廣播電視臺中的4K 超高清播出系統(tǒng)應用

李嘉林

（電影衛(wèi)星頻道節(jié)目制作中心，北京 100088）

0 引言

當前，4K 超高清電視迅速發(fā)展，廣播電視臺要深刻認識到4K 超高清播出系統(tǒng)的優(yōu)勢，并加強相關建設和應用，提高廣播電視臺的技術水平，為觀眾提供高度清晰的觀看體驗。

1 4K 超高清音視頻的技術要求

1.1 更高清晰度和幀頻

4K 超高清視音頻要求3 840×2 160 的分辨率，要求顯示點數(shù)是高清視頻的4 倍。同時，4K 要求50 幀以上的逐行掃描，最高幀頻保持為100～120幀。超高幀頻能形成更流暢細膩的畫面，但對寬帶和存儲也提出了更高的要求[1]。

1.2 寬色域

從色域范圍來看，標準清晰度（Standard Definition，SD）和高清晰度（High Definition，HD）相同，均為Rec.709 以內(nèi)，但4K 要求的色域范圍為Rec.2020。與高清電視相比，4K 超高清電視具有更寬廣的色域和更豐富的顏色種類，能實現(xiàn)更為真實的圖像還原[2]。

1.3 高動態(tài)范圍

高清電視的動態(tài)范圍遵循標準尺寸比（Standard Dimension Ratio，SDR）相關標準，可以實現(xiàn)1 000 ∶1 的對比度，最高亮度為100 nit。高動態(tài)范圍（High-Dynamic Range，HDR）電視的主要目標是對瞳孔保持原有狀態(tài)時相應動態(tài)范圍具備的特性進行再現(xiàn)。與SDR 電視相比，HDR 電視的峰值亮度發(fā)生了較大改變，要高于100 nit，能再現(xiàn)大部分高亮度范圍區(qū)域相應的彩色層次和灰度。

1.4 三維音頻

4K 超高清電視節(jié)目播出應支持立體聲或5.1環(huán)繞聲，有條件的可支持三維聲。三維音頻制作播出格式采用5.1.4 聲道的揚聲器布局，包含10 個聲道信號、4 個對象信號以及2 個用于自由使用或者元數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆暤馈?/p>

2 廣播電視臺中的4K 超高清播出系統(tǒng)關鍵技術

2.1 時碼控制技術

廣播電視臺在構(gòu)建4K 超高清播出系統(tǒng)的實踐過程中，以《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和交換參數(shù)值》（GY/T307-2017）具體要求為依據(jù)合理選用頻率，以50 Hz 為宜，對系統(tǒng)開展幀頻掃描。相關技術人員在設計過程中，要充分考慮系統(tǒng)適配要求，選用50P 相關技術，對播出控制相應邏輯實施優(yōu)化改進，確保系統(tǒng)所含的播控軟件能準確地對播出單中的50P 文件進行識別，而且形成的操作指令具有正確性。通過視頻數(shù)據(jù)采集程序（Video Data Collection Program，VDCP）協(xié)議，向服務器傳輸生成的具體指令，有效保障播出控制邏輯的正確性。相關指令被服務器正常接收后，實施映射轉(zhuǎn)換。在此過程中，運用操作指令所含的的幀位置，以縱向時間碼（Longitudinal Time Code，LTC）+垂直間隔時間編碼（Vertical Interval Time Code,VITC）的格式進行呈現(xiàn)。與此同時，系統(tǒng)將對應于文件時碼軌的VITC和LTC 數(shù)據(jù)作為依據(jù)對幀精度進行準確定位[3]。

2.2 4K 畫面一致性比對技術

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控和音頻監(jiān)控一般只通過內(nèi)核編程接口（Kernel Programming Interface，KPI）對畫面存在的問題進行分析，KPI 報警通常會對時間閾值造成延長，進而影響報警的及時性。對此，相關技術人員展開設計時要應用4K 畫面一致性比對技術分析KPI 報警固有的缺陷，并對其加以彌補。及時準確地采集4 路不同的4K 信號，結(jié)合相應的真值邏輯增強對4K 信號的精準監(jiān)控，并形成有效的判斷，保障4K 信號與服務器對4K 畫面相應的輸入需求相符[4]。連接信號一致性對比儀，同時連接12個3G-SDI 輸入端口，并標記4 路數(shù)字分量串行接口（serial digital interface，SDI）信號，提升信號傳輸相應邏輯的完整性。在對比過程中，對于兩路信號中相同位置的1/4 畫面，設備會實施兩兩比對。當比對發(fā)現(xiàn)1/4 畫面存在較大差異時，可作出正確判斷，即兩路不同4K 信號存在一定的差異。對于3 路不同信號來說，要兩兩展開比對。通過對各類4K 信號的具體參數(shù)加以分析，為操作人員提供必要的參考[5]。

應用畫面一致性比對技術時，所遵循的運行邏輯如下。當畫面表現(xiàn)為單路信號內(nèi)容不一致、無KPI 報警且當前輸出信號與某路備選畫面一致時，建議操作為不切換；當畫面表現(xiàn)為單路信號內(nèi)容不一致、當前輸出信號與其他兩路畫面不一致但無KPI 報警時，建議操作為不切換；當畫面表現(xiàn)為三路畫面均不一致、當前輸出信號無KPI 報警時，建議操作為不切換；當畫面表現(xiàn)為三路畫面均不一致，當前輸出信號有KPI 報警時，建議操作為根據(jù)規(guī)定的優(yōu)先級自動切換另一路畫面[6]。

3 廣播電視臺中4K 超高清播出系統(tǒng)實踐分析

廣播電視臺4K 超高清播出系統(tǒng)采用4 路3G SDI 基帶架構(gòu)，核心視頻服務器采用all in one 結(jié)構(gòu)，為IP 播出提供支持，并能實現(xiàn)對4K 超高清IP 播出方式的無縫升級，對全部核心設備實施冗余備份，并配備完備的監(jiān)管系統(tǒng)。依托該播出系統(tǒng)，能有效上載、傳輸或播出4K 節(jié)目，同時還能實現(xiàn)監(jiān)聽、監(jiān)看。整體播出系統(tǒng)架構(gòu)主要包括總控系統(tǒng)、播出控制系統(tǒng)、整備系統(tǒng)、編單系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及監(jiān)管系統(tǒng)等。通過采用具有完全異構(gòu)特點的all in one 視頻服務器，顛覆了傳統(tǒng)播控軟件對多個播出設備同時控制的設計，播控軟件僅需對末端倒換器和all in one 視頻服務器進行控制，既能實現(xiàn)圖文疊加、硬盤播出以及線路直播等功能，還能實現(xiàn)應急切換[7]。

3.1 音視頻鏈路設計

核心視頻服務器依托all in one 結(jié)構(gòu)，按照節(jié)目單完成自動播出，并精準按照時間安排插入廣告，將圖文、字幕、臺標加入其中，對音頻信號進行處理，實現(xiàn)對音視頻鏈路結(jié)構(gòu)的有效簡化。播出系統(tǒng)依托SDI 架構(gòu)，結(jié)合標清黑場（Black Burst，BB）同步，與高標清播出的現(xiàn)有標準統(tǒng)一。系統(tǒng)綜合采用同構(gòu)主備播出和異構(gòu)二備播出兩類視頻服務器，主備通道通過對視頻服務器實施集群處理完成構(gòu)建，二備通道則采用單機視頻服務器，每個通道均能實現(xiàn)圖文疊加、硬盤播出以及線路直播。系統(tǒng)還對墊片播放器進行配置，保障帶臺標緊急墊播信號保持24 h正常播出，為應急播出提供信號源。將主備4×1 倒換器配置于鏈路末端。4×3G SDI 信號對此類倒換器具有適用性，能通過一鍵操作完成對換幀級別的切換，且對遠程面板控制和斷電旁通主路提供支持。

在播出正常時，播出控制機控制倒換器和視頻服務器，并根據(jù)播出串聯(lián)單完成自動播出。當信號中斷、無聲、靜幀或黑場等故障被同構(gòu)主、備路檢測到時，即自動倒換。在應急播出時，通過人工操作實現(xiàn)對各類信號的一鍵倒換。播出安全監(jiān)控模塊不僅設置有多畫面分割器，還包括在線監(jiān)測視音頻的設備。通過多畫面分割器結(jié)合4K 大屏，對總控視頻實施分配處理后形成的4×3G SDI 信號、二備視頻服務器和主備倒換器各自輸出的信號以及墊片信號展開實時監(jiān)看。在線檢測設備從技術層面對系統(tǒng)所含各節(jié)點相應的音視頻信號質(zhì)量進行檢測分析，并對主備路呈現(xiàn)的一致性實施比對監(jiān)測，對于各類信號呈現(xiàn)的異常情況及時發(fā)出報警[8]。

3.2 播出業(yè)務流程

4K 超高清頻道播出業(yè)務流程部分主要包括5大模塊，分別是節(jié)目單編排模塊、節(jié)目文件整備模塊、圖文包裝模塊、總控信號調(diào)度模塊以及播出控制模塊。

節(jié)目單編排系統(tǒng)不僅能編輯節(jié)目單，還能對其進行審核、發(fā)送。以節(jié)目單編排系統(tǒng)發(fā)送的節(jié)目單作為依據(jù)，結(jié)合圖文字幕單，整合形成最終的播出節(jié)目單。播出控制系統(tǒng)將此節(jié)目單作為依據(jù)，疊加臺標、圖文，并自動切換外來信號。文件整備系統(tǒng)能將格式不同的各類素材有效加入播出鏈路中，對外來文件、素材文件實施內(nèi)容審片處理后直接對其展開導入、轉(zhuǎn)碼處理。通過自動技審，結(jié)合人工復審對素材的正確性進行確認。將播出節(jié)目單作為依據(jù)，實現(xiàn)對遷移任務的自動發(fā)起，完成對播出服務器的提前遷移，做好待播。在節(jié)目播出過程中，播控軟件會對服務器呈現(xiàn)的工作狀態(tài)、待播節(jié)目和正播節(jié)目呈現(xiàn)的狀態(tài)進行檢測，一旦檢測出異常，會及時報警并觸發(fā)倒換器實施應急倒換或提醒值班人員通過人工手段進行干預，確保節(jié)目播出恢復正常。

從實踐出發(fā)，4K 超高清播出業(yè)務整體流程中，最重要的兩個工作項目為“節(jié)目單編排模塊”以及“播出控制模塊”。4K 超高清電視節(jié)目在進行采編工作時，所涉及到的編碼格式以及碼率能夠統(tǒng)一，可以降低信息丟失的概率，也可以避免圖像質(zhì)量下降。同時，為了保障4K 超高清節(jié)目全部素材能夠安全輸入播控系統(tǒng)，還需要對素材文件進行全面的導入、轉(zhuǎn)碼、審編等各項處理，首先采用自動技審的方式將文件由服務器遷出，再存儲至近線之中，之后進行人工復審，對近線中進行存儲的文件進行讀取，解碼后即可由技監(jiān)設備觀看素材，接著由編播人員負責針對節(jié)目端進行編輯，將使已經(jīng)準備完成的節(jié)目材料能夠完全符合頻道版面，需要將字幕單、廣告單以及節(jié)目單進行整合，呈現(xiàn)出“串聯(lián)單”的模式，再進行復核，確認無誤即可將其輸入到編單系統(tǒng)并進行備播。在播出控制模塊中，需要首先確認串聯(lián)單已于備播狀態(tài)，之后再一次檢查節(jié)目所需的各項素材是否完整存在，確認無誤之后，播控系統(tǒng)能夠以串聯(lián)單中已經(jīng)設置完成的節(jié)目視源為基礎，合理切換信號以及進行圖文掛角、臺標疊加、字幕走馬等自動控制工作，且在節(jié)目播放過程中，全部視頻服務器均受播出系統(tǒng)控制，可以保障各個節(jié)目能夠?qū)臅r間準時播出，且其中的臺標字幕、圖文內(nèi)容等可以進行全面有效的配合，也就可以為電視節(jié)目的播出質(zhì)量提供良好保障。

4 結(jié)語

4K 超高清音視頻的技術要求體現(xiàn)在更高清晰度和幀頻、寬色域、高動態(tài)范圍以及三維音頻等方面，對于廣播電視臺而言，其4K 超高清播出系統(tǒng)的關鍵技術主要包括時碼控制技術與4K畫面一致性比對技術。對此，廣播電視臺要通過視音頻鏈路設計、播出業(yè)務流程設計加強4K 超高清播出系統(tǒng)的實踐應用。