基于IP流播出的4K超高清電視播控探討

唐智廣

（安徽廣播電視臺(tái)，安徽 合肥 230000）

0 引 言

4K超高清電視相比以往的2K電視不僅分辨率更高，而且在高帶寬及先進(jìn)的播控技術(shù)的加持下能夠進(jìn)一步提高節(jié)目播出的流暢度，帶給觀眾更好的視聽(tīng)體驗(yàn)。在4K應(yīng)用中，由于SDI基帶信號(hào)在電視播放方面存在不足，所以加快推進(jìn)IP流播放成為現(xiàn)實(shí)所需。這需要充分考慮其應(yīng)用需求，同時(shí)加強(qiáng)新技術(shù)的應(yīng)用。筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)作以下分析和探討，以供相關(guān)參考。

1 4K超高清電視及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1 基本概念

4K是一種被廣泛應(yīng)用于電視和手機(jī)等行業(yè)的高清顯示技術(shù)。4K電視配置了超高清（Ultra High Definition，UHD）顯示屏即UHDTV，其水平清晰度為3 840像素，垂直清晰度為2 160像素，物理分辨率也達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

一是擁有更高的分辨率。4K分辨率可以細(xì)分為電影4K，標(biāo)準(zhǔn)分辨率為4 096×2 160，是高清分辨率1 920×1 080的4倍。

二是色域更寬，顏色更豐富。4K超高清電視采用ITU-R BT.2020色域，其色彩空間達(dá)到了顯示設(shè)備中最大，覆蓋了CIE1931的75.8%，白點(diǎn)色溫D65（6 500 K）。

三是幀率更高。電視機(jī)的幀率越高，其呈現(xiàn)的畫(huà)面播放流暢度和逼真度就越高。中國(guó)PAL-D/K制式的電視幀率為25 f·s-1，通常兩場(chǎng)為一幀，每秒50場(chǎng)；NTSC（美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)為30 f·s-1，每秒60場(chǎng)[2]。

四是高量化色彩和高保真音頻。相比于以往高清8 bit，4K超高清電視采用單通道10 bit整型數(shù)據(jù)量化，使得輸出的顏色更加豐富飽滿(mǎn)并且色階過(guò)渡的流暢性也更好。4K超高清電視使用5.1或7.1聲道，聲音的還原度非常高，音質(zhì)效果更好。

五是高動(dòng)態(tài)范圍及高帶寬。相比高清電視，4K超高清的亮度空間由標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR）升級(jí)為高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR），亮度從最高100尼特升為1 000～10 000尼特。帶寬從高清的3 Gb升級(jí)為12 Gb，使得信號(hào)傳輸更具時(shí)效性。

2 IP流用于4K超高清電視播放的優(yōu)勢(shì)

2.1 安裝及維護(hù)簡(jiǎn)便

一方面，與高清SDI相比，4K超高清IP化播出系統(tǒng)的彈性更大，它可以直接利用通用IT基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化環(huán)境，搭建私有云播出分發(fā)平臺(tái)，借助這一平臺(tái)管理工具實(shí)現(xiàn)播放工作的彈性部署和集中管理，減少重復(fù)建設(shè)而保證經(jīng)濟(jì)性[3]。另一方面，超高清IP化可以基于軟件定義，通過(guò)嵌入軟件來(lái)替代一些傳統(tǒng)設(shè)備，軟件的配置和調(diào)試也很簡(jiǎn)單。

2.2 服務(wù)器兼容性強(qiáng)

基于軟件編解碼的IP化播出視頻服務(wù)器有著更好的兼容性，它支持多種類(lèi)型的輸入輸出接口，可以滿(mǎn)足多種形式的信號(hào)傳輸需求，如基帶SDI信號(hào)、基帶SDIoverIP流、壓縮域TSoverIP流等，能夠保證這些信號(hào)及時(shí)、有效的高質(zhì)量傳遞。

2.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于既便于集中處理軟件升級(jí)、設(shè)備增補(bǔ)等工作，也可以更加靈活地進(jìn)行帶寬、存儲(chǔ)量及音視頻I/O端口及數(shù)據(jù)格式的調(diào)節(jié)和擴(kuò)展[4]。另外，IP化播出系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制命令，將控制網(wǎng)和視頻傳輸網(wǎng)分別組網(wǎng)，如此IP化播出控制無(wú)需點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線，也能做到有效管理。

3 基于IP流播出的4K超高清電視播控要求及技術(shù)措施

3.1 播控要求

3.1.1 要求SDI基帶信號(hào)的IP化升級(jí)

從上述分析可知，SDI基帶信號(hào)由于自身存在局限，已經(jīng)不能滿(mǎn)足4K超高清信號(hào)的傳輸和播放要求，但可以通過(guò)對(duì)其音頻信號(hào)的IP化升級(jí)來(lái)彌補(bǔ)。

3.1.2 要重視信號(hào)同步及校時(shí)問(wèn)題

信號(hào)不同步是影響電視節(jié)目播出質(zhì)量的重要因素，在以往的基帶信號(hào)中，同步信號(hào)的主要呈現(xiàn)形式為數(shù)字視頻信號(hào)或模擬視頻信號(hào)[5]。然而，在IP化4K播出系統(tǒng)中，同步信號(hào)也是IP形式，因此在這種播放模式下就不得不同時(shí)關(guān)注校時(shí)問(wèn)題。

3.1.3 要提高播出的安全保障

IP流4K超高清播出，需要有一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)保障，才能確保電視節(jié)目的播出質(zhì)量和信息安全。進(jìn)行4K超高清IP化播出平臺(tái)建設(shè)時(shí)，最好優(yōu)先選用技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的常規(guī)化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，同時(shí)還要建立對(duì)應(yīng)的糾錯(cuò)和容錯(cuò)機(jī)制，提高播出系統(tǒng)的容災(zāi)保護(hù)能力，以便有效防控和處理某些突發(fā)性問(wèn)題。

3.2 相關(guān)技術(shù)措施

基于上述要求，為滿(mǎn)足IP化4K超高清播出，需要采用多種技術(shù)措施，主要體現(xiàn)如下。

3.2.1 SDI基帶信號(hào)IP化

根據(jù)IP流的播出流程，進(jìn)入播控系統(tǒng)后的無(wú)壓縮視音頻SDI基帶信號(hào)，也會(huì)被轉(zhuǎn)化為IP數(shù)據(jù)流，即SDI over IP。該轉(zhuǎn)化過(guò)程是一個(gè)綜合性操作過(guò)程，主要涉及實(shí)時(shí)信號(hào)處理、傳輸及網(wǎng)絡(luò)交換等環(huán)節(jié)工作，支持該轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的設(shè)備工具和技術(shù)主要有SDI與IP化的相互轉(zhuǎn)化工具如信號(hào)轉(zhuǎn)化器、IP網(wǎng)關(guān)板卡、IP路由切換調(diào)度等，用以支持SDI基帶信號(hào)與IP化數(shù)據(jù)流之間的靈活轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)在IP矩陣內(nèi)以幀為單位的IP視頻的無(wú)縫切換；當(dāng)需要進(jìn)行終端輸出時(shí)，IP信號(hào)又被重新轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)。

3.2.2 IP系統(tǒng)同步鎖相

在電視系統(tǒng)中，信號(hào)同步是基本要求，因?yàn)槿魏蝺蓚€(gè)以上的信號(hào)只有保持同步才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效轉(zhuǎn)化和混合。以往電視播出系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步，多采用BB黑場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)相位檢測(cè)產(chǎn)生加減信號(hào)，并利用這一加減信號(hào)調(diào)節(jié)同步振蕩器，以此實(shí)現(xiàn)同步，或使用三電平變頻器進(jìn)行調(diào)控。IP流4K超高清播出系統(tǒng)使用的是更加先進(jìn)的PTP精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議。該協(xié)議基于網(wǎng)絡(luò)的主-從模式，主從PTP同步發(fā)送和接收信號(hào)，從而有效解決局域網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備之間的同步定時(shí)問(wèn)題，保證播出過(guò)程中頻率、時(shí)間、視音頻幀等信號(hào)的精準(zhǔn)同步。

3.2.3 IP流調(diào)度矩陣

為充分發(fā)揮IP流調(diào)度矩陣的優(yōu)勢(shì)，必須加強(qiáng)其工作期間的安全保障，包括主備并行工作、從系統(tǒng)集群及斷電直通等?？梢圆捎靡韵聝煞N技術(shù)措施。

其一，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，應(yīng)該提前配置好用于斷電直通時(shí)輸出的對(duì)應(yīng)缺省輸入流地址和端口號(hào)，如圖1所示，最初從交換機(jī)1輸入到流矩陣網(wǎng)口1的源節(jié)目流，在經(jīng)過(guò)流矩陣調(diào)度切換后，又從網(wǎng)口2輸出至交換機(jī)2。

圖1 IP流調(diào)度矩陣調(diào)度圖

其二，斷電直通網(wǎng)卡在矩陣操作系統(tǒng)崩潰、設(shè)備掉電等問(wèn)題出現(xiàn)的同時(shí)會(huì)收到系統(tǒng)指令，同步開(kāi)啟自動(dòng)檢測(cè)功能并建立斷電直通鏈路。如圖2所示，交換機(jī)1傳入的信號(hào)經(jīng)過(guò)斷電直通卡被直接傳輸給了交換機(jī)2，即便發(fā)生設(shè)備崩潰或軟件故障，也不會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸造成影響。

圖2 IP流調(diào)度矩陣在故障情況下的調(diào)度

3.2.4 SDN管理

軟件定義網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱(chēng)SDN，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的實(shí)現(xiàn)形式之一，其技術(shù)原理是通過(guò)分離數(shù)據(jù)面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面，以達(dá)到靈活控制網(wǎng)絡(luò)流量的目的。SDN是整個(gè)4K超高清電視IP化架構(gòu)的核心組成部分，具備預(yù)警、告警、故障分析等多種功能。利用SDN管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整配置和實(shí)施維護(hù)等操作，讓整個(gè)運(yùn)維流程變得簡(jiǎn)單和智能化，從而切實(shí)保證播控系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和高效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，觀眾對(duì)廣播電視服務(wù)質(zhì)量的要求越來(lái)越高，廣播電視也面諸多新的挑戰(zhàn)。在此背景下，廣播電視行業(yè)唯有不斷提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化服務(wù)供給，才能更好地適應(yīng)新時(shí)代、新廣電的發(fā)展要求。就現(xiàn)階段技術(shù)而言，電視臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)IP化就是一個(gè)有效的突破口。當(dāng)前，技術(shù)層面已經(jīng)能夠支撐基于IP流的4K超高清電視播控工作，但其穩(wěn)定性和先進(jìn)性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，后續(xù)探索的空間還比較大。