趙貴華
(中央廣播電視總臺,北京 100859)
近年來,4K廣播電視技術(shù)突飛猛進(jìn),帶動了對高質(zhì)量內(nèi)容的需求。隨著計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)處理、高速存儲和高效編解碼技術(shù)的發(fā)展,電視行業(yè)快速推動了4K超高清高分辨率制播技術(shù)和設(shè)備研發(fā)力度,4K超高清圖像具有更高分辨率、更寬色域和更高動態(tài)范圍,極大地提升了圖像質(zhì)量,帶給觀眾更加清晰自然、豐富的視覺感受。
從2018年中央廣播電視總臺(以下簡稱“總臺”)成立開始,就全面推進(jìn)媒體深度融合,提出要從傳統(tǒng)技術(shù)布局向5G+4K/8K+AI戰(zhàn)略格局轉(zhuǎn)變,5G、4K/8K超高清、AI已成為總臺建設(shè)國際新型主流媒體的最重要的技術(shù)支撐。2018年10月1日,總臺開播了4K超高清電視頻道,雖然總臺在4K頻道開通時(shí)已建設(shè)完成新址E16超高清演播室,但總臺制作的4K節(jié)目量還無法滿足4K頻道的播出需要。當(dāng)時(shí),總臺在4K超高清節(jié)目制作方面還存在幾個(gè)主要問題:(1)4K超高清行業(yè)發(fā)展迅速,但各主要廠家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,4K設(shè)備無法做到完全互通;(2)4K超高清演播室不夠,無法支撐4K節(jié)目制作需求;(3)即使將演播室攝像機(jī)由高清升級為4K攝像機(jī),如果將所有4K攝像機(jī)信號收錄,素材量大,后期編輯過程將費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。
4K頻道的開播需要大量的超高清節(jié)目,因此,創(chuàng)新超高清電視制播模式是推動超高清電視發(fā)展的有效途徑。2019年,總臺專門立項(xiàng)“4K伴隨HD制播技術(shù)研究”科研項(xiàng)目,在項(xiàng)目中首創(chuàng)了4K伴隨HD超高清電視制播的兩種模式:(1)4K伴隨HD智能虛擬合成技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的4K伴隨HD制作和直播;(2)4K伴隨HD智能切換同播技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的4K伴隨HD制作和直播。這兩種4K伴隨HD制播模式極大地提升了4K超高清電視節(jié)目產(chǎn)能,解決原創(chuàng)超高清電視節(jié)目稀缺的瓶頸問題。
當(dāng)前,絕大部分電視媒體在近年來才實(shí)現(xiàn)高清化,在用的高清演播室系統(tǒng)均還處于生命周期內(nèi),馬上淘汰工作狀態(tài)良好的HD設(shè)備將是巨大的浪費(fèi),而規(guī)模建設(shè)全新的4K演播室也會占用巨額資金。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷普及,4K超高清演播室因?yàn)橹谱鞔a率大、傳輸帶寬高而采用IP技術(shù)架構(gòu)越來越廣泛,從信號源、制作、監(jiān)看到末級輸出,已實(shí)現(xiàn)了全流程全I(xiàn)P架構(gòu)的4K HDR制作。因此,演播室IP技術(shù)和多通道收錄系統(tǒng)為現(xiàn)有的HD演播室制作4K超高清電視節(jié)目提供了可能性。
4K伴隨HD智能虛擬合成系統(tǒng)主要是在現(xiàn)有的HD演播室系統(tǒng)中僅需更換4K攝像機(jī),使用原有的HD切換臺PGM切換信息和4K合成服務(wù)器就可以輸出4K PGM信號,形成HD和4K兼容的節(jié)目生產(chǎn)能力,實(shí)現(xiàn)一種創(chuàng)新性的4K節(jié)目生產(chǎn)工藝低成本解決方法。這種方法利用HD切換臺的Tally信號將HD切換臺的切換信息和特技信息傳送到4K節(jié)目合成服務(wù)器,使用軟件合成出4K PGM,并同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)看和自動檢測替換功能。圖1為4K伴隨HD智能虛擬合成系統(tǒng)架構(gòu)圖。
圖14 K伴隨HD智能虛擬合成系統(tǒng)架構(gòu)
1.1.1 4K多通道采集系統(tǒng)
4K多通道采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)4K信號的多通道同步錄制、多畫面集中控制監(jiān)看、素材的統(tǒng)一監(jiān)管、素材自動分段和自動遷移等任務(wù)。4K攝像機(jī)同時(shí)輸出高清和4K信號,高清信號接入現(xiàn)有的高清系統(tǒng),4K信號接入4K多通道采集系統(tǒng)。4K多通道采集系統(tǒng)提供多種編碼格式,并采用性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟的服務(wù)器平臺,確保多通道4K節(jié)目錄制、暫停、停止達(dá)到零幀精度。單臺4K錄制設(shè)備滿足2路4K信號進(jìn)行同步錄制和控制,并可實(shí)現(xiàn)多臺錄制設(shè)備聯(lián)機(jī)。錄制音頻通道數(shù)可手動設(shè)定,每個(gè)通道支持8路音頻輸入。圖2為4K多通道采集系統(tǒng)流程。
圖2 4K多通道采集系統(tǒng)流程
1.1.2 TALLY信息交互系統(tǒng)
TALLY信息交互系統(tǒng)主要是4K合成服務(wù)器實(shí)時(shí)自動接收高清切換臺切換信息并自動記錄下來,生成XML文件。系統(tǒng)通過遙控線將4K合成服務(wù)器和高清切換臺COM口進(jìn)行獨(dú)立連接,可自動獲取到切換臺CAM接入數(shù)量。當(dāng)切換臺發(fā)出切換信息及切換任務(wù)時(shí),4K虛擬切換系統(tǒng)會自動接收該切換信息及任務(wù),并自動記錄生成切換列表和元數(shù)據(jù)XML文件。切換列表包含高清切換臺的實(shí)時(shí)切點(diǎn)、疊畫信息,以及對應(yīng)的時(shí)間碼。4K虛擬切換系統(tǒng)根據(jù)4K訊道素材和元數(shù)據(jù)XML文件自動生成與高清信號切點(diǎn)一致的4K PGM文件。圖3為4K和HD信息交互流程。如果是錄制節(jié)目,后期編輯人員根據(jù)合成的PGM文件和切點(diǎn)XML進(jìn)行成片編輯,這樣就大幅度減少了后期編輯人員的對高清PGM切點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)工作量,提高4K節(jié)目制作的效率。
圖3 4K和HD信息交互流程
1.1.3 虛擬合成系統(tǒng)
虛擬合成系統(tǒng)在獲取到高清切換臺切換信息后就相當(dāng)于獲取到導(dǎo)播所有的切換過程,包括主切和副切的切點(diǎn)和疊畫信息,配合所采集的4K視音頻文件,即可實(shí)現(xiàn)4K PGM文件和副切文件的合成。虛擬合成系統(tǒng)能夠完全模擬切換臺的動作,具備完整的流程化管理,使4K節(jié)目的生產(chǎn)能力得以提高。
同時(shí),虛擬合成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)邊錄制邊合成邊監(jiān)看功能,通過4K多通道節(jié)目的幀同步錄制,將各通道的4K信號都獨(dú)立采集為指定格式的4K視音頻文件,并在節(jié)目錄制6 s后,所有通道的4K文件實(shí)現(xiàn)文件封口,此時(shí),通過4K虛擬切換系統(tǒng)獲取切換臺切點(diǎn)信息及疊畫信息,自動對采集的4K素材進(jìn)行合成并生成4K PGM文件。在自動生成4K版本PGM文件的同時(shí),制作人員可通過4K監(jiān)看系統(tǒng)預(yù)覽調(diào)用已經(jīng)合成的PGM文件,進(jìn)行節(jié)目質(zhì)量、節(jié)目切換準(zhǔn)確率以及節(jié)目效果查看,也可以通過4K播出服務(wù)器以在線播出的方式把信號輸出到監(jiān)視器進(jìn)行瀏覽及監(jiān)看。圖4為錄制-合成-監(jiān)看流程圖。
圖4 錄制-合成-監(jiān)看流程圖
4K伴隨HD智能虛擬制播系統(tǒng)可以跟臺內(nèi)其他制作系統(tǒng)進(jìn)行元數(shù)據(jù)和文件級交互,不僅可以提高4K節(jié)目的生產(chǎn)力,滿足臺內(nèi)節(jié)目制作需求,同時(shí)可降低4K節(jié)目制作成本,實(shí)現(xiàn)4K精品節(jié)目快速制作。
圖5為4K伴隨HD智能虛擬制播系統(tǒng)合成界面。
圖5 4K伴隨HD智能虛擬制播系統(tǒng)合成界面
當(dāng)前廣播電視行業(yè)處于高清制作向4K HDR制作過渡的階段,因此,在進(jìn)行4K HDR節(jié)目制作的同時(shí),通常還需要考慮高清節(jié)目制作的需求。在2020年和2021年《中央廣播電視總臺春節(jié)聯(lián)歡晚會》(以下簡稱“央視春晚”)直播中,總臺采用4K/HD智能同播的制作模式,實(shí)現(xiàn)了HD SDR和4K HDR信號的智能聯(lián)動同步播出。
1.2.1 HD和4K演播室系統(tǒng)
總臺一號廳演播室系統(tǒng)是一個(gè)高清系統(tǒng),主要承擔(dān)春晚高清信號的制作和直播任務(wù),一號演播廳系統(tǒng)使用11臺4K攝像機(jī)和1臺4K微型攝像機(jī),系統(tǒng)為主控提供2路高清PGM信號??偱_800 ㎡演播室系統(tǒng)是一個(gè)4K超高清系統(tǒng),主要承擔(dān)央視春晚4K信號的制作和直播任務(wù),從信號源、制作、監(jiān)看到末級輸出,實(shí)現(xiàn)了全流程4K HDR制作方式,采用國產(chǎn)通用COTS交換機(jī)葉脊結(jié)構(gòu),可通過對交換機(jī)葉脊架構(gòu)的調(diào)整、配置,實(shí)現(xiàn)信號處理能力的規(guī)模性擴(kuò)展,配置國產(chǎn)集中控制系統(tǒng)對整個(gè)演播室視頻系統(tǒng)進(jìn)行全面管理控制,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場景的快速切換。由于800 ㎡演播廳和導(dǎo)控室都偏小,無法承擔(dān)央視春晚這種綜藝晚會的要求,為了實(shí)現(xiàn)800 ㎡演播室4K系統(tǒng)和一號廳演播室高清系統(tǒng)的聯(lián)動,總臺首創(chuàng)了4K伴隨HD智能切換同播技術(shù)以滿足春晚的播出需求。圖6為4K伴隨HD智能切換同播系統(tǒng)架構(gòu)。
圖6 4K伴隨HD智能切換同播系統(tǒng)架構(gòu)
1.2.2 智能同播交互系統(tǒng)
4K/HD智能同播技術(shù)是基于演播室的IP架構(gòu),利用IP網(wǎng)絡(luò)建立跨系統(tǒng)的遠(yuǎn)程制作系統(tǒng),將一號廳演播室高清系統(tǒng)和800 ㎡演播室4K系統(tǒng)進(jìn)行IP級聯(lián),實(shí)現(xiàn)全功能、全要素的4K HDR和高清SDR 智能聯(lián)動同步播出。
在近兩年央視春晚直播中,一號廳演播室采用4K超高清攝像機(jī),同時(shí)輸出高清信號和4K信號,4K信號送至一號廳演播室數(shù)據(jù)交換機(jī)。將一號廳演播室系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換機(jī)作為葉交換機(jī),通過IP網(wǎng)絡(luò)接入800 ㎡演播室數(shù)據(jù)交互系統(tǒng),并將2個(gè)演播室的切換臺控制系統(tǒng)也通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)2個(gè)不同區(qū)域演播室系統(tǒng)間4K視頻信號、監(jiān)看信號及控制信號的數(shù)據(jù)交互。4K HDR制作區(qū)的800 ㎡演播室切換臺無需人工干預(yù),即可實(shí)現(xiàn)與一號廳演播室高清 SDR制作完全一致的切換和各種效果指令。在不影響一號廳演播室高清直播的基礎(chǔ)上,完成央視春晚HD SDR和4K HDR 信號的同步制作播出。整個(gè)接入過程中,系統(tǒng)可迅速完成對新接入設(shè)備信號的識別和認(rèn)證,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)度及控制。圖7為800 ㎡4K演播室導(dǎo)控室和立柜機(jī)房。
圖7 800 ㎡4K演播室導(dǎo)控室和立柜機(jī)房
4K伴隨HD制播模式是在現(xiàn)有的高清演播室系統(tǒng)中僅更換4K攝像機(jī),利用高清切換臺PGM切換信息和4K合成服務(wù)器或4K切換臺實(shí)現(xiàn)交互,就可以輸出4K超高清PGM信號,形成了高清和4K超高清兼容的節(jié)目生產(chǎn)能力,從而實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新性的4K超高清節(jié)目生產(chǎn)工藝低成本解決方法。
2.1.1 4K多通道錄制、合成PGM、監(jiān)看并行技術(shù)
4K虛擬切換系統(tǒng)通過遙控線自動對接導(dǎo)播切換臺,自動獲取到切換臺CAM接入數(shù)量。在保證4K多通道錄制的情況下,切換臺將導(dǎo)播的切換信息會以任務(wù)的形式發(fā)送給虛擬切換系統(tǒng),自動被虛擬切換系統(tǒng)記錄下來,包括切點(diǎn)、疊畫信息。所有通道的4K文件會依照MXF文件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻收錄,同時(shí)每隔5 s更新一次文件頭中視頻長度等信息,實(shí)現(xiàn)文件的定時(shí)封口功能。在播放的過程中,首先通過定期讀文件頭,獲取視頻長度信息。在得知長度之后,計(jì)算出視頻和音頻幀在物理文件中的位置,然后讀取相關(guān)數(shù)據(jù),這樣就可實(shí)現(xiàn)邊收錄邊播放的功能。由于是實(shí)時(shí)生成PGM視音頻文件,制作人員可以通過搜索多通道4K視音頻PGM文件進(jìn)行區(qū)間查看、預(yù)覽。圖8為4K多通道錄制-合成-監(jiān)看并行技術(shù)。
圖8 4K多通道錄制-合成-監(jiān)看并行技術(shù)
2.1.2 高清切換臺串行通信端口的4K虛擬切換技術(shù)
4K多通道虛擬合成記錄技術(shù)是一種新型的應(yīng)用技術(shù),它是用于依據(jù)高清切換臺的切換動作來達(dá)到同步虛擬切換4K PGM、副切信號的要求。4K虛擬切換系統(tǒng)通過外接一根廣電設(shè)備專用的串行通信端口遙控線實(shí)現(xiàn)與高清切換臺COM口的連接,實(shí)現(xiàn)記錄高清切換臺切點(diǎn)信息并生成切點(diǎn)元數(shù)據(jù)XML文件。由于串行通信方式在遠(yuǎn)程傳輸時(shí),穩(wěn)定性強(qiáng)且可避免多條線路帶來的干擾,因此,虛擬切換系統(tǒng)使用串行通信端口十分方便,直接通過COM口接收高清切換臺切換信息,并自動記錄形成切換列表。目前,4K虛擬切換技術(shù)可以支持常用的主流各品牌高清切換臺串行通信端口,適用范圍廣泛。圖9為4K虛擬切換界面圖。
圖9 4K虛擬切換界面
2.1.3 4K多通道智能設(shè)備檢測和信號替換技術(shù)
4K多通道智能設(shè)備檢測和信號替換技術(shù)主要在4K節(jié)目合成過程中信號或設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)使用。該技術(shù)是專門立項(xiàng)研究的應(yīng)用技術(shù),當(dāng)切換臺發(fā)出切換消息及切換任務(wù)時(shí),4K虛擬切換系統(tǒng)會自動接收該切換消息及任務(wù)并同時(shí)記錄當(dāng)前切換時(shí)的時(shí)碼時(shí)間,自動生成切換列表。從切換列表中可以知道對應(yīng)的時(shí)間素材和對應(yīng)的PGM時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)多通道錄制時(shí),若某通道出現(xiàn)問題,系統(tǒng)會自動識別到故障通道,并通過由高清PGM上變換后的信號自動替換當(dāng)前錄制通道的畫面,保證整個(gè)節(jié)目順利錄制和合成。圖10為智能設(shè)備檢測和信號替換流程。
2.1.4 4K多通道主副切同時(shí)虛擬合成記錄技術(shù)
4K多通道主副切同時(shí)虛擬合成記錄技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)4K節(jié)目全程的主副切切換的效果。目前,眾多廠家的高清切換臺輸出的Tally信息除了PGM的切換、疊畫信息外,均具備多M/E、多AUX的切換信息。4K虛擬切換系統(tǒng)通過遙控線對接導(dǎo)播切換臺,就能夠獲取切換臺上任意指定的多個(gè)M/E或AUX切換信息,這些切換信息(包含特技信息)會以任務(wù)的形式發(fā)送給虛擬切換系統(tǒng),被虛擬切換系統(tǒng)記錄下來,并形成切換列表,配合所有記錄的4K視音頻文件,就可合成出所需的4K PGM視音頻文件與副切視音頻文件。圖11為4K虛擬合成記錄界面。
2.2.1 遠(yuǎn)程制作架構(gòu)
采用遠(yuǎn)程制作架構(gòu),可實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的演播室系統(tǒng)間全功能的智能聯(lián)動同步播出。
圖10 智能設(shè)備檢測和信號替換流程
圖11 4K虛擬合成記錄界面
在大型綜藝節(jié)目直播中,通過深度開發(fā)設(shè)備制播切換指令,利用IP網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)全功能的智能聯(lián)動播出。通過IP網(wǎng)絡(luò)建立遠(yuǎn)程制作構(gòu)架,擴(kuò)展與其他演播室的IP級聯(lián)。一號廳演播室的數(shù)據(jù)交換機(jī)以葉交換機(jī)的方式,通過IP網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程接入800 ㎡演播室數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)的脊交換機(jī),實(shí)現(xiàn)4K 圖像信號、音頻信號、切換臺聯(lián)動控制信號的數(shù)據(jù)交互,充分利用IP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),減少布線的復(fù)雜度,增強(qiáng)聯(lián)動系統(tǒng)的靈活性。在不改變一號廳高清直播的任何操作和工作方式的前提下,節(jié)目部門只需專注于高清直播,由后臺通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)第八演播室隨動一號廳演播室,在實(shí)現(xiàn)超高清同步直播的同時(shí),又不會干擾一號廳的高清直播,實(shí)現(xiàn)了央視春晚4K HDR和HD SDR信號的同步制作播出。
2.2.2 集中控制系統(tǒng)
集中控制系統(tǒng)對視頻系統(tǒng)全面管理控制和監(jiān)測,并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場景的快速切換。
集中控制系統(tǒng)通過SDN管理系統(tǒng)對IP信號進(jìn)行統(tǒng)一管理、調(diào)度、監(jiān)測以及權(quán)限設(shè)置保證系統(tǒng)安全,對交換機(jī)、切換臺、多畫面分割器、監(jiān)視器等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制。通過命令集的方式完成對設(shè)備層的控制、調(diào)用,實(shí)現(xiàn)制作應(yīng)用場景的快速轉(zhuǎn)換,同時(shí)提供可自定義編程控制面板,完成相應(yīng)配置功能。在2020年和2021年央視春晚直播中,800 ㎡演播室系統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)看系統(tǒng)大屏Layout的快速配置及應(yīng)用場景的切換,以及系統(tǒng)內(nèi)所有監(jiān)看信號的調(diào)度控制,并通過可編程面板實(shí)現(xiàn)應(yīng)急切換系統(tǒng)的配置及信源切換,以及切換臺源名的快速推送。
總臺自2018年開始結(jié)合節(jié)目制作流程逐步創(chuàng)新超高清制播模式,形成了多個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科研成果,并成功轉(zhuǎn)化為節(jié)目實(shí)際制作應(yīng)用,為總臺超高清節(jié)目的采集、制作、傳輸提供了技術(shù)支撐,為國內(nèi)電視行業(yè)超高清節(jié)目制作提供了可行的解決方案。
總臺4K伴隨HD虛擬合成制播模式具有建設(shè)時(shí)間短、占用資金少、不影響原有高清核心制作等優(yōu)點(diǎn),系統(tǒng)只需配備4K攝像機(jī)以及新建4K多通道收錄系統(tǒng)和智能虛擬切換系統(tǒng),就能實(shí)現(xiàn)在HD電視制播平臺同步制作和直播超高清節(jié)目。4K伴隨HD制作和直播的投資只要約1000萬元,只有4K超高清演播室建設(shè)費(fèi)用的1/6。目前4K伴隨HD虛擬合成制作系統(tǒng)已經(jīng)在中央電視臺的一號廳、E01、E02、E03等大型演播室進(jìn)行了全面部署,極大地提高了中央電視臺4K超高清整體制作效率。總臺通過4K伴隨HD制播模式將4K節(jié)目產(chǎn)量由2017年的29 h提升到2018年的850 h,在2019年達(dá)到了2500 h?!?K伴隨HD虛擬合成制播模式”獲得了2019年度中國電影電視技術(shù)學(xué)會第十二屆科技進(jìn)步獎評獎一等獎的殊榮,并申請了三項(xiàng)發(fā)明專利。其中,“一種4K視音頻信號的切換方法、裝置、系統(tǒng)及電子設(shè)備”專利主要是接收HD切換臺發(fā)送的切換信息和時(shí)間碼以及攝像機(jī)的4K IP信號,生成單元根據(jù)時(shí)間碼順序和切換信息對多個(gè)4K素材進(jìn)行合成并生成4K PGM節(jié)目文件;“4K節(jié)目制作方法及系統(tǒng)”和“4K節(jié)目監(jiān)看方法及系統(tǒng)”專利主要是HD演播室中僅配備4K攝像機(jī)和4K虛擬切換系統(tǒng)的情況下,通過接收HD切換臺通訊端口的切換命令及特技信息虛擬合成為4K PGM文件,在實(shí)時(shí)播出的同時(shí),還能實(shí)現(xiàn)節(jié)目的BT.2020寬色域和HDR高動態(tài)范圍效果的監(jiān)看??偱_4K伴隨HD智能切換同播模式順利完成了2020年和2021年央視春晚高清SDR和4K HDR的同步直播,這是國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了跨系統(tǒng)的高清和4K信號的智能聯(lián)動播出。目前該制播模式正在申報(bào)2020年廣播影視制作創(chuàng)新獎和2020年CUVA超高清視頻獎項(xiàng)。
總臺“4K伴隨HD制播模式”降低了4K節(jié)目制作成本,在保證高清制作的基礎(chǔ)上極大地提高4K節(jié)目的生產(chǎn)力,滿足臺內(nèi)4K和高清節(jié)目同步制作需求,目前,“4K伴隨HD制播模式”已安全高效地完成了總臺多個(gè)大型精品節(jié)目的制播任務(wù),這為各省市電視臺的4K節(jié)目制作起到了引領(lǐng)和示范作用。