已經(jīng)不斷成熟，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合使用4K信號直播及切換、 4K-VR采集系統(tǒng)、4K編碼系統(tǒng)、 4K解碼系統(tǒng)、延時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)、VR播放系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)和4K-VR縫合+AR渲染與4K+H.265編碼和多屏分發(fā)等先進(jìn)技術(shù)，從而滿足事件性現(xiàn)場4K直播、新媒體4K直播、有線運(yùn)營4K直播和互聯(lián)網(wǎng)視頻運(yùn)營4K直播等不同場景的需求。直播畫質(zhì)也更加清晰穩(wěn)定，而且傳輸中只需占用很小的帶寬和很低的碼率。未來隨著社會的不斷發(fā)展變化，人們對于精神文明和娛樂性的需求也會更加多元化，基于基于5G的4K視頻直播技術(shù)的應(yīng)用會更加廣泛，同時(shí)人們對于4K視頻直播技術(shù)的要求也會更加嚴(yán)格。這就需要行業(yè)內(nèi)的企業(yè)在今后的工作中，不斷加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究，增強(qiáng)交流合作，更好的推動(dòng)直播行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。工作人員也要不斷學(xué)習(xí)，提高專業(yè)素質(zhì)和能力，更好的解決基于5G的4K視頻直播技術(shù)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，研究設(shè)計(jì)更加合理的應(yīng)用方案，更好的發(fā)揮4K、5G技術(shù)的優(yōu)勢，提供更高質(zhì)量的直播視頻服務(wù)，更好的滿足不同行業(yè)對于視頻直播的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]田芳，王珂.基于5G+4K的無人機(jī)高速公路自動(dòng)化巡檢研究與應(yīng)用[J].江蘇科技信息，2021，38（06）：55-59.

[2]陳雨瀟.5G技術(shù)在新聞生產(chǎn)中的實(shí)踐應(yīng)用[J].中國傳媒科技，2021（01）：30-32.

[3]姜文波，趙貴華.5G+4K/8K+AI重構(gòu)電視媒體制播體系[J].廣播與電視技術(shù)，2020，47（12）：10-20.

[4]時(shí)漢楓.5G時(shí)代電視媒體的新聞移動(dòng)視頻直播應(yīng)用研究[J].中國有線電視，2020（12）：1473-1476.

[5]杜書華，梁澤仁.5G+4K超高清直播采集傳輸?shù)臅r(shí)延分析[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2020（12）：60-65.