北京冬奧會8K超高清電視國際公共信號制作綜述

周磊

（中央廣播電視總臺，北京 100020）

1 引言

北京冬奧會舉國關(guān)注、舉世矚目。中央廣播電視總臺深入貫徹“5G+4K/8K+AI”戰(zhàn)略布局，充分踐行“科技冬奧·8K 看奧運(yùn)”戰(zhàn)略目標(biāo)，緊緊圍繞“精彩呈現(xiàn)、深入闡釋、全面展示”制作要求，積極推進(jìn)“思想+藝術(shù)+技術(shù)”融合傳播，采用世界最高電視制播技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依托最先進(jìn)的4K/8K 兼容制作全I(xiàn)P架構(gòu)超高清轉(zhuǎn)播系統(tǒng)及各類型高精尖特種設(shè)備，圓滿完成開閉幕式及部分重要賽事8K 公共信號制作任務(wù)，為中國乃至全球觀眾呈現(xiàn)了豐富多彩的奧運(yùn)盛宴。在冬奧會歷史上首次實現(xiàn)8K 制作播出，成功實現(xiàn)“科技冬奧·8K 看奧運(yùn)”目標(biāo)，是史上最具“科技驅(qū)動力”的奧運(yùn)會。

2 8K超高清電視公共信號制作

北京冬奧會期間，中央廣播電視總臺與奧林匹克廣播服務(wù)公司（OBS）深入合作，按照“整體布局，突出重點”的技術(shù)適配原則，采用世界最新電視制播技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)用多套頂級8K 轉(zhuǎn)播系統(tǒng)完成了多項賽事的8K 公共信號制作。使用總臺為冬奧會8K 轉(zhuǎn)播項目新建造的A 級4K/8K 超高清轉(zhuǎn)播車（A6）承擔(dān)冬奧會開閉幕式8K 公共信號制作任務(wù)，使用2套大型4K/8K超高清箱載式EFP 系統(tǒng)，分別承擔(dān)速度滑冰和自由式滑雪/單板滑雪大跳臺8K 信號制作，與北京超高清協(xié)同中心合作調(diào)用一輛8K 轉(zhuǎn)播車，承擔(dān)花樣滑冰/短道速滑賽事8K 轉(zhuǎn)播任務(wù)。與此同時，在8K 賽事信號制作基礎(chǔ)上，大力增加8K 品質(zhì)節(jié)目及衍生內(nèi)容制作，為“百城千屏”8K 超高清推廣以及總臺8K 超高清頻道提供了珍貴的頂級賽事8K直播資源［1］。

2.1 開/閉幕式8K公共信號制作

北京冬奧會于2月4日在國家體育場隆重開幕，于2月20日落下帷幕，讓全世界見證了“中國式浪漫”?？偱_調(diào)用1 輛“中國紅”A6 4K/8K 超高清轉(zhuǎn)播車及技術(shù)保障團(tuán)隊，現(xiàn)場參與節(jié)目制作共15路，包括8K原生有線訊道7個（包括國家體育場內(nèi)6個機(jī)位、TVS 樓頂1個景觀機(jī)位）；接入由 OBS 提供的 6 路 4K 信號、2 路4K插播信號及1路高清字幕信號，統(tǒng)一經(jīng)上變換參與節(jié)目制作；創(chuàng)新使用1臺國產(chǎn)8K小型化廣播級攝像機(jī)作為外景機(jī)位參與制作，圓滿完成開/閉幕式自由式滑雪大跳臺/單板滑雪大跳臺8K公共信號制作及轉(zhuǎn)播系統(tǒng)技術(shù)保障任務(wù)。圖1 給出了開/閉幕式8K 公共信號制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2 給出了開/閉幕式8K 公共信號轉(zhuǎn)播系統(tǒng)技術(shù)保障現(xiàn)場畫面。

圖2 開/閉幕式8K公共信號轉(zhuǎn)播系統(tǒng)技術(shù)保障

2.2 自由式滑雪/單板滑雪大跳臺8K公共信號制作

北京冬奧會期間，自由式滑雪大跳臺/單板滑雪大跳臺賽事在首鋼滑雪大跳臺舉行?？偱_調(diào)用1套大型4K/8K超高清EFP系統(tǒng)，現(xiàn)場參與節(jié)目制作共13路信號，包括8K原生有線訊道6個，4K AI時間切片系統(tǒng)1 路，接入 OBS 提供的 4K 外來信號 4 路，均通過 12G光傳經(jīng)過SNP轉(zhuǎn)換成IP流再上變換為8K信號參與制作，以及8K 慢動作插播信號2 路。創(chuàng)新使用8K 超高清IP 凈切換交換系統(tǒng)和4K AI 時間切片系統(tǒng)，圓滿完成自由式滑雪大跳臺/單板滑雪大跳臺8K公共信號制作及轉(zhuǎn)播系統(tǒng)技術(shù)保障任務(wù)。圖3 給出了自由式滑雪/單板滑雪大跳臺賽事8K 公共信號制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 自由式滑雪/單板滑雪大跳臺賽事8K公共信號制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 速度滑冰賽事8K公共信號制作

北京冬奧會期間，速度滑冰賽事在國家速滑館“冰絲帶”舉行?？偱_調(diào)用1 套大型4K/8K 超高清EFP 系統(tǒng)，現(xiàn)場參與節(jié)目制作共12 路信號，包括8K原生有線訊道6個，創(chuàng)新使用2 臺國產(chǎn)8K 廣播級攝像機(jī)和國產(chǎn)8K 收錄播放機(jī)進(jìn)行節(jié)目制作，圓滿完成速度滑冰8K 公共信號制作及轉(zhuǎn)播系統(tǒng)技術(shù)保障任務(wù)。圖4 給出了速度滑冰賽事8K 公共信號制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 速度滑冰賽事8K公共信號制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作

作為冬奧會重點賽事，花樣滑冰和短道速滑落戶于北京首都體育館。總臺聯(lián)合超高清視頻（北京）制作技術(shù)協(xié)同中心，使用一輛8K 超高清轉(zhuǎn)播車，全程使用JPEG?XS編碼技術(shù)實現(xiàn)壓縮傳輸，共同完成花樣滑冰/短道速滑賽事8K信號單邊包裝制作任務(wù)。現(xiàn)場設(shè)置2臺原生8K訊道攝像機(jī)，配置2個8K長焦鏡頭，接收2路外來信號（TOC的8K dirty PGM、4K dirty PGM信號）；再配合原生8K慢動作回放系統(tǒng)，實現(xiàn)全流程8K信號制作；音頻系統(tǒng)采用收取NHK 8K PGM的22.2三維聲下混到5.1.4全景聲來制作。圖5給出了花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作轉(zhuǎn)播系統(tǒng)技術(shù)保障現(xiàn)場畫面。

圖5 花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作轉(zhuǎn)播系統(tǒng)技術(shù)保障

3 8K超高清公共信號技術(shù)創(chuàng)新

作為冬奧會史上最具“科技驅(qū)動力”的奧運(yùn)會，北京冬奧會8K 公共信號制作取得多項技術(shù)創(chuàng)新，全方位打造“科技冬奧”應(yīng)用創(chuàng)新的“中國方案”。

3.1 全面采用4K/8K 兼容制作超高清IP 架構(gòu)超高清轉(zhuǎn)播系統(tǒng)

為適配冬奧會轉(zhuǎn)播需求，中央廣播電視總臺提前布局，全面推進(jìn)4K/8K 超高清轉(zhuǎn)播系統(tǒng)建設(shè)。特別是新建A 類4K/8K 超高清轉(zhuǎn)播車采用全I(xiàn)P 架構(gòu)，使用SMPTE 2110 標(biāo)準(zhǔn)作為8K 視音頻傳輸協(xié)議，支持8K分辨率輸出、10Bit 色彩深度、高動態(tài)范圍、ITU-RBT.2020 寬色域、50 幀逐行掃描，同時兼容8K和4K 制作需求，具有極強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，完全滿足北京冬奧會8K和4K國際公共信號制作需求。

轉(zhuǎn)播車車體使用內(nèi)外套大跨度雙側(cè)拉結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新研發(fā)了電控側(cè)拉箱和國產(chǎn)液壓支撐腿系統(tǒng)，轉(zhuǎn)播車體展開后使用面積從29.6 平米提升到66.6 平米，共設(shè)置6個工作域，節(jié)目制作和技術(shù)支持工位達(dá)50個，有效地提升了轉(zhuǎn)播車的工作效率和能力，以及轉(zhuǎn)播車現(xiàn)場部署便利性及安全性。圖6給出了新建A類4K/8K超高清轉(zhuǎn)播車車體及車內(nèi)布局圖。

圖6 新建A類4K/8K超高清轉(zhuǎn)播車車體及車內(nèi)布局圖

3.2 8K公共信號制作實現(xiàn)從制作到傳輸全I(xiàn)P架構(gòu)

冬奧會期間，前方各賽事8K 公共信號轉(zhuǎn)播系統(tǒng)全部采用IP 架構(gòu)。在開/閉幕式8K 公共信號轉(zhuǎn)播期間，技術(shù)人員搭建轉(zhuǎn)播車——IBC 機(jī)房——臺內(nèi)演播室全鏈路完整IP 通路，采用ST2110 協(xié)議，將前方4K/8K 轉(zhuǎn)播系統(tǒng)主備核心交換機(jī)使用2個100G 端口與IBC 機(jī)房進(jìn)行系統(tǒng)IP 直連，在IBC 端直接接入總控核心IP 調(diào)度系統(tǒng)中。通過4個視頻流、2個音頻流、1個輔助數(shù)據(jù)流的方式傳輸一路8K IP 信號，世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)冬奧會開/閉幕式及部分重要賽事8K無壓縮IP傳輸。圖7給出了開/閉幕式8K信號無壓縮IP傳輸結(jié)構(gòu)圖。

圖7 開/閉幕式8K信號無壓縮IP傳輸結(jié)構(gòu)圖

在冬奧會花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作中，首次使用JPEG?XS編碼技術(shù)實現(xiàn)8K制作IP傳輸。JPEG?XS編碼技術(shù)支持多種圖像格式，原生支持8K視頻分辨率。在一定壓縮比下編碼質(zhì)量接近視覺無損，多次迭代編解碼后的圖像質(zhì)量高，同時其超低壓縮延時的特點可以滿足制播域內(nèi)的信號處理要求，支持流化信號和文件兩種格式，可基于SMPTE 2110?22協(xié)議進(jìn)行IP傳輸。轉(zhuǎn)播期間，由于首都體育館帶寬資源有限，將8K視頻信號分解為4路12G基帶SDI信號，通過10∶1的壓縮比編碼封裝為4路XS IP信號，同時符合2022?7標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)8K信號傳輸。圖8給出了花樣滑冰/短道速滑賽事8K JPEG?XS編碼傳輸架構(gòu)圖。

圖8 花樣滑冰/短道速滑賽事8K JPEG?XS編碼傳輸架構(gòu)圖

3.3 多款國產(chǎn)電視裝備彰顯技術(shù)優(yōu)勢

為打破廣電行業(yè)長期依賴國外進(jìn)口設(shè)備的局面和瓶頸，中央廣播電視總臺充分踐行科技冬奧創(chuàng)新理念，大力發(fā)揮國產(chǎn)技術(shù)優(yōu)勢，不斷進(jìn)行自主研發(fā)，設(shè)備國產(chǎn)替代進(jìn)程逆勢而上，取得重要突破。

4K/8K 超高清轉(zhuǎn)播系統(tǒng)方面，所有“中國紅”4K/8K 超高清轉(zhuǎn)播車及配套輔助車均采用國產(chǎn)車體，視頻核心調(diào)度系統(tǒng)均使用自研集中控制系統(tǒng)、8K 廣播級攝像機(jī)、8K 超高清IP 凈切換交換機(jī)、4K/8K 監(jiān)視器以及在線包裝系統(tǒng)、虛擬合成系統(tǒng)等，在超高清信號采集、調(diào)度、終端呈現(xiàn)等方面實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化應(yīng)用，有力地推動了我國8K/4K電視裝備的國產(chǎn)化。

各類型特種設(shè)備方面，“獵豹”超高速4K軌道拍攝系統(tǒng)、錐桶無線傳輸攝像機(jī)、陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)、AI時間切片系統(tǒng)等高精尖特種設(shè)備均為總臺自主研發(fā)，顯著提升了4K/8K公共信號制作水平，充分彰顯了國產(chǎn)技術(shù)的硬核實力。

（1）自研“獵豹”超高速4K軌道拍攝系統(tǒng)充分展現(xiàn)賽事特點

為契合OBS對速度滑冰賽事轉(zhuǎn)播高速度、寬視野和多角度呈現(xiàn)的技術(shù)需求，總臺潛心研發(fā)多款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精尖特種設(shè)備。而贏得全網(wǎng)重點關(guān)注的“獵豹”超高速4K軌道拍攝系統(tǒng)就是其中最具代表性的高尖端重型特種設(shè)備，全面契合速度滑冰賽事特點。該系統(tǒng)由高速軌道系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、4K圖像傳輸及陀螺儀遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等部分組成，采用感應(yīng)式直線電機(jī)驅(qū)動方式，搭載國產(chǎn)五軸陀螺穩(wěn)定云臺和圖像采集系統(tǒng)，最高速度達(dá)25米/秒（是高于速滑運(yùn)動員速度的更快速度），加減速度大于3.5米/平方秒，可滿足高速直道和彎道運(yùn)動項目4K跟蹤拍攝需求。且軌道電機(jī)、陀螺減震、微波通訊等關(guān)鍵構(gòu)件均采用國產(chǎn)設(shè)備。該系統(tǒng)完全契合科技冬奧創(chuàng)新理念，打破了歐美在高端影視直播特種拍攝設(shè)備領(lǐng)域的壟斷，是全世界僅有的兩套可滿足冬奧會等世界頂級賽事的超高速軌道拍攝系統(tǒng)之一，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

為充分契合國家速滑館賽道和OBS拍攝需求，技術(shù)人員在U型軌道上高速運(yùn)行時，通過布設(shè)雙層護(hù)擋板、優(yōu)化系統(tǒng)延時量、配置電子剎車和機(jī)械剎車雙重保險、設(shè)置終端安全系統(tǒng)等多重技術(shù)手段，保障設(shè)備安全運(yùn)行。采用移動供電技術(shù)實現(xiàn)高速運(yùn)行實時大功率供電；采用多軸陀螺穩(wěn)定技術(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定畫面拍攝；采用數(shù)據(jù)打包技術(shù)將多碼率、非同步的多種雙向數(shù)據(jù)源實現(xiàn)單一頻點占用的數(shù)據(jù)鏈，提高信道抗干擾性；采用磁制動器牽引阻攔索方式進(jìn)行終端安全保護(hù)；采用超級電容存儲技術(shù)實現(xiàn)軌道車自主剎車；將驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)和變頻器分離，達(dá)到最佳的制動和響應(yīng)效果。圖9給出了超高速4K軌道拍攝系統(tǒng)架設(shè)示意圖，圖10給出了超高速4K軌道拍攝系統(tǒng)參與完成速度滑冰賽事8K公共信號制作現(xiàn)場畫面。

圖9 超高速4K軌道拍攝系統(tǒng)架設(shè)示意圖

圖10 超高速4K軌道拍攝系統(tǒng)參與完成速度滑冰賽事8K公共信號制作

（2）自研4K AI 時間切片系統(tǒng)實時精準(zhǔn)還原滑雪跳臺運(yùn)動員技術(shù)動作

該系統(tǒng)運(yùn)用運(yùn)動捕捉和時間切片技術(shù)，還原和解析運(yùn)動軌跡和動作細(xì)節(jié)，完成運(yùn)動姿態(tài)和技術(shù)動作的三維定格回放，實時精準(zhǔn)還原了谷愛凌、蘇翊鳴等挑戰(zhàn)奪冠選手的高難度技術(shù)動作。該系統(tǒng)基于AI深度學(xué)習(xí)算法，結(jié)合視覺暫留技術(shù)、圖形學(xué)、圖像學(xué)及自動化控制技術(shù)構(gòu)成AI圖像處理系統(tǒng)，只需15秒就可完成技術(shù)動作剝離運(yùn)算和時間切片包裝渲染，實現(xiàn)逐幀呈現(xiàn)和提煉放大的“時間切片”數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)效果，并結(jié)合AR技術(shù)實現(xiàn)多種虛擬影像呈現(xiàn)，具有智能化、多樣性和及時性等特點，可充分滿足電視直播實時性需求［1］。

該系統(tǒng)性能優(yōu)異，打破了國外公司長期的技術(shù)壟斷，在系統(tǒng)渲染能力、數(shù)據(jù)計算時間等方面遠(yuǎn)優(yōu)于國外同類設(shè)備。顯著提升自由式滑雪/單板滑雪大跳臺4K/8K 公共信號制作水平，獲得OBS 高度贊賞和廣泛關(guān)注。圖11給出了AI時間切片系統(tǒng)參與完成滑雪大跳臺賽事8K公共信號制作現(xiàn)場畫面。

圖11 AI 時間切片系統(tǒng)參與完成滑雪大跳臺賽事8K公共信號制作

（3）自研多個國產(chǎn)8K 廣播級攝像機(jī)圓滿完成8K公共信號制作

首次使用一臺國產(chǎn)8K 小型化廣播級攝像機(jī)，作為外景機(jī)位參與完成冬奧會開閉幕式8K 公共信號制作；首次使用2 臺國產(chǎn)8K 廣播級攝像機(jī)，參與完成冬奧會速度滑冰8K公共信號制作。

各臺8K 廣播級攝像機(jī)均支持現(xiàn)有廣電標(biāo)準(zhǔn)的BT2020色域與HDR曲線，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)滿足行業(yè)8K技術(shù)規(guī)范，完美適配8K 超高清轉(zhuǎn)播系統(tǒng)，拍攝畫質(zhì)優(yōu)異。圖12給出了國產(chǎn)8K廣播級攝像機(jī)參與完成冬奧會多賽事8K公共信號制作現(xiàn)場畫面。

圖12 國產(chǎn)8K廣播級攝像機(jī)參與完成冬奧會多賽事8K公共信號制作

（4）試制8K 超高清IP 凈切換交換機(jī)系統(tǒng)圓滿完成8K公共信號制作

該系統(tǒng)是國際上首個基于交換機(jī)的8K 超高清視頻凈切換系統(tǒng)。由IP交換機(jī)和控制服務(wù)器組成，其中100G 端口可編程IP 交換機(jī)負(fù)責(zé)8K 視頻流的傳輸、調(diào)度和切換，控制服務(wù)器負(fù)責(zé)控制。圖13 給出了8K 超高清IP凈切換交換機(jī)設(shè)備圖。

圖13 8K超高清IP凈切換交換機(jī)設(shè)備圖

該系統(tǒng)支持多種格式視頻凈切換和超高清4K/8K 多分辨率，可實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換，切換端到端時延一幀以內(nèi)，輸出圖像不夾幀、不黑場、不卡頓。在轉(zhuǎn)播系統(tǒng)中與葉/脊交換機(jī)相連，接收葉/脊交換機(jī)拉取由攝像機(jī)/CCU/SNP 生成的多路8K 流，進(jìn)行凈切換后轉(zhuǎn)發(fā)切換后的視頻流到葉/脊交換機(jī)，之后進(jìn)行節(jié)目的播放。

北京冬奧會期間，作為新建4K/8K 超高清EFP 系統(tǒng)的應(yīng)急切換系統(tǒng)，運(yùn)行可靠，性能良好，圓滿完成自由式/單板滑雪大跳臺賽事8K 公共信號制作任務(wù)，充分彰顯科技冬奧創(chuàng)新理念。

4 結(jié)束語

中央廣播電視總臺北京冬奧會8K 公共信號制作傳播效果顯著，取得矚目成績。在冬奧會歷史上首次實現(xiàn)8K 制作播出，以獵豹為代表的高精尖國產(chǎn)特種設(shè)備的成功亮相成為了全球焦點，以國際一流新型主流媒體制播水準(zhǔn)傾情展現(xiàn)了精彩、非凡、卓越的奧林匹克新篇章。同時對整個行業(yè)起到了超強(qiáng)的示范應(yīng)用效應(yīng)，極大地推動了8K 超高清電視制播體系的建設(shè)以及我國超高清全產(chǎn)業(yè)鏈的跨越式發(fā)展。