哈密市融媒體中心:李晶
廣播電視播放技術(shù)經(jīng)過多次技術(shù)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(diǎn)在于幀率和分辨率高,并能提供全景聲服務(wù),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(wǎng)絡(luò)技術(shù)而誕生的一種技術(shù),其融合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和廣電播放技術(shù),極大地提升了用戶使用體驗(yàn)?,F(xiàn)階段我國對于4K超高清播放技術(shù)的研究依然處于探索階段,面板技術(shù)問題是制約4K超高清技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。所以研究廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)對于突破4K超高清播放技術(shù)阻礙發(fā)揮著重要作用。
無論何種播放模式都需要配備與之對應(yīng)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(shí)現(xiàn)廣電信息傳遞。4K超高清播出系統(tǒng)是一種先進(jìn)的廣電節(jié)目播放系統(tǒng),該系統(tǒng)應(yīng)用了多種先進(jìn)的智能技術(shù),研究4K超高清播出系統(tǒng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式對于突破4K超高清技術(shù)阻礙有著重要的意義。
相比較于傳統(tǒng)高清、標(biāo)清系統(tǒng),4K超高清在分辨率、幀率和動(dòng)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(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)使其成為廣播播放技術(shù)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(shù)應(yīng)用制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),提出了建設(shè)4K超高清播出系統(tǒng)的具備標(biāo)準(zhǔn),并要求各地根據(jù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)開展4K超高清播出系統(tǒng)建設(shè)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(diǎn)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(dá)到120幀,其遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)節(jié)方面更細(xì)膩。設(shè)計(jì)播出系統(tǒng)時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)難度相對較小。傳統(tǒng)高清、標(biāo)清的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)主要以SDR標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)范圍值,主要以HDR標(biāo)準(zhǔn)為主,采用這一標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是電視色域得到了拓展,更多種類的顏色被應(yīng)用在畫面中,畫面與實(shí)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(yàn),極大地滿足了觀眾觀看需求。
我國不同地區(qū)在建設(shè)4K超高清播放系統(tǒng)時(shí)采用的設(shè)計(jì)方案不同,但是總體的標(biāo)準(zhǔn)相同,都是工信部和廣電總局頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn),研究4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷和改進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)收測試的時(shí)間為2017年12月,在各地進(jìn)行了多冊的測試,并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析,得出4K超高清系統(tǒng)性能優(yōu)異的結(jié)論,系統(tǒng)可為4K內(nèi)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(shè)工作,我國4K超高清播放系統(tǒng)建設(shè)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(gè)分支系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。總控子系統(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(gè)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(jìn)行處理,按照節(jié)目單對播放的節(jié)目文件進(jìn)行儲存和傳遞,確保信息傳遞質(zhì)量。編單子系統(tǒng)的作用是對節(jié)目單進(jìn)行編輯與審核,提供圖文與臺標(biāo)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(shí)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(shí)時(shí)的信息傳遞,其能夠動(dòng)態(tài)地查詢4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況,發(fā)現(xiàn)故障信息后能夠第一時(shí)間發(fā)送故障警報(bào),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(jìn)行日志交互,實(shí)現(xiàn)信息資源共享。
設(shè)計(jì)廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)時(shí)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(shè)計(jì)視音頻鏈路時(shí),可以選擇All in One服務(wù)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(gòu)主備播出視頻服務(wù)器能夠?yàn)閾Q面穩(wěn)定切換提供通道,而異構(gòu)二備單機(jī)視頻服務(wù)器則增加了視頻的播放流暢度,系統(tǒng)運(yùn)行提供變得更為穩(wěn)定。在線監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用非常重要,其能夠?qū)σ曇纛l鏈路進(jìn)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(shè)備可以調(diào)動(dòng)備用音頻設(shè)備,從而使得電視節(jié)目穩(wěn)定地播出。
在4K超高清播放系統(tǒng)中,應(yīng)用了多種先進(jìn)的智能技術(shù),這些技術(shù)為節(jié)目畫質(zhì)和播放流暢度的提升打下了技術(shù),研究4K超高清播放技術(shù)對于突破4K超高清播放技術(shù)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(yīng)用了時(shí)碼控制技術(shù)、4K凈切換技術(shù)和4K畫面一致性比對技術(shù),這些技術(shù)是4K超高清播放系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
我國在4K超高清播出系統(tǒng)建設(shè)方面采用GY/T307-2017標(biāo)準(zhǔn),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(shù),這種掃描頻率只能適用于高清或表情播放系統(tǒng),無法應(yīng)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(shí)現(xiàn),必須采用新的標(biāo)準(zhǔn)。一些技術(shù)人員開展設(shè)計(jì)工作時(shí)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(chǔ)上進(jìn)行幀頻掃描技術(shù)改進(jìn)工作,設(shè)計(jì)出新的幀頻掃描方法,為播控軟件高效和準(zhǔn)確地識別50P文件提供了技術(shù)依靠,系統(tǒng)能夠?qū)⒄_的幀精度播控指令傳給播放設(shè)備,保障播放系統(tǒng)有序運(yùn)行。例如,在50P素材中,對Play與Cue進(jìn)行掃描時(shí),借助于VDCP協(xié)議轉(zhuǎn)換指令信息,然后將指令發(fā)送給服務(wù)器,服務(wù)器按照指令進(jìn)行工作,系統(tǒng)播出控制邏輯得到了精確地控制。服務(wù)器接收指令能夠識別播控操作指令幀位置,同時(shí)通過映射的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換,最終以LCT+VITC格式將換面展示出來。系統(tǒng)能夠結(jié)合文件時(shí)碼軌精確地對LTC和VITC數(shù)據(jù)進(jìn)行幀精度定位,將更加優(yōu)質(zhì)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(yàn)需求,圖1為時(shí)碼控制數(shù)據(jù)傳輸。
圖1:時(shí)碼控制數(shù)據(jù)傳輸
在廣電節(jié)目播放過程中,視音頻鏈路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵,4K超高清播視音頻鏈路主要由三個(gè)服務(wù)器負(fù)責(zé),其作用是將4路4K信號傳輸至指定的設(shè)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(shù)人員設(shè)計(jì)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(nèi)部。采用這種設(shè)計(jì)方式的視音頻鏈路能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供8個(gè)輸出端口和16個(gè)3G-SDI信號端口,這種設(shè)計(jì)方法可以為4路4K信號傳輸穩(wěn)定性提升打下基礎(chǔ),有效地實(shí)現(xiàn)四選一目標(biāo)。為了防止播出系統(tǒng)進(jìn)行頻道切換時(shí)發(fā)生花屏、黑屏、卡頓這類播放問題,可以將幀同步技術(shù)應(yīng)用于倒換器中,然后借助于CPI控制傳輸對播放的指令進(jìn)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(shí),在設(shè)備實(shí)施GPI發(fā)送的凈切換指令后,會在播放視頻的切換部位應(yīng)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(shè)計(jì)播出系統(tǒng)時(shí)切換面板GPI可以通過并聯(lián)連接方法進(jìn)行連接,如果播放節(jié)目是GPI設(shè)備出現(xiàn)短路問題,系統(tǒng)能夠?qū)⑶袚Q面板與GPI間電路切斷,系統(tǒng)無法對二者間電位水平進(jìn)行計(jì)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(shè)備間即使出現(xiàn)短路故障,GPI電勢差也能被精確計(jì)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(shù)。
圖2:4K凈切換技術(shù)
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(jìn)行跟蹤,分析播放中的問題,這種方法經(jīng)常出現(xiàn)KPI報(bào)警時(shí)間延長,從而導(dǎo)致報(bào)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(shù)非常重要,這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)PI報(bào)警延遲問題解決,提升4K信號質(zhì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)先將4路4K信號采集,同時(shí)質(zhì)量監(jiān)控KPI明確,利用真值邏輯進(jìn)一步對4K信號進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控,并實(shí)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(lán)場、黑場、綠場等,畫面上分布著各種顏色的斑點(diǎn)。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(shè)計(jì)廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)時(shí),可以借助于信號一致性對各類信號進(jìn)行對比,設(shè)計(jì)與3G-SDI BNC輸入端口匹配的連接方法,端口數(shù)量一般設(shè)置為12個(gè),其可以為音視頻指紋采集與提取提供基本的技術(shù)支撐,使得畫面一致性比對結(jié)果變得更加準(zhǔn)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(jìn)行一致性比對,直接設(shè)計(jì)傳輸形式即可。連接信號一致性比對儀時(shí),能夠保障12個(gè)3G-SDI輸入端口與設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定連接,同時(shí)也能將4路SDI信號標(biāo)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(jìn)行實(shí)際對比工作時(shí),設(shè)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(jié)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(jié)論。如果是3路信號,采取兩兩比對的方法進(jìn)行比對,畫面一致性比對按照既定規(guī)則進(jìn)行。4K超高清播出系統(tǒng)應(yīng)用的畫面一致性比對儀能夠?qū)Υ嬖诓町惖?K信號插幀、聲音和信號延時(shí)等進(jìn)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(yīng)用4K廣播電視臺播放節(jié)目時(shí)畫面一致性比對技術(shù)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(nèi)容存在差異,兩路信號一致現(xiàn)象時(shí),KPI報(bào)警設(shè)備靜默,無須切換備選畫面,如果畫面出現(xiàn)單路信號內(nèi)容存在差異且兩路信號一致的現(xiàn)象是,KPI報(bào)警開始工作,此時(shí)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(bào)警,則不需要進(jìn)行畫面的切換,但是如果三路畫面不一致,并且出現(xiàn)KPI報(bào)警現(xiàn)象時(shí)則需要進(jìn)行畫面的切換。進(jìn)行這一些切換操作工作時(shí),系統(tǒng)能夠按照主→備→二備順序進(jìn)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?yàn)椴コ鱿到y(tǒng)控制4K信號提供可靠的方法,結(jié)合比對結(jié)果實(shí)現(xiàn)換面的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的目標(biāo),系統(tǒng)設(shè)備能夠及時(shí)針對運(yùn)行故障進(jìn)行處理,保障播出安全性,為人們提供良好的播放服務(wù),圖3為一致性對比關(guān)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(shè)備的要求很高,這是4K超高清技術(shù)的重要阻礙。目前4K超高清電視播放技術(shù)并不完善,建設(shè)方案以及相關(guān)的技術(shù)算法也存在缺陷,由于缺少現(xiàn)實(shí)的案例,所以相關(guān)的技術(shù)依然處于探究階段,想要將這些技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際播放中,需要開展多次試驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)技術(shù)缺陷,并對技術(shù)缺陷進(jìn)行完善,這樣可以大大提升技術(shù)應(yīng)用的可行性。
圖3:一致性對比關(guān)系
總而言之,4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于實(shí)現(xiàn)4K超高清播放普及有著重要意義,4K超高清設(shè)計(jì)涉及的技術(shù)較多,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該將關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究工作做好,不斷進(jìn)行技術(shù)更新。借鑒現(xiàn)有的成功案例,學(xué)習(xí)他人成功的經(jīng)驗(yàn),在現(xiàn)有技術(shù)支撐下不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,進(jìn)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(wù),提升人們的生活舒適度。