適用于高職院校的小型超高清虛擬演播室探索

呂米佳

（廣州城市職業(yè)學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510405）

0 引 言

近三十年來(lái)，電視視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從標(biāo)清、全高清、4K超高清（Ultra High Definition，UHD）到8K超高清的轉(zhuǎn)變。2012年，由日本NHK電視臺(tái)提出的7 680×4 320分辨率正式被國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）認(rèn)可為8K標(biāo)準(zhǔn)并對(duì)外發(fā)布。2018年，NHK電視臺(tái)正式宣布8K電視信號(hào)正式開(kāi)播[1]。

在國(guó)內(nèi)，2020年，新華社首次采用“5G+8K+衛(wèi)星”實(shí)時(shí)報(bào)道全國(guó)兩會(huì)。2022年，北京組織建立了全球首個(gè)城市級(jí)8K播放體系，開(kāi)通了國(guó)內(nèi)首個(gè)8K頻道用以直播北京冬奧會(huì)。

廣州城市職業(yè)學(xué)院的虛擬演播室始建于2007年，最初是基于SDTV標(biāo)清標(biāo)準(zhǔn)的演播室。2012年，演播室升級(jí)為HDTV全高清標(biāo)準(zhǔn)。近幾年，學(xué)院也在持續(xù)購(gòu)入4K超高清設(shè)備。2022年，隨著新校區(qū)的建設(shè)發(fā)展，學(xué)院也開(kāi)始著手探索8K超高清演播室建設(shè)。

1 超高清技術(shù)

1.1 超高清分辨率

超高清是近三十年來(lái)歷經(jīng)標(biāo)清、高清、全高清發(fā)展而來(lái)的最新一代的視頻技術(shù)，由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU制定，在廣播電視領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在ITU制定的BT.2020規(guī)范中，超高清共有兩個(gè)階段：第一階段稱為4K UHD，分辨率為3 840×2 160，第二階段為8K UHD，分辨率為7 680×4 320。

高分辨率是超高清最顯著的特點(diǎn)。8K超高清視頻顯示的像素相當(dāng)于16個(gè)全高清視頻或者4個(gè)4K視頻的像素之和，7 680×4 320分辨率一幀畫面的總像素就達(dá)到了33 177 600，其物理清晰度相對(duì)4K大幅提升。但對(duì)超高清畫面的視覺(jué)感官，還應(yīng)包括動(dòng)態(tài)范圍、色彩空間、色彩位深度及幀速率等多重因素。

1.2 高動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍，指視頻中反映人眼所能看到的最亮白色與最暗黑色之間的顏色和對(duì)比度。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR），而高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）可以使視頻畫面的更具有真實(shí)感。HDR有多種形式，目前4K超高清中最常見(jiàn)的是HLG（混合對(duì)數(shù)伽馬），最初由英國(guó)BBC電視臺(tái)和日本NHK電視臺(tái)提出，廣泛應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域，優(yōu)點(diǎn)是兼容性較好，但由于不能提供元數(shù)據(jù)，因此在后期空間上具有一定的局限性。比HLG更佳的是依照SMPTE ST2084標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的HDR10，可以帶有靜態(tài)元數(shù)據(jù)。此外，還有HDR10+、高級(jí)HDR、杜比視界等標(biāo)準(zhǔn)，可帶動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)，可以在后期制作時(shí)靈活地在場(chǎng)景中更改元數(shù)據(jù)，豐富后期空間。

1.3 廣色域

色域，也就是色彩空間，指畫面中人眼可辨識(shí)的色譜中的色彩范圍。廣色域（Wide Color Gamut，WCG）能顯示更多的色彩。二十多年以來(lái)，廣色域標(biāo)準(zhǔn)一直在發(fā)展，在模擬電視的標(biāo)清時(shí)代，色彩空間標(biāo)準(zhǔn)為BT.601。到了數(shù)字電視高清時(shí)代，色彩空間逐漸擴(kuò)展到BT.709。到了超高清時(shí)代，色彩空間發(fā)展到了BT.2020和DCI-P3標(biāo)準(zhǔn)，支持更豐富的色彩。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也被稱為WCG。

1.4 高色深

色彩位深度，是指數(shù)字電視中每個(gè)像素使用的位數(shù)。通常，每個(gè)像素都由紅、綠、藍(lán)三種顏色的子像素組成。實(shí)際上，8 bit色彩位深度使用的位數(shù)為8 bit×3=24 bit，三種顏色加起來(lái)則有1 600萬(wàn)種色彩變化。8 bit的色彩位深度在SDR的應(yīng)用場(chǎng)景是基本夠用的，但是在超高清HDR應(yīng)用場(chǎng)景下，由于動(dòng)態(tài)范圍變大，8 bit會(huì)略顯不足。目前的高色深（High Color Depth，HCD）指的是10 bit或者12 bit的色彩位深度。其中10 bit可以使每種顏色有1 024種顏色的變化，三種顏色可超過(guò)10億種色彩變化。

1.5 高幀率

幀速率，指的是每秒畫面的幀速度，一般電影為24 f·s-1，電視為25p/50i（PAL）或29.97p/59.94i（NTSC）。高于上述幀速率的50 f·s-1、60 f·s-1，甚至是100 f·s-1、120 f·s-1被稱為高幀率（High Frame Rate，HFR），在一些運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景如賽車、體育比賽中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

1.6 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

2021年，中央廣播電視總臺(tái)發(fā)布的《8K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)要求（暫行）》的技術(shù)指標(biāo)提出，8K超高清的分辨率為7 680×4 320，幀速率為50p，HDR為HLG/1 000nit，色彩深度為10 bit，色域?yàn)锽T.2020。

2 超高清演播室的設(shè)計(jì)

廣州城市職業(yè)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院的廣播影視節(jié)目制作專業(yè)群是省級(jí)高水平專業(yè)群，精準(zhǔn)對(duì)接影視制產(chǎn)業(yè)鏈中后端。該演播室的設(shè)計(jì)應(yīng)符合行業(yè)8K超高清標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要與原有設(shè)備兼容，還應(yīng)滿足教學(xué)實(shí)訓(xùn)的要求。

2.1 超高清演播室系統(tǒng)

演播室系統(tǒng)可參考2021年中央廣播電視總臺(tái)發(fā)布的《8K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)要求（暫行）》的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足8K超高清UHDTV-2（7 680×4 320/50p，HLG/1 000nit，10 bit，BT.2020色域）的制作同時(shí)，能向下兼容UHDTV-1、HDTV、SDTV標(biāo)準(zhǔn)。

目前，8K超高清演播室制作流程有兩種方式，即基于SMPTE ST2110標(biāo)準(zhǔn)的IP化制作流程（以下簡(jiǎn)稱IP方式）和基于SMPTE ST2082標(biāo)準(zhǔn)的4×12G SDI 8K基帶信號(hào)制作流程（以下簡(jiǎn)稱SDI方式）。

IP方式是目前較為先進(jìn)的方式，中央人民廣播電視總臺(tái)已經(jīng)在2022年冬奧會(huì)8K超高清直播上進(jìn)行了實(shí)踐。其原理是將8K超高清基帶信號(hào)轉(zhuǎn)為IP信號(hào)，以IP的形式進(jìn)行信號(hào)處理，包括攝像機(jī)、切換臺(tái)、監(jiān)視設(shè)備等設(shè)備均使用IP信號(hào)在系統(tǒng)中進(jìn)行制作，實(shí)現(xiàn)高帶寬、低延時(shí)處理和傳輸[2]。視頻的格式也不再受限制，壓縮的JPEG XS、H.265格式，或者是無(wú)壓縮的8K、4K超高清格式都可以以IP方式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行處理。IP方式可脫離SDI板卡，雙向傳輸更為靈活，使資源分配和共享更為方便[3]。IP方式是未來(lái)發(fā)展的主要方向，國(guó)內(nèi)外主流媒體也在從SDI到IP化的方向轉(zhuǎn)型。

SDI方式是傳統(tǒng)演播室系統(tǒng)常用的方式，從標(biāo)清到超高清已經(jīng)發(fā)展了三十多年，主要優(yōu)勢(shì)在于延遲低、簡(jiǎn)單、可靠。電影和電視工程師協(xié)會(huì)（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）在2015年發(fā)布的ST2082標(biāo)準(zhǔn)中提出，12G-SDI可 提 供11.88 Gb·s-1帶 寬，通 過(guò) 四 鏈 路12G-SDI，可以實(shí)現(xiàn)47.52Gbp·s-1的帶寬，剛好可滿足UHDTV-2（8K）規(guī)格超高清視頻的帶寬需求。四鏈路12G-SDI的每個(gè)鏈路傳輸四分之一的8K視頻，然后將信號(hào)通過(guò)SQD（平方除法四分裂）或者2SI（兩個(gè)樣本交織）的方式組合成8K的圖像[4]。SDI方式可以兼容現(xiàn)有的攝像機(jī)、切換臺(tái)及字幕機(jī)等設(shè)備，但線路的布置會(huì)比較復(fù)雜，攝像機(jī)需要機(jī)身支持4路12G-SDI輸出，市面上可供選擇的型號(hào)不多。SDI方式技術(shù)成熟、維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)舊設(shè)備的兼容性好，成本較低，是一種成熟的解決方案。

上述兩種方式中，盡管IP方式的8K超高清制作系統(tǒng)更為先進(jìn)，也是未來(lái)的發(fā)展的方向，但藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院最終還是選擇了傳統(tǒng)的SDI方式，主要原因如下。

（1）成本控制。IP化的成本較高，核心設(shè)備被少數(shù)幾家廠家壟斷，價(jià)格高昂。而SDI方式發(fā)展了三十多年，選擇面廣，可以有效地控制成本。

（2）設(shè)備兼容。學(xué)院原有設(shè)備如攝像機(jī)、切換臺(tái)等仍在正常使用，其都是SDI接口，若強(qiáng)行IP化，這些設(shè)備可能會(huì)被淘汰。

（3）人力成本。學(xué)院現(xiàn)有人員對(duì)傳統(tǒng)SDI設(shè)備更加熟悉，若改為IP方式，將增加現(xiàn)有人員的學(xué)習(xí)成本，以及產(chǎn)生人員招聘的問(wèn)題。

2.2 演播室工作核心設(shè)備

8K超高清攝像機(jī)選擇國(guó)產(chǎn)的博冠B1 8K 50P小型化廣播級(jí)超高清攝像機(jī)。該攝像機(jī)曾在2022年北京冬奧會(huì)上進(jìn)行直播信號(hào)采集，支持7 680×4 320/50p，HLG/1 000nit，10 bit，BT.2020色域的8K超高清標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)身自帶4路12G-SDI接口，可以直接將無(wú)壓縮的8K基帶信號(hào)接入切換臺(tái)和采集工作站，從采集、制作到傳輸滿足超高清演播室制作[5]。

8K超高清切換臺(tái)選擇ATEM Constellation 8K。該切換臺(tái)搭載40路12G-SDI輸入和24路12G-SDI輸出，可以同時(shí)支持10個(gè)8K訊道，也可以將單個(gè)8K訊道靈活轉(zhuǎn)為4個(gè)4K訊道。該切換臺(tái)內(nèi)置了對(duì)講、切換、色鍵及調(diào)音臺(tái)等功能并進(jìn)行了整合，有效降低了成本，非常適合學(xué)院演播室的使用。

8K超高清錄像機(jī)選擇HyperDeck Extreme 8K HDR硬盤錄像機(jī)，支持四鏈路12G-SDI的8K基準(zhǔn)信號(hào)輸入，可應(yīng)對(duì)UHDTV-2（8K）、UHDTV-1（4K）、HDTV、SDTV等標(biāo)準(zhǔn)，兼容原有的所有設(shè)備，支持錄制H.265和ProRes格式的8K視頻文件。

基于以上選擇的主要設(shè)備，設(shè)計(jì)的演播室系統(tǒng)整體拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 演播室系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.3 虛擬演播室

目前，市面上成熟的8K超高清虛擬演播室較少，本文推薦兩個(gè)方案。

一是采用基于4K全高清的成熟產(chǎn)品，通過(guò)后期升級(jí)來(lái)獲得8K的支持。比如VisionMagic、Cgangs V3D等虛擬演播室系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可兼容無(wú)軌跟蹤和機(jī)械傳感兩種跟蹤技術(shù)。盡管這種虛擬演播室系統(tǒng)目前最高僅支持到4K超高清，但市場(chǎng)的發(fā)展速度很快，可預(yù)留升級(jí)到8K的接口。

二是采用Ulitimatte 12 8K合成處理器。該設(shè)備帶有四鏈路12G-SDI接口，可以支持8K超高清摳像。Ultimatte 12系列型號(hào)設(shè)有幀存儲(chǔ)功能，可以加載來(lái)自3D建模播出場(chǎng)景中預(yù)先渲染好的靜幀，滿足固定多機(jī)位的8K虛擬拍攝。Ulitimatte 12合成處理器還可以結(jié)合Unreal虛幻引擎進(jìn)行跟蹤[6]。

2.4 演播室的布局

由于實(shí)訓(xùn)樓的結(jié)構(gòu)限制，該演播室布局為長(zhǎng)25.2 m，寬8.4 m的長(zhǎng)方形，包含了虛擬拍攝區(qū)、超高清攝像區(qū)、工作及播控區(qū)、學(xué)生觀摩區(qū)及設(shè)備間等區(qū)域，如圖2所示。

圖2 演播室總體布局

演播室右側(cè)為學(xué)生觀摩區(qū)，采用每行10個(gè)座位、共5行的階梯座位形式。在學(xué)生觀摩區(qū)前方的左右兩側(cè)設(shè)置兩臺(tái)移動(dòng)式8K超高清的70英寸電視，便于學(xué)生仔細(xì)觀看和分析攝像畫面。中間區(qū)域?yàn)楣ぷ骷安タ貐^(qū)，兩側(cè)放置了切換臺(tái)、電視墻、錄像機(jī)、字幕機(jī)及工作站等設(shè)備，是進(jìn)行節(jié)目制作的主要實(shí)訓(xùn)區(qū)域，要預(yù)留足夠空間方便學(xué)生開(kāi)展活動(dòng)。

演播室最左側(cè)為虛擬拍攝區(qū)，其中藍(lán)箱規(guī)格為8 m長(zhǎng)、4 m深、4 m高，采用阻燃聚酯玻璃鋼拼裝組合，底漆采用美國(guó)ROSCO公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電視系統(tǒng)專用漆。

3 結(jié) 語(yǔ)

在8K超高清技術(shù)蓬勃發(fā)展時(shí)代，超高清演播室系統(tǒng)的全面IP化是先進(jìn)的技術(shù)，是發(fā)展的趨勢(shì)，但造價(jià)高昂，并非所有高職院校都有充足的預(yù)算去對(duì)標(biāo)行業(yè)高端。本文提出的小型8K超高清虛擬演播室，通過(guò)選擇四鏈路12G-SDI的技術(shù)，器材國(guó)產(chǎn)化、小型化，整合精簡(jiǎn)冗余設(shè)備，符合8K超高清的標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，降低了建設(shè)成本，為同類院校建設(shè)高性價(jià)比8K超高清虛擬演播室提供了思路。