超高清電視播控系統(tǒng)在縣級(jí)電視臺(tái)的應(yīng)用及思考

嚴(yán)洪智

（寧波市鎮(zhèn)海區(qū)新聞中心，浙江 寧波 315200）

1 4K 超高清電視的現(xiàn)狀與特點(diǎn)

電視技術(shù)的發(fā)展，在于清晰度的不斷提高。從最初標(biāo)清電視720×576 分辨率到高清的1 920×1 080 再到目前4K 超高清的3 840×2 160 分辨率，無(wú)不體現(xiàn)著技術(shù)發(fā)展對(duì)電視的貢獻(xiàn)，從而使電視有了讓觀眾親臨其境的感受。清晰度的不斷提高，帶來(lái)是帶寬需求的快速增加。根據(jù)電影和電視工程師協(xié)會(huì)（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)清（Standard Definition，SD）的帶寬需求為270 Mb·s-1，而高清（High Definition，HD）的帶寬需求為1 485 Mb·s-1，4K 超高清則達(dá)到11 880 Mb·s-1。帶寬需求幾何式的增長(zhǎng)帶來(lái)設(shè)備制造難度的增加，使制造成本大幅上升。同時(shí)，信號(hào)傳輸受到帶寬的影響，傳輸距離受限明顯，這給電視行業(yè)的技術(shù)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

2018 年，國(guó)家廣播電視總局起草編制了《4K 超高清電視技術(shù)應(yīng)用指南（2018 版）》。同年，中央廣播電視總臺(tái)編制了《4K 超高清電視制播技術(shù)規(guī)范（暫行）》，為4K 在國(guó)內(nèi)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)中央廣播電視總臺(tái)發(fā)布的技術(shù)規(guī)范，我國(guó)目前4K 實(shí)踐中的基本參數(shù)定義為：4K 的分辨率，50 幀的幀率，色域?yàn)锽T.2020，高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）以及10 bit 量化。

作為基層廣播電視臺(tái)，如何在融合媒體制播、科技創(chuàng)新應(yīng)用方面搭上4K 超高清的春風(fēng)，推動(dòng)廣電在縣區(qū)級(jí)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，也迫在眉睫。為此，筆者結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)目前4K 超高清播控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行分析、比對(duì)［1-5］。

2 基帶架構(gòu)

數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）是廣播電視領(lǐng)域目前常用的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。其中，SD-SDI 可傳輸分辨率為720×756 的信號(hào)，HD-SDI 可傳輸幀率為30 f·s-1的1 080P 高清信號(hào)，3G-SDI 可傳輸幀率為60 f·s-1的1 080P 高清信號(hào)，12G-SDI 標(biāo)準(zhǔn)最高可傳輸幀率為60 f·s-1的4K 超高清信號(hào)。因此，4K 超高清如果采用基帶架構(gòu)設(shè)計(jì)播控系統(tǒng)，必須采用12G-SDI 接口標(biāo)準(zhǔn)。

直接采用12G-SDI 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)的播控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的播控系統(tǒng)架構(gòu)完全一致。這種單線同軸模式幾十年來(lái)已經(jīng)在廣電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)基層電視臺(tái)來(lái)說架構(gòu)成熟，不但管理模式不用調(diào)整，人員培訓(xùn)成本也大大降低。目前12G-SDI 的產(chǎn)品也慢慢趨于成熟完善，SMG 已建有12G-SDI 的超高清播出系統(tǒng)。但由于12G-SDI 數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離受限。有資料顯示，百通推出的基于4K 信號(hào)傳輸解決方案的全新同軸電纜4794R，在12 Gb·s-1帶寬下傳輸距離最高只能達(dá)到93 m，加奈美的L-5.5CUHD 測(cè)試極值也在100 m 以內(nèi)，同時(shí)跳線衰減明顯增大。因此，采用12G-SDI 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需綜合考慮這些因素。

針對(duì)12G-SDI 標(biāo)準(zhǔn)存在的局限，采用4×3G-SDI 技術(shù)設(shè)計(jì)的播控架構(gòu)值得考慮。目前，4×3G 技術(shù)主要有SQD 和2SI 兩種模式。SQD 是把圖像進(jìn)行四等分分割，而2SI 則采取二取樣交織方式（其中第一路3G-SDI 嵌入了音頻）。將4K 信號(hào)分成4 路3G-SDI 進(jìn)行相應(yīng)傳輸（如圖1 所示），這樣播控系統(tǒng)的架構(gòu)接近于原高清的系統(tǒng)，只是線纜多了4 倍。在這兩種模式中，2SI 模式可以確保在若干路信號(hào)丟失情況下，后端依然可以完整播出視音頻內(nèi)容，雖然視頻質(zhì)量劣化，但能保證播出的安全，適合基層電視臺(tái)場(chǎng)景應(yīng)用。同時(shí)，由于2SI采用二取樣交織方式，監(jiān)看系統(tǒng)可采用其中一路信號(hào)，能夠降低建設(shè)費(fèi)用。4×3G 模式目前在廣東電視臺(tái)（2017 年）、央視舊址4K 測(cè)試頻道播出（2018年）及央視新址6 頻道4K 播出（2020 年）均有成功案例［6］。

圖1 SQD 與2SI 模式

4×3G 模式線纜繁多，部署成本高。由于BNC接口數(shù)量是原來(lái)的4 倍，系統(tǒng)故障率相應(yīng)提高。這給視安全為生命的電視播控系統(tǒng)帶來(lái)挑戰(zhàn)，給值機(jī)技術(shù)人員增加了負(fù)擔(dān)。

3 IP 架構(gòu)

SDI 標(biāo)準(zhǔn)在電視臺(tái)處于標(biāo)清或者高清（1 080P）時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在即將到來(lái)的超高清時(shí)代，傳統(tǒng)SDI 信號(hào)會(huì)由于傳輸速率高而帶來(lái)一系列問題。為此，廣電領(lǐng)域利用IP 協(xié)議推出了支持全I(xiàn)P 架構(gòu)的解決方案［7］?；贗P 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)成熟、覆蓋范圍不受環(huán)境空間影響、布線簡(jiǎn)單、設(shè)備通用以及相對(duì)電視專業(yè)設(shè)備節(jié)約投資等特點(diǎn)，IP化必將是電視媒體未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.1 IP 協(xié)議的現(xiàn)狀

在SDI over IP 進(jìn)程中，SMPTE 組織相應(yīng)制訂了多個(gè)協(xié)議，為廣播電視IP 架構(gòu)提供解決方案。

（1）ST2022-6 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了嵌入式SDI 信號(hào)和IP 的封裝問題，無(wú)需高精度時(shí)間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）同步。但其最大的問題是不支持12G-SDI 的封裝，最高只能達(dá)到3G-SDI 標(biāo)準(zhǔn)。這導(dǎo)致采用該協(xié)議傳輸4K 文件時(shí)必須先對(duì)4K 文件進(jìn)行淺壓縮為TICO（固定3G帶寬）或采用4×3G over 2022-6。該協(xié)議目前比較成熟。

（2）ST2110 標(biāo)準(zhǔn)，支持4K 單視頻流、音頻、元數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）進(jìn)行封裝。該協(xié)議需要PTP 校時(shí)才能穩(wěn)定工作。其特點(diǎn)是只需要小于9 Gb·s-1的帶寬，可大量節(jié)省帶寬資源。目前各主流廠商基本都有支持該協(xié)議的產(chǎn)品。

（3）ST2059 V2 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)IP 設(shè)備采用PTP時(shí)鐘同步進(jìn)行了定義。協(xié)議目前已相對(duì)成熟，適合與ST2110 標(biāo)準(zhǔn)配合。

（4）IS04/05/06 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視音頻IP 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)自發(fā)現(xiàn)、注冊(cè)等工作方式進(jìn)行定義，達(dá)到統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理的要求。IS05/06 標(biāo)準(zhǔn)目前尚未正式發(fā)布。據(jù)了解，雖然各廠商有支持，但實(shí)踐上的兼容由于開發(fā)進(jìn)度、設(shè)計(jì)思路、協(xié)議版本等因素存在比較大的不確定性。

（5）ST2022-7 標(biāo)準(zhǔn)，定義了流傳輸?shù)逆溌啡哂啵瑓f(xié)議比較成熟。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)廣電播控系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)有較大的價(jià)值。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，協(xié)議的選擇對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的形態(tài)、成本及安全性都會(huì)帶來(lái)直接的影響。特別在基層廣電單位中，不可能完全求大求全。例如，ST2022-6 標(biāo)準(zhǔn)就比較合適，可采用淺壓縮方式，在基本不影響圖像質(zhì)量的情況下，減小高帶寬帶來(lái)的設(shè)備壓力，同時(shí)也可以省略PTP 同步控制等環(huán)節(jié)，適合在縣區(qū)級(jí)廣電及融媒體中發(fā)布應(yīng)用。

3.2 超高清電視的編碼技術(shù)現(xiàn)狀

超高清電視的典型特征為高分辨率、高幀率、寬色域、高動(dòng)態(tài)范圍、高量化精度，其數(shù)據(jù)量巨大。國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)針對(duì)超高清編碼技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)和應(yīng)用，期望有更加高效的編碼技術(shù)，能在保證視頻質(zhì)量的前提下，降低視頻編碼所需的碼率。目前主要有以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）AVS。AVS 是我國(guó)自行研發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，針對(duì)高清晰度的廣播電視應(yīng)用。

（2）AVS2，主要面向高清、超高清視頻的高效編碼。AVS2視頻編碼相比AVS，壓縮效率提高一倍，并達(dá)到與同期的H.265/HEVC 等標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)膲嚎s編碼效率。

（3）H.264/AVC。H.264 是國(guó)際上繼MPEG4之后提出的新一代數(shù)字視頻壓縮格式。它能在相同的帶寬下提供更加優(yōu)秀的圖象質(zhì)量。

（4）H.265/HEVC。H.265/HEVC 的應(yīng)用場(chǎng)景主要面向高清、超高清的視頻消費(fèi)需求，并已廣泛應(yīng)用于廣播電視與網(wǎng)絡(luò)視聽領(lǐng)域。

（5）H.266/VVC。H.266/VVC 在H.265/HEVC基礎(chǔ)上提高了壓縮效率，涵蓋所有當(dāng)前和新興媒體的應(yīng)用需求，包括超高清視頻（具有4K/8K 分辨率、10 bit 量化精度）、高動(dòng)態(tài)范圍視頻、沉浸式視頻以及VR 視頻等，具有高度適用性。

（6）JPEG-XS。該協(xié)議于2016 年開始啟動(dòng)，以輕量級(jí)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制，目的是滿足IP 化制播應(yīng)用中低復(fù)雜度、低延遲、視覺無(wú)損的要求，標(biāo)準(zhǔn)名稱為JPEG-XS。

目前，面向超高清傳輸域的深壓縮編碼技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。而在超高清播控領(lǐng)域，由于4K 超高清視頻文件的原始視頻數(shù)據(jù)量約為8 294 Mb·s-1，是個(gè)天量，目前國(guó)家及省級(jí)臺(tái)常應(yīng)用淺壓縮編碼方式，典型的有基于H.264/AVC 全I(xiàn) 幀編碼，碼率達(dá)到500 Mb·s-1，壓縮比約為16 ∶1，若能采用XAVC LONG GOP 編碼，碼率可進(jìn)一步減至200 Mb·s-1，可明顯釋放系統(tǒng)壓力。當(dāng)然，對(duì)縣區(qū)級(jí)電視臺(tái)播控系統(tǒng)來(lái)說，由于針對(duì)的用戶主要集中在新興媒體上，在技術(shù)成熟的情況下，或許可以將更深壓縮的編碼方式應(yīng)用到播控系統(tǒng)，會(huì)更有利于基層電視臺(tái)超高清的快速發(fā)展。

3.3 IP 信號(hào)調(diào)度方案

在以交換機(jī)為核心的IP 構(gòu)架下，如何使超高清信號(hào)進(jìn)行靈活調(diào)度、處理、分發(fā)到各終端設(shè)備，是IP 技術(shù)能否在廣播電視領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重點(diǎn)。目前主要有IP 信號(hào)邊緣控制調(diào)度和IP 信號(hào)核心控制調(diào)度兩種方案。

IP 信號(hào)邊緣控制調(diào)度方案也稱為IGMP 組播方式，通過廣電控制器控制終端設(shè)備從交換機(jī)中調(diào)出IP 流。即廣電控制器下發(fā)調(diào)度指令給收流終端，控制其所收數(shù)據(jù)的組播地址，同時(shí)應(yīng)用網(wǎng)際組管理協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP）向核心交換機(jī)發(fā)送加入（JOIN）請(qǐng)求，交換機(jī)根據(jù)請(qǐng)求復(fù)制一份IP 數(shù)據(jù)（加入組播組）來(lái)完成信號(hào)的調(diào)度。不同的信號(hào)源，其收流終端可在廣電控制器的指令下通過更改組播地址來(lái)達(dá)到切換的目的。因此，IP 信號(hào)邊緣控制調(diào)度方案的信號(hào)切換發(fā)生在終端（目的）設(shè)備端。其設(shè)備端必須具備能接收同一系統(tǒng)的調(diào)度指令功能?；谶吘壵{(diào)度的控制方案如圖2 所示。

圖2 基于邊緣調(diào)度的控制方案

IP 信號(hào)核心控制調(diào)度方案是一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）+路由交換設(shè)備+網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）的控制模式。

SDN 主要通過控制軟件控制交換設(shè)備，從而直接深入到交換設(shè)備中，去控制它的路由表項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路由器或交換機(jī)端口的管理，IP 信號(hào)則通過路由器或交換機(jī)完成信號(hào)推送。由于IP 數(shù)據(jù)包的路徑能被SDN 控制器指定，信號(hào)傳輸?shù)穆窂阶兊们逦涂杀活A(yù)測(cè)，類似于傳統(tǒng)基帶矩陣的工作方式，與傳統(tǒng)基帶系統(tǒng)常用的思維和操作習(xí)慣相近，可實(shí)現(xiàn)對(duì)IP信號(hào)流智能化、圖形化、可視化、精細(xì)化管理。基于SDN 核心的控制方案如圖3 所示。

圖3 基于SDN 核心的控制方案

由于SDN 控制方式中終端設(shè)備不必具備IGMP功能，因此為設(shè)備選型提供了很大方便。同時(shí)，播控系統(tǒng)與外部系統(tǒng)（如演播室、轉(zhuǎn)播車等）對(duì)接時(shí)，可防止地址沖突，直接滿足外部系統(tǒng)的組播規(guī)劃需求，降低整體成本。目前，華為公司已經(jīng)發(fā)布支持25G/100G 端口的路由器，H3C 公司也發(fā)布有類似的SDN 交換機(jī)。

因此，目前的4K 超高清播控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用IP 信號(hào)核心控制調(diào)度方案，相對(duì)符合基層廣電單位的需求。

3.4 超高清、高清同播

我國(guó)在“十三五”規(guī)劃中明確提出，適時(shí)開播4K 超高清電視頻道，推動(dòng)構(gòu)建高清、超高清電視混合播出系統(tǒng)。可以預(yù)見，在接下來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間，超高清與高清同播將會(huì)一直存在。HDR，BT.2020與高清SDR，BT.709 共存，給同播帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。為確保用戶終端看到不失真的節(jié)目畫面，需在播出環(huán)節(jié)嚴(yán)格規(guī)范超高清與高清的上下變換。同時(shí)，由于歷史原因，4K 用戶的終端電視仍有大量電視機(jī)不支持高色域、高動(dòng)態(tài)，造成用戶電視畫面出現(xiàn)失真現(xiàn)象。為此，信號(hào)變換中，設(shè)備的選型、參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要。特別是HDR-SDR 過程中，亮度、色彩等方面與高清畫面之間容易出現(xiàn)視覺上的差距，顯得相對(duì)偏灰、偏淡。因此在轉(zhuǎn)換中，參考基準(zhǔn)亮度和參考白電平等參數(shù)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，以保證播出效果。

由于基層電視臺(tái)的高清建設(shè)起步相對(duì)較晚，超高清的推出還需一定時(shí)日來(lái)逐步推進(jìn)，先期可利用原高清的播控通道嘗試搭建一條測(cè)試的IP 超高清通道，摸索IP 超高清播控系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)、管理等經(jīng)驗(yàn)，掌握IP 化技術(shù)和特點(diǎn)，為下一步全面推行IP 化打好基礎(chǔ)。

因先期IP 通道依托原高清通道，建議暫緩考慮冗余。利用高清通道建設(shè)4K IP 化的方案如圖4 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

超高清時(shí)代的到來(lái)，對(duì)播控技術(shù)提出了更高的要求，但相關(guān)的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷地研發(fā)和完善中?；鶎与娨暸_(tái)如何找到一條適合自己的技術(shù)道路，仍是目前各地發(fā)展超高清的難點(diǎn)。在規(guī)劃與設(shè)計(jì)中兼顧技術(shù)與安全、長(zhǎng)遠(yuǎn)與現(xiàn)狀、投入與產(chǎn)出，是廣電技術(shù)從業(yè)者在技術(shù)架構(gòu)選擇中須認(rèn)真思考的問題。

圖4 利用高清通道建設(shè)4K IP 化