廣播電視臺(tái)4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

畢志剛

（大連新聞傳媒集團(tuán)，遼寧 大連 116000）

0 引 言

2019年，我國工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局等多部門聯(lián)合發(fā)布超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案，明確制定“4K先行，兼顧8K”的技術(shù)發(fā)展路線，要求各地區(qū)加大超高清播出系統(tǒng)的建設(shè)力度。4K超高清視頻技術(shù)的推廣和應(yīng)用，為廣播電視行業(yè)的制作、采編、播出的進(jìn)一步發(fā)展提供了巨大的機(jī)遇和良好的前景。隨著技術(shù)水平的不斷提高以及相關(guān)支持政策的落實(shí)，各地區(qū)4K電視產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)高速、蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，4K超高清電視深受人們青睞。在這一背景下，廣播電視臺(tái)應(yīng)認(rèn)識(shí)到4K技術(shù)的重要性，明確發(fā)展目標(biāo)，不斷優(yōu)化系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)，積極引進(jìn)先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，加大系統(tǒng)建設(shè)力度，為觀眾帶來全新收看體驗(yàn)，提高整體播出效果。

1 4K超高清音視頻的技術(shù)要求

1.1 更高的清晰度與幀頻

目前，4K超高清音視頻對(duì)分辨率的要求為3 840×2 160，約為傳統(tǒng)高清視頻的4倍。同時(shí)，4K技術(shù)對(duì)幀頻也提出了更高的要求，需要＞50幀的逐行掃描，最高幀頻處于100～120這一區(qū)間內(nèi)。由于幀頻的顯著提升，4K技術(shù)所呈現(xiàn)的畫面更為真實(shí)、細(xì)膩，同時(shí)對(duì)用戶帶寬、存儲(chǔ)的要求也明顯提升。

1.2 寬色域

對(duì)色域范圍進(jìn)行分析，通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)清晰度（Standard Definition，SD）與高清晰度（High Definition，HD）并無明顯差異，兩者均在Rec.709標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。而4K超高清音視頻對(duì)寬色域提出了更高的要求，其色域范圍遵從Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)。與高清電視存在明顯差異，4K技術(shù)的應(yīng)用使電視的色域更為寬廣，且顏色類型十分豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)真實(shí)圖像的有效還原，畫面的現(xiàn)實(shí)感、真實(shí)感明顯增強(qiáng)。

1.3 高動(dòng)態(tài)范圍

高清電視的動(dòng)態(tài)范圍也具備明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主要以標(biāo)準(zhǔn)尺寸比（SDR）為主要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比度為1 000∶1，最高亮度為100 nit。而4K超高清電視對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求明顯提高，以高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）為主要標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)在于對(duì)瞳孔保持本來狀態(tài)時(shí)，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍具備的特性進(jìn)行再現(xiàn)[1]。相較于標(biāo)準(zhǔn)尺寸比，高動(dòng)態(tài)范圍的電視峰值亮度明顯提高，可以對(duì)多數(shù)高亮度范圍區(qū)域的色彩層次、灰度進(jìn)行有效再現(xiàn)。

1.4 三維音頻

4K超高清播出系統(tǒng)對(duì)節(jié)目音頻聲也提出了更高的要求，需要其支持立體聲或者5.1的環(huán)繞聲，條件允許的情況下應(yīng)支持三維聲，能夠?yàn)橛^眾帶來更強(qiáng)的聲音沉浸感，使觀眾具有身臨其境的感覺。三維音頻制作播出格式應(yīng)采用合理的揚(yáng)聲器聲道布局，確保其聲道信號(hào)豐富[2]。

2 4K超高清視頻播出系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 規(guī)劃建設(shè)思路

為了進(jìn)一步提高電視臺(tái)節(jié)目的畫面播出質(zhì)量，電視臺(tái)應(yīng)嚴(yán)格按照國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范，進(jìn)一步推動(dòng)4K超高清采集制作、總控播出及互動(dòng)分發(fā)等系統(tǒng)的建設(shè)，提高有線電視、交互式網(wǎng)絡(luò)電視以及互聯(lián)網(wǎng)電視中超高清播出系統(tǒng)的應(yīng)用頻率，積極引進(jìn)先進(jìn)設(shè)施設(shè)備，如超強(qiáng)攝像機(jī)、導(dǎo)播臺(tái)、手持穩(wěn)定器等，構(gòu)建一套可靠、完善、支持4K HDR全流程節(jié)目制作及直播的演播室。其中，確保HDR的碼率、編碼量化值等參數(shù)滿足運(yùn)行要求，能夠消除編碼塊效應(yīng)，充分體現(xiàn)視頻圖像的高分辨率、高幀率及寬色域等優(yōu)勢(shì)[3]。

2.2 綜合框架

具體設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)遵循簡(jiǎn)潔、可靠、高效的設(shè)計(jì)原則，在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。4K超高清播出系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，根據(jù)功能對(duì)其劃分，具體包括總控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等，滿足上載、傳輸、播出及監(jiān)控等要求，為節(jié)目播出的穩(wěn)定性、安全性及便捷性提供保障。各系統(tǒng)的功能概述如下。

（1）播控系統(tǒng)。播控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，具備電視臺(tái)內(nèi)外信號(hào)交換、調(diào)度及監(jiān)控等功能，同時(shí)能夠與其他子系統(tǒng)的相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。

（2）總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)是電視節(jié)目、頻道信號(hào)傳輸?shù)闹匾~帶，能夠向播控系統(tǒng)傳輸滿足要求的音視頻指令，提供多種信號(hào)類型，如時(shí)鐘信號(hào)、同步信號(hào)等，為超高清視頻的順利播出夯實(shí)基礎(chǔ)。

（3）整備系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備遷移、上載、緩存等諸多功能，能夠?yàn)榕_(tái)內(nèi)各業(yè)務(wù)模塊提供素材交互與處理功能，且支持倒計(jì)時(shí)、臺(tái)標(biāo)、動(dòng)畫等處理功能；能夠?qū)λ夭倪M(jìn)行處理和命名，之后生成相應(yīng)的節(jié)目清單，并將其傳輸至主備、二備播出視頻平臺(tái)，由此實(shí)現(xiàn)全部備播過程。

（4）編單系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于各子系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)位置，具有承上啟下的橋梁、樞紐作用。采用該系統(tǒng)，能夠?qū)?jié)目單、廣告等信息進(jìn)行編排、核對(duì)、傳輸，支持50幀精度。信息傳輸時(shí)，以清單的形式將相關(guān)信息傳輸至播控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)合最終獲取的節(jié)目單，實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)的自動(dòng)化切換。

（5）傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)與編單系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效交互，其作用為與外界聯(lián)系。播控系統(tǒng)對(duì)其傳輸信號(hào)，傳輸系統(tǒng)再將其輸送至下游單元。

（6）監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行、信號(hào)交換變化、播出狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、全方位監(jiān)控，通過音視頻監(jiān)控圖的形式，顯示不同信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)的4K畫面圖像；針對(duì)各類信號(hào)設(shè)定相應(yīng)的閾值，如果超出閾值，發(fā)生異常，監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警和提示指令，并將報(bào)警數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫。

（7）輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用為日志交互，能夠提供日志及故障信息，可作為分析系統(tǒng)運(yùn)行情況的參考依據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常問題及時(shí)將故障報(bào)告給監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 音視頻鏈路

對(duì)音視頻架構(gòu)而言，4K超高清播出系統(tǒng)以4路3G-SDI基帶系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)。播控系統(tǒng)結(jié)合播出串聯(lián)單實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻服務(wù)器及末端倒換器的有效控制，自動(dòng)啟動(dòng)硬盤播出、線路直播、圖文混合疊加及應(yīng)急切換等功能[4]。

all in one結(jié)構(gòu)是核心服務(wù)器的主要基礎(chǔ)，可以結(jié)合節(jié)目單的要求進(jìn)行自動(dòng)播出，根據(jù)具體安排進(jìn)行一系列操作，如插入廣告、字幕以及臺(tái)標(biāo)等，有效處理音頻信號(hào)，對(duì)音視頻的鏈路結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化。SDI架構(gòu)是播出系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，根據(jù)標(biāo)清黑場(chǎng)同步，與高標(biāo)清的播出標(biāo)準(zhǔn)相同。系統(tǒng)中涵蓋多類視頻服務(wù)器，支持同構(gòu)主備及異構(gòu)二備的播出。前者可采用視頻服務(wù)器實(shí)施集群建立，后者則采用單機(jī)視頻服務(wù)器建立，不同通道中均能夠有效疊加圖文信息，實(shí)現(xiàn)硬盤播出、線路直播等功能。系統(tǒng)還能夠?qū)|片播放器進(jìn)行合理配置，保證具備臺(tái)標(biāo)的緊急墊播信號(hào)可以24小時(shí)處于穩(wěn)定播出狀態(tài)，為應(yīng)急播出提供信號(hào)層面的支持。主備倒換器設(shè)置于鏈路末端，SDI信號(hào)對(duì)其具有良好的適用性，可以便捷完成換幀級(jí)別的轉(zhuǎn)換。

在常規(guī)播出條件下，播出控制設(shè)備對(duì)倒換器等設(shè)備進(jìn)行有效控制，根據(jù)串聯(lián)單完成自動(dòng)播出。當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)中斷情況，發(fā)生故障問題，主備路信號(hào)檢測(cè)后及時(shí)倒換。處于應(yīng)急播出狀態(tài)時(shí)，工作人員對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行倒換十分方便，可以一鍵完成相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻服務(wù)器及倒換臺(tái)輸出信號(hào)的有效監(jiān)控。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)音視頻信號(hào)的有效分析，并檢測(cè)主備路呈現(xiàn)是否相同，針對(duì)異常狀況實(shí)時(shí)報(bào)警。

3 廣播電視臺(tái)4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)碼控制技術(shù)

廣播電視臺(tái)4K超高清播出系統(tǒng)嚴(yán)格按照目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，視頻圖像分辨率為3 840×2 160，幀頻＞50，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行逐幀掃描，滿足4K超高清視頻系統(tǒng)的設(shè)備及圖像質(zhì)量要求[5]。由于過往采用的25p播控技術(shù)已無法滿足目前的要求，對(duì)控制邏輯進(jìn)行適配改造十分必要，要在保證文件碼率格式合理的基礎(chǔ)上，保證播控軟件能夠全面識(shí)別節(jié)目單中的50p文件信息。該項(xiàng)技術(shù)的定位更為準(zhǔn)確，生成指令更為可靠，通過VDCP協(xié)議便能夠有效傳輸至服務(wù)器端口。服務(wù)器完成軟件信號(hào)的接收工作后，對(duì)軟件信號(hào)中的幀位進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后以標(biāo)準(zhǔn)化的文件格式呈現(xiàn)，之后結(jié)合節(jié)目時(shí)碼軌道的碼數(shù)以及軟件傳輸?shù)闹噶钸M(jìn)行幀精度定位，效果確切。

3.2 4K凈切換技術(shù)

4K超高清播出系統(tǒng)采用4路4K信號(hào)，所采用的設(shè)備具備4線3G-SDI基帶信號(hào)。4K信號(hào)的傳輸以Qua-link形式為主，因此能夠有效解決信號(hào)凈切換相關(guān)問題。具體配置階段，鏈路的末端采用4臺(tái)雙路二選一倒換器，能夠?qū)崿F(xiàn)4路4K信號(hào)的有效輸出，且具備多個(gè)3G-SDI輸入端口和輸出端口，由4臺(tái)3G四選一切換設(shè)備構(gòu)成。設(shè)備具備幀同步功能，支持凈切換，控制系統(tǒng)采用GPI技術(shù)能夠完成4路信號(hào)幀精度的凈切換。對(duì)GPI切換信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中，視頻能夠自動(dòng)、高效切換，具備較強(qiáng)的鏈路處理能力和先進(jìn)的算法。音視頻的調(diào)度切換能夠確保畫面無損、隨時(shí)切換且標(biāo)準(zhǔn)兼容。全部切換信號(hào)均能夠滿足幀精度同步的要求，彌補(bǔ)傳統(tǒng)模式下交換矩陣難以進(jìn)行凈切換的不足。通過對(duì)凈切換技術(shù)的合理運(yùn)用，能夠有效避免系統(tǒng)在頻道切換過程中發(fā)生黑屏、卡頓等問題。工作人員在倒換器中采用幀同步技術(shù)，通過GPI進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)切換指令的控制，實(shí)現(xiàn)全部信號(hào)的凈切換，確保音視頻的流暢性與高幀率。

另外，對(duì)播出系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，GPI與切換面板的連接方式為并聯(lián)，但是GPI所在設(shè)備如果出現(xiàn)短路等故障問題，必然會(huì)對(duì)切換面板和設(shè)備GPI的關(guān)系造成影響，導(dǎo)致其準(zhǔn)確判斷電位水平困難，對(duì)凈切換效果造成不利影響。為了改善這一現(xiàn)狀，工作人員可以將信號(hào)限流裝置用于系統(tǒng)中，將其設(shè)置在面板和設(shè)備間，保證發(fā)生電路故障時(shí)不會(huì)對(duì)GPI造成影響，為4K超高清播出系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

3.3 畫面一致性比對(duì)技術(shù)

過往，廣播電視臺(tái)播出系統(tǒng)中，視頻及音頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用內(nèi)核編程接口（Kernel Programming Interface，KPI）對(duì)畫面存在的故障問題進(jìn)行分析。通常情況下，與時(shí)間閾值相比，KPI的報(bào)警時(shí)間延長，因此時(shí)效性較差。對(duì)此，工作人員在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，需要借助畫面一致性比對(duì)技術(shù)對(duì)KPI報(bào)警的不足進(jìn)行分析，采取有效的措施進(jìn)行解決，對(duì)各路不同的4K信號(hào)進(jìn)行高效、實(shí)時(shí)、全方位的收集，結(jié)合現(xiàn)有的真值邏輯強(qiáng)化對(duì)信號(hào)的監(jiān)控，并形成可靠的判斷依據(jù)，保證4K信號(hào)和服務(wù)器與畫面相應(yīng)的輸入要求相符[6]。為了進(jìn)一步保證連接信號(hào)的一致性，需要借助對(duì)比儀進(jìn)行分析，同時(shí)連入多個(gè)輸入端口，對(duì)各路數(shù)字分量串行接口信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，保證信號(hào)傳輸邏輯合理、完整。對(duì)比的過程中，對(duì)于兩路信號(hào)相同位置的1/4畫面，設(shè)備可以進(jìn)行兩兩對(duì)比。當(dāng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)差異顯著，及時(shí)進(jìn)行判斷，也就是說兩路不同的4K信號(hào)有所不同。針對(duì)3路不同信號(hào)，同樣進(jìn)行兩兩對(duì)比。基于對(duì)各路4K信號(hào)實(shí)際參數(shù)的全面分析，為解決相關(guān)問題提供參考依據(jù)。

使用一致性比對(duì)技術(shù)時(shí)，還需要加強(qiáng)對(duì)其運(yùn)行邏輯的分析。比如，畫面存在單路信號(hào)，而信號(hào)不一致，不存在報(bào)警情況，而輸出信號(hào)和某路備選畫面一致，則需要進(jìn)行不切換操作；而畫面為單路信號(hào)，內(nèi)容不同，輸出信號(hào)與其他各路畫面不同，無報(bào)警情況，應(yīng)進(jìn)行不切換操作；當(dāng)畫面為三路不同，且輸出信號(hào)無報(bào)警情況，需要操作為不切換；當(dāng)畫面三路不同，輸出信號(hào)存在報(bào)警情況，應(yīng)結(jié)合規(guī)定的優(yōu)先級(jí)切換至另一路畫面。

4 結(jié) 語

4K超高清播出系統(tǒng)對(duì)清晰度、幀頻、三維音頻等方面提出了更高的要求，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)繁多，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。廣播電視臺(tái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各類關(guān)鍵技術(shù)如時(shí)碼控制技術(shù)、4K凈切換技術(shù)以及畫面一致性比對(duì)技術(shù)等的利用，為系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用提供技術(shù)保障，為廣大觀眾提供全新的觀看體驗(yàn)。