廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李亞珩

（赤峰廣播電視臺，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

2019年，工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局等部門聯(lián)合發(fā)布了超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃，明確提出了4K先行、兼顧8K的總體技術(shù)路線，要求各省市要大力開展超高清播出系統(tǒng)建設(shè)[1-3]。4K超高清視頻技術(shù)的成熟發(fā)展和應(yīng)用，為廣播電視行業(yè)采編和制作播出提供了更為廣闊的發(fā)展前景[4-5]。隨著技術(shù)的進(jìn)步、政策的實(shí)施以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，各地市相繼實(shí)施了一系列4K電視產(chǎn)業(yè)應(yīng)用[6]。赤峰廣播電視臺認(rèn)真貫徹落實(shí)國家超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，積極推動電視臺超高清視頻發(fā)展，早在2019年5月就投資4 500萬元，開始實(shí)施全臺電視高清化發(fā)展項(xiàng)目，對電視節(jié)目演播室、播出系統(tǒng)等采編播設(shè)備進(jìn)行改造升級，正式開播赤峰高清頻道、赤峰4K超高清頻道，之后又購置了超高清視頻設(shè)備。經(jīng)過兩年多的升級改造，赤峰廣播電視臺三個電視頻道的高清改造順利完成，使電視節(jié)目的可視度進(jìn)一步提升，為觀眾帶來了全新的觀看體驗(yàn)，播出效果令人滿意。本文提出赤峰廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)總體架構(gòu)，對4K超高清頻道設(shè)計和播出技術(shù)進(jìn)行探討，對于其他地市廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)的設(shè)計具有借鑒作用。

1 4K超高清視頻播出系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 建設(shè)思路

為確保電視臺高標(biāo)清節(jié)目畫面播出質(zhì)量[7]，赤峰廣播電視臺嚴(yán)格遵照國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加大超高清電視采集制作、總控播出、互動分發(fā)等系統(tǒng)建設(shè)，推動超高清電視在有線電視、IPTV及互聯(lián)網(wǎng)電視的應(yīng)用，采購廣電級攝像機(jī)、導(dǎo)播臺、手持穩(wěn)定器等設(shè)備，建設(shè)一套完整的、支持4K高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）全流程節(jié)目制作和直播的演播室，如圖1所示。HDR采用更高的碼率和編碼量化值，可有效消除編碼塊效應(yīng)，表現(xiàn)出視頻圖像高分辨率、高幀率、寬色域、高動態(tài)范圍及高碼率的優(yōu)勢[8]。

圖1 赤峰廣播電視臺高清演播廳

1.2 總體框架

該電視臺超高清播出系統(tǒng)以簡潔、可行、高效為設(shè)計原則，4K超高清播出系統(tǒng)架構(gòu)總體上由播出控制系統(tǒng)、總控系統(tǒng)、整備系統(tǒng)、編單系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等七個系統(tǒng)組成，滿足上載、傳輸、調(diào)取、播出即監(jiān)控等功能需求，使播出系統(tǒng)更具安全性、可靠性、便捷性[9]。

播出控制系統(tǒng)是電視臺所有系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著臺內(nèi)外各類信號的交換、調(diào)度及監(jiān)控工作，與其他六個子系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

總控子系統(tǒng)是電視頻道信號傳輸?shù)闹行臉屑~，向播控系統(tǒng)傳輸符合條件的視音頻命令，提供時鐘信號和同步信號，以此保障超高清視頻的順利播出。

整備子系統(tǒng)具有遷移、上載、緩存、縮編等業(yè)務(wù)功能，為電視臺各業(yè)務(wù)模塊提供文件化的素材交互和處理功能，支持臺標(biāo)、掛角、跑馬、動畫及倒計時等圖文處理功能，通過電臺對素材進(jìn)行編碼命名，然后生成素材節(jié)目單，將節(jié)目單提前遷移到主備和二備播出視頻服務(wù)器，由此實(shí)現(xiàn)整個備播過程[10]。

編單子系統(tǒng)處于各子系統(tǒng)的中間流程位置，發(fā)揮著承上啟下的橋梁和信息樞紐的作用，對節(jié)目單、廣告信息等素材可有效進(jìn)行編排、校驗(yàn)、審核發(fā)送，可支持50幀幀精度。該子系統(tǒng)以清單的形式推送給播出控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)最終接收的節(jié)目單，完成各類信號的自動切換。

傳輸子系統(tǒng)可與編單系統(tǒng)進(jìn)行信號交互，是負(fù)責(zé)對外聯(lián)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。播控系統(tǒng)將信號傳輸?shù)絺鬏斚到y(tǒng)，再由傳輸系統(tǒng)輸出給下游單元。

監(jiān)控子系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行、信號交換、播出狀態(tài)等數(shù)據(jù)，以視音頻監(jiān)控系統(tǒng)圖的形式，顯示各信號檢測點(diǎn)的實(shí)時4K圖像畫面，對各種信號異常情況設(shè)定閾值，發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行，及時將報警數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，發(fā)出提示指令。

輔助子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)日志交互，提供故障、日志信息，用來體現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在異常，及時將故障報告給監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 視音頻鏈路

視音頻架構(gòu)方面，該系統(tǒng)采用4路3G-SDI基帶系統(tǒng)架構(gòu)。播出控制系統(tǒng)根據(jù)播出串聯(lián)單控制All in One視頻服務(wù)器和末端4×1倒換器，自動實(shí)現(xiàn)規(guī)定順序的硬盤播出、線路直播、圖文混合疊加以及應(yīng)急切換等功能[11]。

2 廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 時碼控制技術(shù)

赤峰廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)依據(jù)廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《4K超高清視頻圖像質(zhì)量主觀評價用測試圖像》（GY/T 329—2020），采用3 840×2 160 50p的4K超高清視頻圖像進(jìn)行逐幀掃描[12]，適用于4K超高清視頻系統(tǒng)和設(shè)備的圖像質(zhì)量主觀評價[5]。由于傳統(tǒng)的25p的播控技術(shù)無法滿足現(xiàn)有需求，需要對控制邏輯開展50p適配改造。文件格式采用XAVC 500 Mb·s-1碼率格式，確保播控軟件可有效識別節(jié)目單中的50p文件的相關(guān)入出點(diǎn)。該技術(shù)定位更加精準(zhǔn)，生成的指令更為有效，可采取VDCP協(xié)議傳送到服務(wù)器端口。服務(wù)器收到播控軟件發(fā)出的信號后，對播控軟件信號中的幀位置進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后以LTC+VITC的格式呈現(xiàn)出來，再根據(jù)節(jié)目時碼軌道的LTC碼和VITC碼，按照播控軟件下達(dá)的命令開始幀精度定位。

2.2 4K凈切換

本系統(tǒng)鏈路設(shè)計了4路4K信號，采用4線3G-SDI基帶信號的設(shè)備，以Qua-link方式進(jìn)行4K信號的傳輸，由此解決4線信號凈切換問題，如圖2所示。實(shí)際配置過程中，在鏈路的末端選擇的是4臺雙路二選一倒換器，共計輸出4路4K信號，共有16個3G-SDI輸入端口，8個3G-SDI輸出端口，由4臺3G四選一切換設(shè)備組成，本身自帶幀同步，支持凈切換，控制系統(tǒng)通過GPI技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)4路信號幀精度凈切換。在下達(dá)GPI切換信號時，視頻能夠自由快速切換，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)鏈路處理功能和先進(jìn)的凈切換算法，音視頻調(diào)度切換畫面無損、即切即得、標(biāo)準(zhǔn)兼容，所有切換的信號都可以實(shí)現(xiàn)幀精度同步，解決了通用交換矩陣無法實(shí)現(xiàn)凈切換的技術(shù)問題。

圖2 4K凈切換圖

2.3 4K畫面一致性比對

在4K音視頻系統(tǒng)監(jiān)控中，如果僅通過關(guān)鍵性能指標(biāo)（Key Performance Indicator，KPI）對畫面開展問題分析，是無法滿足高清晰畫面播放需求的。傳統(tǒng)KPI報警時間閾值過長，極容易出現(xiàn)報警延遲問題。針對這一問題，系統(tǒng)可采取4K畫面一致性比對技術(shù)進(jìn)行修正，需技術(shù)人員全面采集4路4K信號，制定相關(guān)監(jiān)控KPI的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合真值邏輯開展精準(zhǔn)監(jiān)控。當(dāng)通過檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)視頻出現(xiàn)丟失、黑場、靜幀、綠場、藍(lán)場等各類純色問題時，當(dāng)音頻出現(xiàn)靜音、雜音、音調(diào)過高、音調(diào)過低等問題時，技術(shù)人員使用信號一致性比對儀將設(shè)備連接3G-SDI BNC輸入端口，配置數(shù)量選擇12個，能夠有效對音視頻信號進(jìn)行全面采集和提取，滿足主備和二備播出視頻服務(wù)器Qua-Link 4K畫面的輸入需求。通過引入內(nèi)容一致性比對，可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對播放信號及網(wǎng)絡(luò)鏈路的實(shí)時監(jiān)控，快速找出發(fā)生故障的設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)的綜合分析，確定最終完成主備和二備及墊片4路信號的應(yīng)急切換。

3 結(jié) 語

自新系統(tǒng)運(yùn)行以來，赤峰電視臺提高了素材整備的效率，實(shí)現(xiàn)了每天24小時無間斷播出，節(jié)目制作播出實(shí)現(xiàn)了高效化，電視頻道畫面更加清晰，節(jié)目質(zhì)量更加優(yōu)質(zhì)，無論是播出業(yè)務(wù)還是視頻質(zhì)量，都達(dá)到了既定的目標(biāo)，為廣大電視觀眾提供了一場場視聽盛宴，為講好赤峰故事、傳播赤峰聲音，充分發(fā)揮了電視臺媒體的作用，同時也驗(yàn)證了4K超高清電視播出系統(tǒng)從建設(shè)到運(yùn)營的合理性。今后，赤峰電視臺還需要借助信息技術(shù)升級的浪潮，不斷開拓創(chuàng)新，努力為廣大用戶提供更加清晰、更為流暢、更高畫質(zhì)的超高清視覺體驗(yàn)。