廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)關鍵技術探討

哈密市融媒體中心：李晶

廣播電視播放技術經過多次技術更新初步形成了以4K超高清播放為主的播放體系，4K超高清的優(yōu)點在于幀率和分辨率高，并能提供全景聲服務，加之較高的可視度使其受到觀眾的喜歡。4K超高清播放是基于網絡技術而誕生的一種技術，其融合了網絡技術和廣電播放技術，極大地提升了用戶使用體驗?，F(xiàn)階段我國對于4K超高清播放技術的研究依然處于探索階段，面板技術問題是制約4K超高清技術進一步發(fā)展的關鍵。所以研究廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)關鍵技術對于突破4K超高清播放技術阻礙發(fā)揮著重要作用。

1.廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)

無論何種播放模式都需要配備與之對應的播放系統(tǒng)，通過播放系統(tǒng)將廣電節(jié)目提供給觀眾，從而實現(xiàn)廣電信息傳遞。4K超高清播出系統(tǒng)是一種先進的廣電節(jié)目播放系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用了多種先進的智能技術，研究4K超高清播出系統(tǒng)的特點和結構設計方式對于突破4K超高清技術阻礙有著重要的意義。

1.1 4K超高清播出系統(tǒng)特點

相比較于傳統(tǒng)高清、標清系統(tǒng)，4K超高清在分辨率、幀率和動態(tài)范圍方面更具優(yōu)勢，其還具備了傳統(tǒng)播放系統(tǒng)不具備的寬色域和全景聲優(yōu)點，這些優(yōu)點使其成為廣播播放技術中的新寵。2017年工信部和國家廣播電視總局針對于4K超高清技術應用制定了相關標準，提出了建設4K超高清播出系統(tǒng)的具備標準，并要求各地根據(jù)建設標準開展4K超高清播出系統(tǒng)建設工作。4K超高清的清晰度和幀頻較高，分辨率倒帶了3840×2160，比HD高清播出系統(tǒng)顯示點數(shù)多3倍，畫面清晰度相對傳統(tǒng)播放系統(tǒng)更高。4K超高清播出系統(tǒng)有著最低50幀的幀頻，幀頻的最大值能夠達到120幀，其遠遠超過HD播放系統(tǒng)的幀頻。播出畫面過程中，幀頻高表示播出的畫面流暢度高，畫面在細節(jié)方面更細膩。設計播出系統(tǒng)時遇到的難題是幀頻越高對于播放系統(tǒng)的容量、帶寬要求越高，設計的難度越大，因此在發(fā)展初期我國4K超高清播出系統(tǒng)采用50P的幀頻，設計難度相對較小。傳統(tǒng)高清、標清的動態(tài)范圍設計主要以SDR標準為主，亮度最大值為100nit，不同于傳統(tǒng)播放系統(tǒng)，4K超高清系統(tǒng)增加了動態(tài)范圍值，主要以HDR標準為主，采用這一標準的畫面亮度基本全部在100nit以上，所以播放畫面變得更加明亮，色彩變得更為柔和。4K超高清在寬色域方面以UHDTV色域范圍為主，這種色域的優(yōu)點是電視色域得到了拓展，更多種類的顏色被應用在畫面中，畫面與實際場景的差異變得更小。此外，4K超高清的全景聲采用了5.1環(huán)繞立體聲，而且音源采集平面得到了拓展，觀眾能夠獲得沉浸式的觀看體驗，極大地滿足了觀眾觀看需求。

1.2 4K超高清播出系統(tǒng)設計

我國不同地區(qū)在建設4K超高清播放系統(tǒng)時采用的設計方案不同，但是總體的標準相同，都是工信部和廣電總局頒發(fā)的標準，研究4K超高清播出系統(tǒng)設計對于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷和改進系統(tǒng)功能有著重要意義。我國開始對4K超高清播出系統(tǒng)進行驗收測試的時間為2017年12月，在各地進行了多冊的測試，并對測試結果進行了分析，得出4K超高清系統(tǒng)性能優(yōu)異的結論，系統(tǒng)可為4K內容播出提供平臺，此后其他地區(qū)相繼開展了4K超高清播出系統(tǒng)建設工作，我國4K超高清播放系統(tǒng)建設正式開始。

播出系統(tǒng)主要由總控、播控、整備、編單、監(jiān)管、傳輸和輔助七個分支系統(tǒng)結構組成?？偪刈酉到y(tǒng)信息傳遞線路連接到播控系統(tǒng)中，其作用是傳輸4K信號，提供播放信息傳播路徑。播控子系統(tǒng)連接到六個子系統(tǒng)中，保障播放信息的共享，為電視節(jié)目順利播出提供基本保障。整備子系統(tǒng)的作用是對素材與外來文件進行處理，按照節(jié)目單對播放的節(jié)目文件進行儲存和傳遞，確保信息傳遞質量。編單子系統(tǒng)的作用是對節(jié)目單進行編輯與審核，提供圖文與臺標給播控子系統(tǒng)，確保節(jié)目播出的流暢性。傳輸系統(tǒng)直接連接到播控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了播放信息的傳遞。監(jiān)管系統(tǒng)通過監(jiān)管軟件與播控系統(tǒng)形成實時的信息傳遞，其能夠動態(tài)地查詢4K超高清播出系統(tǒng)設備運行狀況，發(fā)現(xiàn)故障信息后能夠第一時間發(fā)送故障警報，防止故障信息升級造成更多問題。輔助系統(tǒng)直接連接在播控系統(tǒng)中，二者可以進行日志交互，實現(xiàn)信息資源共享。

設計廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)時可以采用4路3G-SDI基帶系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，設計視音頻鏈路時，可以選擇All in One服務器，該系統(tǒng)的作用是賦予4K超高清播出系統(tǒng)更多功能，如線路直播功能和硬盤播出功能等，提升播放節(jié)目的豐富度。在播放系統(tǒng)中加入同構主備播出視頻服務器能夠為換面穩(wěn)定切換提供通道，而異構二備單機視頻服務器則增加了視頻的播放流暢度，系統(tǒng)運行提供變得更為穩(wěn)定。在線監(jiān)測設備的應用非常重要，其能夠對視音頻鏈路進行有效的安全監(jiān)控，節(jié)目播出過程中如果發(fā)現(xiàn)異常，監(jiān)控設備可以調動備用音頻設備，從而使得電視節(jié)目穩(wěn)定地播出。

2.廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)關鍵技術

在4K超高清播放系統(tǒng)中，應用了多種先進的智能技術，這些技術為節(jié)目畫質和播放流暢度的提升打下了技術，研究4K超高清播放技術對于突破4K超高清播放技術阻礙有著重要的意義。目前我國4K超高清播放系統(tǒng)主要應用了時碼控制技術、4K凈切換技術和4K畫面一致性比對技術，這些技術是4K超高清播放系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵。

2.1 時碼控制技術

我國在4K超高清播出系統(tǒng)建設方面采用GY/T307-2017標準，播出系統(tǒng)幀頻掃描頻率為50Hz。傳統(tǒng)播控系統(tǒng)中一般使用基于25P播出控制邏輯的幀頻掃描技術，這種掃描頻率只能適用于高清或表情播放系統(tǒng)，無法應用于4K超高清播出系統(tǒng)中，想要確保4K超高清播放系統(tǒng)順利實現(xiàn)，必須采用新的標準。一些技術人員開展設計工作時選擇了基于50P播出邏輯的幀頻掃描方法，在原有的系統(tǒng)播出控制邏輯基礎上進行幀頻掃描技術改進工作，設計出新的幀頻掃描方法，為播控軟件高效和準確地識別50P文件提供了技術依靠，系統(tǒng)能夠將正確的幀精度播控指令傳給播放設備，保障播放系統(tǒng)有序運行。例如，在50P素材中，對Play與Cue進行掃描時，借助于VDCP協(xié)議轉換指令信息，然后將指令發(fā)送給服務器，服務器按照指令進行工作，系統(tǒng)播出控制邏輯得到了精確地控制。服務器接收指令能夠識別播控操作指令幀位置，同時通過映射的方法進行轉換，最終以LCT+VITC格式將換面展示出來。系統(tǒng)能夠結合文件時碼軌精確地對LTC和VITC數(shù)據(jù)進行幀精度定位，將更加優(yōu)質的畫面呈現(xiàn)在觀眾的眼前，使得播放的效果大大提升，滿足了觀眾的觀看體驗需求，圖1為時碼控制數(shù)據(jù)傳輸。

圖1：時碼控制數(shù)據(jù)傳輸

2.2 4K凈切換技術

在廣電節(jié)目播放過程中，視音頻鏈路設計非常關鍵，4K超高清播視音頻鏈路主要由三個服務器負責，其作用是將4路4K信號傳輸至指定的設備中，主要采用Qua-link的傳輸方式，傳播渠道類型主要為4路3G-SDI信號，保障了信號傳輸穩(wěn)定性。技術人員設計視音頻鏈路過程中可以將4臺雙路二選一倒換器按照在末級裝置內部。采用這種設計方式的視音頻鏈路能夠為系統(tǒng)提供8個輸出端口和16個3G-SDI信號端口，這種設計方法可以為4路4K信號傳輸穩(wěn)定性提升打下基礎，有效地實現(xiàn)四選一目標。為了防止播出系統(tǒng)進行頻道切換時發(fā)生花屏、黑屏、卡頓這類播放問題，可以將幀同步技術應用于倒換器中，然后借助于CPI控制傳輸對播放的指令進行切換，這樣可以保障3G-SDI信號切換的精確性和高效性。同時，在設備實施GPI發(fā)送的凈切換指令后，會在播放視頻的切換部位應用切換指令，確保信號切換前后具備同步幀精度，保障視音頻的流暢性與高幀率0。除此之外，設計播出系統(tǒng)時切換面板GPI可以通過并聯(lián)連接方法進行連接，如果播放節(jié)目是GPI設備出現(xiàn)短路問題，系統(tǒng)能夠將切換面板與GPI間電路切斷，系統(tǒng)無法對二者間電位水平進行計算，從而出現(xiàn)了凈切換效果降低的問題，想要將這一問題解決，可以將信號限流裝置安裝在系統(tǒng)中，面板和設備間即使出現(xiàn)短路故障，GPI電勢差也能被精確計算，4K超高清播出的穩(wěn)定性大大提升，圖2為4K凈切換技術。

圖2：4K凈切換技術

2.3 4K畫面一致性比對技術

傳統(tǒng)播放系統(tǒng)中使用的視音頻監(jiān)控主要借助于KPI功能對播放畫面進行跟蹤，分析播放中的問題，這種方法經常出現(xiàn)KPI報警時間延長，從而導致報警延遲現(xiàn)象屢屢常發(fā)生。想要解決這一問題，引入4K畫面一致性比對技術非常重要，這項技術能夠將KPI報警延遲問題解決，提升4K信號質量，保障播放的效果，因此4K超高清播出優(yōu)勢得到了有效體現(xiàn)。設計系統(tǒng)時先將4路4K信號采集，同時質量監(jiān)控KPI明確，利用真值邏輯進一步對4K信號進行精準監(jiān)控，并實現(xiàn)故障判斷。在這一過程中，4K信號視頻監(jiān)控發(fā)生視頻丟失問題，具體表現(xiàn)為畫面藍場、黑場、綠場等，畫面上分布著各種顏色的斑點。音頻檢測出現(xiàn)音頻反相、視頻靜音以及視頻音量不穩(wěn)定的現(xiàn)象。設計廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)時，可以借助于信號一致性對各類信號進行對比，設計與3G-SDI BNC輸入端口匹配的連接方法，端口數(shù)量一般設置為12個，其可以為音視頻指紋采集與提取提供基本的技術支撐，使得畫面一致性比對結果變得更加準確，為4K信號傳輸提供穩(wěn)定的渠道，Qua-Link4K畫面輸入變得更為理想。第四路信號為墊片，這種信號區(qū)別于其他信號格式，所以不需要對該信號進行一致性比對，直接設計傳輸形式即可。連接信號一致性比對儀時，能夠保障12個3G-SDI輸入端口與設備進行穩(wěn)定連接，同時也能將4路SDI信號標記出來，使得信號傳輸邏輯變得更為有序，提升了信號穩(wěn)定性。但是進行實際對比工作時，設備會有限比對2路信號中位于同一位置的四分之一畫面，如果比對結果發(fā)現(xiàn)有不同的四分之一畫面，那么系統(tǒng)得出4K信號差異這一結論。如果是3路信號，采取兩兩比對的方法進行比對，畫面一致性比對按照既定規(guī)則進行。4K超高清播出系統(tǒng)應用的畫面一致性比對儀能夠對存在差異的4K信號插幀、聲音和信號延時等進行精確地比對，其可以為操作人員開展畫面分析工作提供可靠的數(shù)據(jù)。應用4K廣播電視臺播放節(jié)目時畫面一致性比對技術遵循一定的邏輯原理：如果出現(xiàn)畫面單路信號并且畫面的內容存在差異，兩路信號一致現(xiàn)象時，KPI報警設備靜默，無須切換備選畫面，如果畫面出現(xiàn)單路信號內容存在差異且兩路信號一致的現(xiàn)象是，KPI報警開始工作，此時輸出信號不一致，需要將畫面切換到備用畫面。如果三路畫面均不一致，無KPI報警，則不需要進行畫面的切換，但是如果三路畫面不一致，并且出現(xiàn)KPI報警現(xiàn)象時則需要進行畫面的切換。進行這一些切換操作工作時，系統(tǒng)能夠按照主→備→二備順序進行備用畫面的切換，確保了畫面切換的穩(wěn)定性。畫面一致性比對數(shù)能夠為播出系統(tǒng)控制4K信號提供可靠的方法，結合比對結果實現(xiàn)換面的實時動態(tài)轉換的目標，系統(tǒng)設備能夠及時針對運行故障進行處理，保障播出安全性，為人們提供良好的播放服務，圖3為一致性對比關系。由于4K超高清播出系統(tǒng)涉及了許多視音頻畫面，所以系統(tǒng)需要處理大量數(shù)據(jù)，對畫面一致性比方法和承載算法硬件設備的要求很高，這是4K超高清技術的重要阻礙。目前4K超高清電視播放技術并不完善，建設方案以及相關的技術算法也存在缺陷，由于缺少現(xiàn)實的案例，所以相關的技術依然處于探究階段，想要將這些技術應用于實際播放中，需要開展多次試驗，通過實驗發(fā)現(xiàn)技術缺陷，并對技術缺陷進行完善，這樣可以大大提升技術應用的可行性。

圖3：一致性對比關系

總而言之，4K超高清播出系統(tǒng)設計對于實現(xiàn)4K超高清播放普及有著重要意義，4K超高清設計涉及的技術較多，設計人員應該將關鍵技術應用研究工作做好，不斷進行技術更新。借鑒現(xiàn)有的成功案例，學習他人成功的經驗，在現(xiàn)有技術支撐下不斷進行技術創(chuàng)新，進一步提升4K超高清播放系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，為人們提供更多精彩的4K超高清觀影服務，提升人們的生活舒適度。