5G 4K/8K超高清直播方案探究

李 俊

（馬鞍山廣播電視臺(tái)，安徽 馬鞍山 243000）

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)媒體信息傳播的訴求已經(jīng)由原來(lái)簡(jiǎn)單的信息傳播轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤己玫捏w驗(yàn)感獲取有關(guān)的信息內(nèi)容。在這種以體驗(yàn)感為重要關(guān)注點(diǎn)的信息傳遞環(huán)境下，是否能為用戶提供高清的內(nèi)容，直接影響到用戶對(duì)媒體的體驗(yàn)感評(píng)價(jià)，進(jìn)而影響到媒體的影響力。正因如此，近年來(lái)，越來(lái)越多的媒體開(kāi)始關(guān)注超高清直播模式，而這進(jìn)一步促使國(guó)家層面的4K/8K超高清直播產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，中國(guó)超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2020年發(fā)布國(guó)內(nèi)首個(gè)《5G+8K超高清國(guó)產(chǎn)化白皮書(shū)》，系統(tǒng)地梳理了5G+8K超高清端到端產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)產(chǎn)化狀況，為產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)制造創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)協(xié)同提供了方向參考；IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的《5G應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展白皮書(shū)》則明確提出了基于5G網(wǎng)絡(luò)的4K采集、5G傳輸、VR制作分發(fā)等媒體應(yīng)用的生產(chǎn)流程和技術(shù)要求。對(duì)于視聽(tīng)類媒體而言，應(yīng)當(dāng)更多關(guān)注的是如何將5G技術(shù)更好地融入到現(xiàn)有的直播業(yè)務(wù)中，通過(guò)技術(shù)賦能4K/8K超高清直播方案的實(shí)現(xiàn)，而這需要進(jìn)行相關(guān)的研究與探索。

1 5G 4K/8K超高清直播的可行性分析

5G 4K/8K超高清直播之所以成為目前國(guó)家和行業(yè)重點(diǎn)推動(dòng)實(shí)施的技術(shù)目標(biāo)，主要是因?yàn)樵撝辈?biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的技術(shù)條件已然具備，即5G技術(shù)為4K/8K超高清直播內(nèi)容的制作與傳播提供了相應(yīng)的技術(shù)支持[1]。結(jié)合實(shí)際來(lái)看，5G 4K/8K超高清直播的可行性主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 5G技術(shù)滿足超高清直播的技術(shù)要求

5G技術(shù)指的是第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。5G技術(shù)與4G技術(shù)的性能對(duì)比如表1所示。通過(guò)表1可以看出，與4G技術(shù)相比，5G技術(shù)具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲的優(yōu)勢(shì)。并且，5G技術(shù)的連接數(shù)量最高可達(dá)每平方公里100萬(wàn)個(gè)。表2是結(jié)合《中央廣播電視總臺(tái)4K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)規(guī)范》《中央廣播電視總臺(tái)8K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)要求（暫行）》的相關(guān)內(nèi)容梳理的4K/8K超高清音視頻制作的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于表2列舉的4K/8K超高清音視頻參數(shù)要求，5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能完全能夠達(dá)到，這也使得5G能夠成為4K/8K超高清直播的重要實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段[2]。同時(shí)，近年來(lái)我國(guó)各運(yùn)營(yíng)商普遍加強(qiáng)5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，5G基站的覆蓋面持續(xù)擴(kuò)大，這也使得大量的網(wǎng)絡(luò)用戶可以借助5G技術(shù)進(jìn)行4K/8K超高清直播嘗試。

表1 4G技術(shù)與5G技術(shù)的性能對(duì)比

表2 4K/8K超高清音視頻制作基本參數(shù)

1.2 用戶對(duì)4K/8K超高清直播的需求持續(xù)增加

直播是近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)媒體興起的重要業(yè)態(tài)。與傳統(tǒng)以廣電媒體為主導(dǎo)的節(jié)目直播不同，當(dāng)前的直播已經(jīng)突破了單獨(dú)的媒體及其節(jié)目范圍，延伸到了普通的網(wǎng)絡(luò)用戶群體中。尤其是諸如直播帶貨等新的以直播為媒介進(jìn)行的產(chǎn)品營(yíng)銷行為的拓展，促使超高清直播逐漸成為網(wǎng)絡(luò)用戶普遍需要的網(wǎng)絡(luò)功能。在這樣的背景下，開(kāi)發(fā)基于5G技術(shù)的4K/8K超高清直播，就成為媒體尤其是網(wǎng)絡(luò)媒體領(lǐng)域重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)和功能。在這種龐大需求的驅(qū)動(dòng)下，開(kāi)展 5G 4K/8K超高清直播，擁有市場(chǎng)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)空間[3]。

2 5G 4K/8K超高清直播的構(gòu)建策略

總體來(lái)說(shuō)，5G 4K/8K超高清直播主要由采編系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、播出系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等構(gòu)成，不同系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)不同的超高清直播業(yè)務(wù)內(nèi)容和功能，這些系統(tǒng)共同協(xié)作，才能夠真正實(shí)現(xiàn)超高清制播的實(shí)際功能[4]。下面分別對(duì)這幾個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建方式進(jìn)行分析。

2.1 超高清采編系統(tǒng)的構(gòu)建

超高清采編系統(tǒng)是在原有采編系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)升級(jí)和功能改造，其重點(diǎn)是將5G技術(shù)部署到直播信息的采編端口，借助4K/8K超高清攝像機(jī)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)超高清音視頻信息的采集[5]。除了采集直播信息以外，5G 4K/8K超高清直播中的超高清采編系統(tǒng)還具有高質(zhì)量的音視頻編碼功能，這樣可以確保通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹辈バ畔⒌钠焚|(zhì)不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的不確定性而發(fā)生變化。

在高質(zhì)量音視頻編碼方面，5G 4K/8K超高清直播主要遵循圖1所示的模式。

圖1 5G 4K/8K超高清直播中的音視頻編碼模式

在實(shí)際的超高清音視頻編碼過(guò)程中，為確保編碼后的音視頻信息在經(jīng)過(guò)超高清傳輸后能夠保證超高清的品質(zhì)，技術(shù)方案會(huì)重點(diǎn)對(duì)編碼協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，賦予編碼以下幾方面的能力：第一，具備提供4K/8K節(jié)目編碼處理的能力；第二，提供對(duì)25/30/50/60幀視頻的處理能力；第三，能夠提供對(duì)HDR內(nèi)容的處理功能，并且支持諸如HLG、HDR等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)；第四，能夠通過(guò)升級(jí)的方式支持對(duì)100/120幀內(nèi)容的處理；第五，提供包括H.264、H.265、Dolby AC3、Dolby AC4音頻編碼能力。具備以上幾種特性的超高清編碼技術(shù)能夠滿足超高清采編在音視頻信息編碼方面的質(zhì)量和數(shù)量要求。

2.2 超高清傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建

5G 4K/8K超高清直播對(duì)信息傳輸?shù)囊蟊容^高，這既體現(xiàn)在傳輸?shù)馁|(zhì)量方面，也體現(xiàn)在傳輸安全性、可靠性要求方面。而5G技術(shù)的應(yīng)用，賦予了超高清傳輸更大的上行帶寬，使系統(tǒng)能夠更好地滿足用戶在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的4K/8K超高清直播需求?？紤]到當(dāng)前5G基站部署和5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面的情況，在網(wǎng)絡(luò)帶寬缺乏足夠保證的情況下，仍然需要將數(shù)據(jù)的碼率壓縮到50 Mb·s-1左右，盡量避免傳輸過(guò)程中出現(xiàn)帶寬溢的情況，保證音視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量[6]。同時(shí)，考慮到傳輸協(xié)議不同對(duì)音視頻傳輸質(zhì)量的影響，在實(shí)際的傳輸協(xié)議選擇時(shí)，要從可靠性的角度進(jìn)行考慮。5G環(huán)境下不同傳輸協(xié)議的相關(guān)屬性如表3所示，可以看出，在5G技術(shù)環(huán)境下，SRT協(xié)議具有更高的可靠性和更低的時(shí)延，且安全性方面也比較好，是相對(duì)比較好的傳輸協(xié)議選擇方案。并且在音視頻安全性保障方面，SRT協(xié)議可以為AES-128/256加密標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支持，使超高清信息的傳輸具有更強(qiáng)的安全技術(shù)保障。

表3 5G環(huán)境下不同傳輸協(xié)議的相關(guān)屬性

2.3 超高清播出系統(tǒng)的構(gòu)建

超高清播出系統(tǒng)在功能上主要包括音視頻內(nèi)容的收錄、編轉(zhuǎn)碼以及超高清音視頻內(nèi)容的播出。換而言之，超高清播出系統(tǒng)主要解決的是如何將接收到的經(jīng)過(guò)加密處理的超高清音視頻信息轉(zhuǎn)化為可視聽(tīng)的超高清音視頻內(nèi)容。該系統(tǒng)通常包括5G內(nèi)容接收、5G內(nèi)容加工分發(fā)、5G內(nèi)容編排等功能模塊。其中，5G內(nèi)容接收是借助相應(yīng)的內(nèi)容收錄系統(tǒng)，對(duì)通過(guò)5G技術(shù)傳輸?shù)囊粢曨l編碼信息接收、存儲(chǔ)于自動(dòng)的工作流引擎之中，并通過(guò)該引擎對(duì)音視頻信息進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，形成統(tǒng)一的高保真視頻格式，進(jìn)行音視頻的存儲(chǔ)；5G內(nèi)容加工分發(fā)主要是通過(guò)5G頻道播出工程等具有音視頻內(nèi)容播出前加工處理功能的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)音視頻內(nèi)容進(jìn)行編排，并根據(jù)內(nèi)容將其分發(fā)到不同的超高清4K/8K播放頻道；5G內(nèi)容編排是根據(jù)用戶不同的超高清直播內(nèi)容參數(shù)設(shè)置，對(duì)音視頻信息進(jìn)行頻道內(nèi)部的編排，使原本分散、孤立的頻道內(nèi)容形成具有一定順序的節(jié)目清單，并通過(guò)最終的播出頻道進(jìn)行超高清直播內(nèi)容的播出[7]。

2.4 超高清監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

考慮到目前5G技術(shù)在性能、覆蓋面等方面仍然存在一定的不足，難以保證4K/8K超高清直播全程的穩(wěn)定性和安全性，因此，在超高清直播方案實(shí)施中，還需要構(gòu)建面向超高清直播過(guò)程的超高清監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)5G 4K/8K超高清直播內(nèi)容的進(jìn)度和狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，確保及時(shí)響應(yīng)和解決直播中出現(xiàn)的問(wèn)題。在內(nèi)容監(jiān)測(cè)方面，超高清監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)直播畫(huà)面的質(zhì)量和音視頻流的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，在直播畫(huà)面質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面，主要通過(guò)云端或者終端的直播頻道進(jìn)行解碼和預(yù)處理，并對(duì)最終輸出的單路矩陣組合畫(huà)面進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如黑屏、靜幀、靜音、馬賽克等畫(huà)面質(zhì)量問(wèn)題并加以解決；在音視頻流的質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測(cè)方面，主要通過(guò)一系列量化的指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)超高清直播過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行分析，并通過(guò)模型預(yù)測(cè)潛在的可能發(fā)生的直播質(zhì)量問(wèn)題，確保超高清直播的質(zhì)量和效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)發(fā)基于5G技術(shù)的4K/8K超高清直播，是5G技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中媒體行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向，而這主要取決于5G技術(shù)本身具有的通信性能以及市場(chǎng)上對(duì)超高清直播的普遍需求。考慮到當(dāng)前5G技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際情況，為確保超高清直播方案的順利實(shí)施，相關(guān)主體要從超高清內(nèi)容采編、超高清內(nèi)容傳輸、超高清內(nèi)容播出以及超高清內(nèi)容播出監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行細(xì)節(jié)化的分析和技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑探討，以確保5G 4K/8K超高清直播目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。