基于IP流的4K超高清播控系統(tǒng)應(yīng)用分析

鄭燕龍，張雪霏，郝小佩

（1.河北省廣播電視七一七發(fā)射臺，河北石家莊，050000；2河北廣播電視臺，河北石家莊，050000；3河北省廣播電視衛(wèi)星地球站，河北石家莊，050000）

1 基于IP流播出的4K的應(yīng)用概述

當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，帶動了4K電視的普及。作為常見電視，4K電視具有較高的分辨率，且可從以下6個維度，向4K擴(kuò)展。

（1）高分辨率

2K高清（1080×1920）向4K超高清（2160×3840）分辨率。

（2）寬色域

可展現(xiàn)更豐富的色彩，使顏色更加鮮艷，提高視覺體驗。

（3）高幀率

高幀率為專業(yè)術(shù)語，電視的本質(zhì)是一幀一幀的圖像，通過人眼短暫記憶，構(gòu)成畫面。以前電視通過24幀圖像，構(gòu)成一秒的畫面，而現(xiàn)階段，4K電視為逐行掃描，可達(dá)到120 P。

（4）高量化

由8bit高清量化至4K超高清的10bit或者12bit，使顏色展現(xiàn)的更加真實，并且對于紅色和綠色等給觀者以身臨其境的感覺。例如足球比賽的觀看中，球場綠色草坪，運(yùn)動員球衣，均展現(xiàn)的十分鮮明。此外，球員腿部動作和踢球動作，均可清晰表現(xiàn)出來。

（5）高保真音頻

采用7.1或5.1聲道，使聲音更加真實，聽覺更加舒適，適用于娛樂。

（6）高動態(tài)范圍

SDR高清到超高清4K圖像，同時亮度空間由709γ提升到HDRγ。

另外，高清的重要區(qū)別在于帶寬，從高清3GB向4K 12GB超高清對網(wǎng)絡(luò)的暢通要求更高?；贗P流的4K超高清播放系統(tǒng)建設(shè)，需要對以下幾個問題進(jìn)行全方位的考慮，才能確保其播放過程的安全性和播放效果的時效性。

SDI基帶信號向IP化信號轉(zhuǎn)化問題：隨著新媒體技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)SDI架構(gòu)已無法滿足信息時代下的要求，向IP化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化已成趨勢。IP架構(gòu)建設(shè)下的視音頻傳輸，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離視音頻的傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)視音頻在不同平臺間的高效傳輸。

系統(tǒng)IP化后的同步問題：在SDI基帶信號系統(tǒng)中，需要對整個基帶信號系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，來確保系統(tǒng)信號的同步性，以保證視音頻播出切換的準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)IP化后，也需要有效解決信號同步問題，才能確保4K超高清視音頻的播出效果。

IP系統(tǒng)時鐘同步精度問題：在4K超高清播放過程中，需要確保時鐘同步精度，來實現(xiàn)音視頻的幀同步，以保證音視頻播放畫面的穩(wěn)定性。

播出安全問題的考慮：系統(tǒng)IP化后，播出安全問題仍然是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。因此，應(yīng)以IP系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性為基礎(chǔ)，構(gòu)建個性化播出平臺，提高系統(tǒng)的監(jiān)管和控制能力，確保基于IP流下4K超高清播放安全的高效性。

2 SDI over IP及IP化矩陣

2.1 SDI基帶信號向IP化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化

SDI基帶信號向IP化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化將是一個循序漸進(jìn)的過程，而隨著IP化封裝技術(shù)的日漸成熟，4K/IP已經(jīng)成為現(xiàn)實。在SDI基帶信號向IP化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化過程中，傳統(tǒng)SDI矩陣將被SDI over IP矩陣所代替，能夠利用IP和SDI轉(zhuǎn)換設(shè)備，在IP矩陣中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理等功能。IP矩陣能夠使視音頻在各幀之間無縫切換，并能夠?qū)λ行盘栐谌我廨斎胼敵鲩g進(jìn)行調(diào)度，最終轉(zhuǎn)換為SDI基帶信號輸出到相應(yīng)的終端之上，從而完成SDI 基帶信號向 IP 化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。

2.2 TS over IP

在4K超高清播放系統(tǒng)中，需要將衛(wèi)星信號、壓縮的音視頻、加密的衛(wèi)星節(jié)目或本地加密節(jié)目轉(zhuǎn)換為IP流數(shù)據(jù)來進(jìn)行傳輸，即TS over IP的過程。此過程中主要利用衛(wèi)星接收機(jī)、編碼器等設(shè)備，通過以太網(wǎng)接口來對IP化數(shù)據(jù)流進(jìn)行輸出。

2.3 IP流調(diào)度矩陣

IP流調(diào)度矩陣，能夠通過矩陣式管理模式，對輸入的IP信號實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)平臺之間的輸出和切換，利用其編解碼技術(shù)優(yōu)勢，有效保障了各幀之間的平滑無縫切換，避免了視音頻播放時馬賽克、黑場等異?，F(xiàn)象的發(fā)生，使4K超高清音視頻的播放始終處于良好狀態(tài)。IP流調(diào)度矩陣切換原理主要是利用Buffer緩存技術(shù)，在切點(diǎn)附近局部編解碼，避免了中間某幀編解碼而引起的馬賽克、黑場、靜幀、停滯等現(xiàn)象，從而給用戶以良好的觀看、收聽體驗。

需要注意的是，IP流調(diào)度矩陣的安全性尤為重要，需要通過主備并行工作、斷電直通等各種保障措施來確保其安全運(yùn)行。如圖1所示為斷電直通安全措施，即通過預(yù)先配置的方式，將斷電直通時輸出對應(yīng)的缺省輸入流地址和端口號相互對應(yīng)，當(dāng)由交換機(jī)1所輸入的原節(jié)目流經(jīng)至流矩陣網(wǎng)口1后，通過IP流調(diào)度矩陣的切換，將原節(jié)目流由網(wǎng)口2輸出至交換機(jī)2。

圖1

3 同步及PTP網(wǎng)絡(luò)校時系統(tǒng)

SDI視音頻傳輸架構(gòu)下，必須保證時鐘信號的同步性，而在IP化架構(gòu)模式下，時鐘信號的同步技術(shù)仍然占有關(guān)鍵地位。PTP時鐘同步技術(shù)的使用，其授時精度更高，能夠有效解決IP化系統(tǒng)中各設(shè)備之間的時間同步問題，使頻率、時間等的同步精度更加精確。在PTP網(wǎng)絡(luò)校時系統(tǒng)中，只有主從時鐘同步，才能保證4K超高清的播放效果。具體實現(xiàn)流程為：主時鐘按周期發(fā)出 PTP 時間同步協(xié)議及時間戳信息，從時鐘對接收時間差進(jìn)行計算，并在時間差中及時調(diào)整本地時間，使主從時鐘始終保持相同的相位和頻率。

4 IP信號的靜態(tài)切換

目前的IP信號在4K超高清播控系統(tǒng)中的凈靜切換方案主要依靠IP矩陣分組切換模式來完成，其切換控制命令通過PTP協(xié)議傳輸來完成，無法確保各臺設(shè)備之間的切換操作能夠完成同步完成。再加上IP化視頻流的轉(zhuǎn)換主要以數(shù)據(jù)包為單位的形式來完成，無法準(zhǔn)確判斷視頻幀的具體位置，從而出現(xiàn)視頻畫面不穩(wěn)定、雪花或音頻異常等現(xiàn)象，降低了IP信號靜態(tài)切換效率，直接影響著用戶的觀感體驗，無法滿足用戶的需求?，F(xiàn)階段，在IP信號的靜態(tài)切換過程中，主要采用多路凈靜切換方法，使用緩沖方式，來實現(xiàn)4K超高清的多路切換。在未來發(fā)展過程中，IP信號靜態(tài)切換技術(shù)仍需不斷完善，向著更加先進(jìn)、更加智能化的方向發(fā)展。

5 以IP流為技術(shù)支點(diǎn)，搭建高清播控程序的應(yīng)用思路

5.1 播控流程

為保證高清頻道播出程序運(yùn)行的平穩(wěn)性，整體業(yè)務(wù)流程，應(yīng)有效控制原有流程的精簡性，以總控任務(wù)為中心，輔以融合人工調(diào)度策略。播控時，以節(jié)目編輯、節(jié)目準(zhǔn)備、節(jié)目播出三個環(huán)節(jié)，進(jìn)行播控處理。

5.1.1 總控調(diào)度模塊的應(yīng)用

在總控調(diào)度模塊中，播控人員手動編輯播出的節(jié)目任務(wù)，編輯完成時，提交播控申請。由總控調(diào)度中心，接收手動提交的播控節(jié)目。（2）由外部系統(tǒng)，傳送播控節(jié)目?？偪卣{(diào)度中心，接收外部系統(tǒng)的節(jié)目播出申請。（3）節(jié)目播出的管理方案，傳輸給總控調(diào)度中心。

5.1.2 文件傳送模塊的應(yīng)用

文件傳送模塊，是保障文件備播資源充足性的關(guān)鍵程序。（1）由文件制作中心，向文件備播模塊傳送控播節(jié)目。（2）將媒體備用節(jié)目資源，傳送至文件備播模塊。

5.1.3 信號處理模塊的應(yīng)用

（1）節(jié)目編排結(jié)果，傳送給播出控制程序，保證節(jié)目播控的有序性，防止串播、漏播等問題。（2）文件質(zhì)量檢測時，引入素材管理模塊，排查播出文件的質(zhì)量問題，保證播控程序的質(zhì)量檢測效果。（3）由文件傳送、介質(zhì)導(dǎo)入兩個模塊，共同向文件備播程序傳送待播資源。在文件備播準(zhǔn)備完成時，向文件質(zhì)控發(fā)起素材管理申請。在素材問題排查完成時，進(jìn)入播出控制流程。在節(jié)目順序編排無誤時，進(jìn)入節(jié)目播出程序。在播出信號時，由信號切控程序接收。此信號控制模塊，同時接收總控調(diào)度傳輸?shù)男盘?，確保各項待播節(jié)目排序的準(zhǔn)確性，保證節(jié)目播出質(zhì)量。

5.2 系統(tǒng)安全

在總控程序運(yùn)行時，應(yīng)保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。結(jié)合播控程序的運(yùn)行特點(diǎn)，采取多種措施，構(gòu)建防護(hù)體系。依據(jù)信息安全的各項保障工作，分別從計算環(huán)境、播控區(qū)域、安全用網(wǎng)等視角，構(gòu)建播控安全體系，保障播控質(zhì)量。比如，在安全用網(wǎng)中，引入防火墻技術(shù)，阻止異常網(wǎng)址訪問，確保系統(tǒng)安全。

5.3 混合鏈路播控技術(shù)的應(yīng)用

總控系統(tǒng)建設(shè)時，文件標(biāo)準(zhǔn)為ST2110，IP鏈路的搭建規(guī)范為ST2022-7。在系統(tǒng)搭建完成時，系統(tǒng)間協(xié)議的融合性、運(yùn)行能力、系統(tǒng)平穩(wěn)性等，均潛在一定風(fēng)險。為保障總控程序運(yùn)行秩序，采取主備信號鏈路的建設(shè)方式，合理增設(shè)了二備信號，以“IP+基帶”聯(lián)合形式，保證鏈路運(yùn)行穩(wěn)定。在系統(tǒng)運(yùn)行時，鏈路數(shù)量共有四個。在IP切臺時，具備的播控功能有：服務(wù)器傳出信息、總控外部系統(tǒng)的信息交互，播控字幕的設(shè)計。各類播出節(jié)目，均以轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行信號處理，在IP交換機(jī)的信息加工程序中，形成信號文件的綜合調(diào)度。

5.4 專用IP切臺應(yīng)用

IP播控程序，多使用視頻服務(wù)程序，以“all in one”模塊為主要應(yīng)用。在視頻服務(wù)程序中，進(jìn)行信號處理、字幕增加，確保節(jié)目播出的有序性。此種節(jié)目播控方式，相比原有IP設(shè)備后置設(shè)計，表現(xiàn)出一定差異性，相應(yīng)增加了程序運(yùn)行的學(xué)習(xí)成本。為此，采取“IP切臺的?？爻绦颉毙问?，以此降低程序改變帶來的操作難度，增加總控人員的操作便利性。在專用程序中，增設(shè)了IP超清模式的切換程序，以此保障IP切臺的應(yīng)急響應(yīng)質(zhì)量。

5.5 優(yōu)化鏈路結(jié)構(gòu)

在“IP+基帶”的聯(lián)合程序中，服務(wù)器傳輸?shù)男盘柋憩F(xiàn)出單一性。在實踐運(yùn)行中，IP傳輸信號時，需要在總控程序中部署較大數(shù)量的IPG信號，以此保障信號轉(zhuǎn)換有效性。在IPG信號部署時，會增加系統(tǒng)運(yùn)行的所需成本，相應(yīng)形成一定播出鏈路運(yùn)行問題。在“IP+基帶”聯(lián)合程序時，同步輸出IP、基帶兩種類型的信號。因此，在總控程序運(yùn)行時，應(yīng)加強(qiáng)成本控制，優(yōu)化鏈路結(jié)構(gòu)，減少IPG信號的部署數(shù)量，切實維護(hù)總控程序的運(yùn)行安全性。在優(yōu)化鏈路結(jié)構(gòu)時，可融合信號監(jiān)控、代播程序、慢錄模塊、異常警報等，以此及時排查鏈路問題，形成各模塊單獨(dú)運(yùn)行方式，有效控制IPG信號的部署量。在實踐運(yùn)行總控程序時，從2020年6月開始試播，運(yùn)行12個月時，未見系統(tǒng)故障，整體播控程序運(yùn)行平穩(wěn)。由此說明：IP技術(shù)，可成為高清播控程序的主流科技，表現(xiàn)出技術(shù)前瞻性、系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性優(yōu)勢。

6 結(jié)論

伴隨我國經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，4K技術(shù)在電視廣播中逐漸應(yīng)用，現(xiàn)階段基于IP流的4K廣播控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用。當(dāng)前高度發(fā)展的情況下，人們越來越追求高層次感受。高層次服務(wù)。當(dāng)前階段，基于IP的4K電視廣播系統(tǒng)的應(yīng)用，從技術(shù)上來看，障礙較小，但其基于相關(guān)技術(shù)的IP標(biāo)準(zhǔn)尚處于組合開發(fā)階段?；诎踩钥紤]，尚需進(jìn)一步開發(fā)及應(yīng)用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。