電視播控系統(tǒng)的4K超高清改造研究

郭海紅

（吉水縣融媒體中心，江西 吉安 331600）

0 引 言

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，推動(dòng)我國(guó)電視制式從標(biāo)清到高清的發(fā)展。相比以往的2K電視，4K超高清電視在分辨率、幀率以及聲效方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，可提升超高清電視的可視度，利用先進(jìn)的播控系統(tǒng)進(jìn)而提高節(jié)目播出的流暢度，增進(jìn)觀眾觀看體驗(yàn)。當(dāng)前，國(guó)家正大力度推動(dòng)4K超高清電視播出的研究，目前有CCTV 4K頻道、地方衛(wèi)視“4K頻道”等。從廣播電視技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，電視系統(tǒng)逐步進(jìn)行超高清改造，廣播電視播控系統(tǒng)中重視TICO編解碼硬件設(shè)備的應(yīng)用，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)分析關(guān)鍵技術(shù)，探討畫面一致性比對(duì)和凈靜切換技術(shù)設(shè)計(jì)，明確4K超高清電視信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)在播控系統(tǒng)改造中的應(yīng)用，充分考慮其應(yīng)用需求，以適應(yīng)4K超高清的發(fā)展。因此，如何合理設(shè)計(jì)電視播控系統(tǒng)4K超高清改造，是當(dāng)前技術(shù)人員需要著重考慮的問(wèn)題。

1 TICO編解碼設(shè)備選型

近年來(lái)，多媒體視頻編解碼技術(shù)不斷進(jìn)步，為降低視頻數(shù)據(jù)量，在電視播控系統(tǒng)4K超高清改造中，要選用TICO編解碼設(shè)備，采用輕型視頻壓縮技術(shù)，在不改變?cè)杏布幕A(chǔ)上，利用媒體虛擬化處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)JPEG2000編解碼功能，完成4K超高清視頻內(nèi)容傳輸，從而保持質(zhì)量和位速率的平衡，提高設(shè)備的適應(yīng)性和使用周期，構(gòu)筑大型跨域SDN媒體網(wǎng)絡(luò)[1]。

針對(duì)電視播控系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合技術(shù)先進(jìn)性和安全性，TICO編碼器配置為1路UHD 4×3G-SDI同軸輸入，1路TICO3G-SDI同軸輸出，TICO解碼器配置為1路TICO3G-SDI同軸輸入，1路UHD 4×3G-SDI同軸輸出。編解碼器的具體配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TICO編解碼器配置結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)中，電視臺(tái)依據(jù)4K超高清電視節(jié)目播控技術(shù)規(guī)范，選用TICO編解碼器完成從主控到播出的4K信號(hào)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)制播域各單元間的4K信號(hào)傳輸，其中總控系統(tǒng)負(fù)責(zé)編碼，播出系統(tǒng)負(fù)責(zé)解碼。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，TICO解碼板卡解碼TICO編碼流信號(hào)。直播信號(hào)經(jīng)過(guò)TICO編碼，將4K信號(hào)淺壓縮，傳輸TICO編碼流信號(hào)至播出系統(tǒng)，經(jīng)由TICO解碼板解出符合要求的編碼流信號(hào)之后傳送至地網(wǎng)。TICO編解碼板卡進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）的4K信號(hào)解編，保證HDR的高清圖像質(zhì)量，充分保證4K信號(hào)的穩(wěn)定性，提升設(shè)備的適用性，延長(zhǎng)其使用周期。選用TICO編碼的目的是進(jìn)一步架構(gòu)4K超高清一致性檢測(cè)技術(shù)，提升播出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 畫面一致性比對(duì)設(shè)計(jì)

為保證超高清視頻的視頻信號(hào)質(zhì)量，需要引入畫面一致性對(duì)比檢測(cè)技術(shù)，分別采集4路分量的視頻信號(hào)，依照相應(yīng)的真值邏輯進(jìn)行信號(hào)完整性比對(duì)測(cè)量，明確相應(yīng)的質(zhì)量監(jiān)控關(guān)鍵性能指標(biāo)（Key Performance Indicator，KPI），保證等效的質(zhì)量控制性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)4K信號(hào)的有效控制。其中，檢測(cè)算法包括視頻一致性檢測(cè)和音頻一致性檢測(cè)。一致性檢測(cè)是指在預(yù)定時(shí)間內(nèi)對(duì)比音視頻信號(hào)的一致性，進(jìn)而同步音視頻信號(hào)[2]。通過(guò)一致性比對(duì)檢測(cè)每路3G-SDI信號(hào)，其中4K信號(hào)的視頻檢測(cè)主要針對(duì)視頻丟失和中斷、純色彩場(chǎng)等現(xiàn)象，音頻檢測(cè)主要針對(duì)音頻反相、音頻中斷以及音量偏高或偏低等現(xiàn)象。音視頻信號(hào)檢測(cè)主要體現(xiàn)在采集線程和檢測(cè)線程兩條線程上。采集線程分別通過(guò)音視頻采集卡進(jìn)行信號(hào)采集，借助回調(diào)函數(shù)處理采集數(shù)據(jù)后進(jìn)入檢測(cè)數(shù)據(jù)序列等待，檢測(cè)線程通過(guò)調(diào)用采集數(shù)據(jù)，分析、比對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4K超高清一致性檢測(cè)架構(gòu)分為四部分，分別是信號(hào)采集、信號(hào)分析、內(nèi)容比對(duì)平臺(tái)管理和客戶端。信號(hào)采集主要負(fù)責(zé)采集主末路信號(hào)，檢測(cè)所采集基帶信號(hào)的合規(guī)性；信號(hào)分析負(fù)責(zé)4K超高清內(nèi)容特征值的分析提??；內(nèi)容比對(duì)平臺(tái)管理主要負(fù)責(zé)策略制定與管理，綜合音視頻信號(hào)的比對(duì)信息以及內(nèi)容異態(tài)，判斷各路信號(hào)的一致性，依據(jù)不同場(chǎng)景檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量并在應(yīng)急條件下給出報(bào)警提示并觸發(fā)應(yīng)急切換設(shè)備；客戶端通過(guò)可視化界面展示各路信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果，并觸發(fā)自動(dòng)切換及報(bào)警提示。為保證4路3G SDI信號(hào)的一致性，各組信號(hào)兩兩對(duì)比過(guò)程中首先要做到幀對(duì)齊，接著逐幀比對(duì)。為降低誤差，技術(shù)人員使用畫面一致性比對(duì)技術(shù)，采用分段整體匹配的對(duì)齊方式，根據(jù)設(shè)定容差記錄每次對(duì)齊的偏移值，根據(jù)多次比對(duì)的偏移值是否一致判斷一致性，為下一步凈靜切換技術(shù)的應(yīng)用做準(zhǔn)備。

3 4K凈靜切換設(shè)計(jì)

在4K超高清播出系統(tǒng)中，視音頻架構(gòu)如圖3所示，主要包括4條路徑輸出的4K視頻信號(hào)，輸出信號(hào)的傳輸方式為Qua-link形式。

圖3 視音頻架構(gòu)

技術(shù)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，在鏈路末端配置4臺(tái)具有靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接和凈靜切換功能的雙路二選一主備倒換器，可提供信號(hào)輸入端口16個(gè)、輸出端口8個(gè)，有效滿足4路4K視頻信號(hào)4選1的需求。借助控制面板，實(shí)現(xiàn)在線視頻GPI通用接口連接，依據(jù)GPI控制傳輸切換指令，完成同步幀精度為基礎(chǔ)的視頻凈靜切換，實(shí)現(xiàn)4K基帶信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)交換，確保視音頻的流暢性與高幀率。同時(shí)，技術(shù)人員在系統(tǒng)中引入單向信號(hào)限制裝置，確保GPI的電勢(shì)差不受倒換器故障影響，保障4K超高清電視節(jié)目的有效傳輸。實(shí)現(xiàn)電視播控系統(tǒng)4K超高清改造，需要借助TICO解編碼設(shè)備，通過(guò)畫面一致性比對(duì)以及凈靜切換技術(shù)，完成4K超高清電視信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。

4 4K超高清電視信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)

4.1 SDI基帶信號(hào)IP化轉(zhuǎn)型

SMPTE 2110標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的無(wú)壓縮傳輸，推動(dòng)廣電制播領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。依照SDI與IP化的相互轉(zhuǎn)化工具，SDI基帶信號(hào)與IP化數(shù)據(jù)流借助IP路由切換調(diào)度，實(shí)現(xiàn)IP視頻與基帶信號(hào)間的無(wú)縫切換。利用IP化將4K超高清高碼率類型信號(hào)進(jìn)行IP化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)VANC機(jī)制下視頻同步傳輸，是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下行業(yè)的主流發(fā)展趨勢(shì)。視頻制作設(shè)備主要由IP核心交換機(jī)和IP切換臺(tái)組成，本系統(tǒng)中的IP切換臺(tái)支持4K制作字幕、在線包裝接入、DVE特效、多通道鍵控疊加、高清IP信號(hào)等[3]。無(wú)需額外的轉(zhuǎn)換設(shè)備，按需配置40 Gb·s-1光口和25 Gb·s-1光口，配置不低于2M/E的4K切換臺(tái)，同時(shí)配備相應(yīng)信號(hào)切換矩陣以及多通道錄像機(jī)，滿足復(fù)雜播出應(yīng)用需求。

同時(shí)，為充分結(jié)合傳統(tǒng)SDI鏈路與IP流鏈路，要進(jìn)行基于SDI/IP信號(hào)處理的超高清（Ultra High Definition，UHD）基帶信號(hào)IP轉(zhuǎn)化，可將無(wú)壓縮的視音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)SDI基帶信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主備信號(hào)冗余切換。在此過(guò)程中，本系統(tǒng)增加了兩個(gè)網(wǎng)關(guān)處理模塊，實(shí)現(xiàn)超高清播出視音頻鏈路上的IP鏈路備份。

4.2 SDN架構(gòu)搭建與管理

搭建軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）管理網(wǎng)絡(luò)，可以優(yōu)化傳統(tǒng)視頻播出架構(gòu)，逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，分離數(shù)據(jù)面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面，加快IP化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，進(jìn)而靈活控制網(wǎng)絡(luò)流量，為網(wǎng)絡(luò)功能完善提供方便。

作為4K超高清電視IP化架構(gòu)的核心組成部分，SDN在增進(jìn)4K超高清視頻的信號(hào)傳輸、預(yù)警、故障分析等方面都具有重要作用。借助SDN管理系統(tǒng)，能夠搭建SDN密碼管理安全機(jī)制，分級(jí)管理用戶，從而提升流量管道配置的靈活性，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)播出業(yè)務(wù)要求選取對(duì)應(yīng)傳輸通道，及時(shí)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備，從根本上規(guī)避傳輸問(wèn)題，優(yōu)化運(yùn)維流程，保障播控系統(tǒng)運(yùn)行的安全與高效，為電視播出系統(tǒng)提供強(qiáng)有力支撐。

4.3 IP流調(diào)度矩陣設(shè)計(jì)

電視播控系統(tǒng)的4K超高清改造過(guò)程中，要充分發(fā)揮IP流調(diào)度矩陣的優(yōu)勢(shì)，做好工作期間的主備并行工作，可通過(guò)以下兩種技術(shù)措施強(qiáng)化工作期間的安全保障[4-5]。

（1）根據(jù)IP流調(diào)度，提前配置斷電直通時(shí)輸出的對(duì)應(yīng)輸入流地址以及端口號(hào)，從源節(jié)目流經(jīng)由流矩陣調(diào)度切換，從新的網(wǎng)口輸出至新的交換機(jī)。

（2）斷電直通網(wǎng)卡在IP流矩陣中操作系統(tǒng)崩潰、設(shè)備問(wèn)題出現(xiàn)的同時(shí)收到系統(tǒng)指令，自動(dòng)檢測(cè)功能開(kāi)啟，1機(jī)信號(hào)不受設(shè)備崩潰或軟件故障的影響，經(jīng)斷電直通網(wǎng)卡直接傳輸至2機(jī)。

通過(guò)上述步驟，完成了電視播控系統(tǒng)的4K超高清改造，實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)層面上支持4K超高清電視播控工作的目標(biāo)，保障4K播出系統(tǒng)整體平穩(wěn)運(yùn)行。播控設(shè)備聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)，節(jié)目制播更為便捷高效。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，4K超高清電視制播控系統(tǒng)亟待創(chuàng)新改造。廣電行業(yè)要不斷提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，增進(jìn)播控系統(tǒng)的核心地位，逐步推進(jìn)4K超高清電視節(jié)目發(fā)展，多措共舉，創(chuàng)造先進(jìn)的4K超高清播控系統(tǒng)。就現(xiàn)階段技術(shù)而言，選用TICO編解碼設(shè)備、基礎(chǔ)架構(gòu)IP化是兩個(gè)重要的突破口，在關(guān)鍵技術(shù)上踐行畫面一致性比對(duì)和4K凈靜切換技術(shù)，充分發(fā)揮4K超高清電視的特點(diǎn)，能夠被觀眾認(rèn)可和接受。當(dāng)前，電視播控系統(tǒng)的超高清改造還有極大的探索空間，需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)一步總結(jié)。