電視臺(tái)超高清4K融媒體演播室視音頻系統(tǒng) 及集成部分設(shè)計(jì)研究

劉俊雄

（中山廣播電視臺(tái)，廣東 中山 528403）

0 引 言

從當(dāng)前電視臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，國(guó)家廣播電視總局提出了關(guān)于4K電視發(fā)展的相關(guān)要求，這對(duì)傳統(tǒng)的視音頻系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。為了更好地適應(yīng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，中山廣播電視臺(tái)立足于技術(shù)現(xiàn)狀和資金籌備等情況，在經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠的基礎(chǔ)上開(kāi)展了融媒體演播室視音頻系統(tǒng)的改造升級(jí)，以滿足未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)4K超高清電視節(jié)目的制作需求，值得關(guān)注。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

中山廣播電視臺(tái)擬建設(shè)一套6+1訊道4K超高清演播室系統(tǒng)，該系統(tǒng)為12G-SDI基帶制作系統(tǒng)，建成后可滿足4K超高清電視節(jié)目虛擬制作需求。從項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)來(lái)看，改進(jìn)后的電視臺(tái)要能夠滿足當(dāng)前超高清制作的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即分辨率 3 840×2 160、幀率50P（兼容60P制作）、BT.2020色域、動(dòng)態(tài)范圍符合HLG格式等。

2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本需求

2.1.1 系統(tǒng)的基本定位

該項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的電視臺(tái)超高清4K融媒體演播室視音頻系統(tǒng)及集成部分包含視頻系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、TALLY系統(tǒng)、遠(yuǎn)程制作系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等若干功能模塊，整個(gè)系統(tǒng)為12G-SDI架構(gòu)模式，能夠適應(yīng)全流程下4K HDR視頻制作的功能需求，并具有良好的應(yīng)急反應(yīng)與控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行中，根據(jù)需求設(shè)定為4K HDR與HD SDR兩種模式。

2.1.2 系統(tǒng)基本架構(gòu)

以12G-SDI為主視頻鏈路架構(gòu)構(gòu)建雙切換臺(tái)核心，采用了4K工業(yè)級(jí)大屏加4K多畫(huà)面分割器為導(dǎo)播監(jiān)視模塊，系統(tǒng)中的4×3G基帶信號(hào)可經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換后連接到系統(tǒng)中。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)兼顧了安全性、靈活性以及可拓展性的設(shè)定要求，采用了主備冗余鏈路的結(jié)構(gòu)模式，并借助一體化控制系統(tǒng)優(yōu)化完善信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)與調(diào)度控制[1]。為全面提升整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的安全性，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇無(wú)單一崩潰點(diǎn)的主備鏈路設(shè)計(jì)模式，并通過(guò)應(yīng)急預(yù)案確保單一設(shè)備發(fā)生故障的情況不會(huì)影響系統(tǒng)正常的信號(hào)輸出過(guò)程，可以滿足電視臺(tái)實(shí)時(shí)直播與節(jié)目錄制的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)方案設(shè)置了6套4K超高清演播室攝像機(jī)、1套廣播級(jí)一體化4K云臺(tái)攝像機(jī)、3套有軌跟蹤混合現(xiàn)實(shí)演播系統(tǒng)、1套4K無(wú)軌虛擬演播合成系統(tǒng)、1套12G-4K圖文包裝字幕系統(tǒng)以及 4臺(tái)硬盤錄/放像機(jī)等。考慮到系統(tǒng)未來(lái)功能拓展的需求，設(shè)置了2套機(jī)動(dòng)攝像機(jī)訊道，可以有效支持其他品牌或其他信號(hào)源的接入。除此之外，配置2M/E4K超高清切換臺(tái)為主切換，2臺(tái)1M/E4K超高清切換臺(tái)中的1臺(tái)作為備切換?；趯?duì)系統(tǒng)功能的考慮，設(shè)計(jì)方案中的視頻接入系統(tǒng)可以快速接入不同格式的信號(hào)，并且全程支持超高清HDR視頻制作，能完成超高清直播與錄播。

2.3 系統(tǒng)信號(hào)源設(shè)計(jì)

根據(jù)電視臺(tái)節(jié)目播出的要求，系統(tǒng)信號(hào)源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到系統(tǒng)節(jié)目的穩(wěn)定性與功能拓展。

（1）訊道規(guī)模設(shè)計(jì)采用“6＋1”模式，即4K超高清EFP攝像機(jī)匹配（6套）＋4K超高清云臺(tái)一體化攝像機(jī)（1套）。該設(shè)計(jì)方案下，4K云臺(tái)攝像機(jī)可以實(shí)時(shí)發(fā)送Free-D協(xié)議，根據(jù)虛擬系統(tǒng)的反饋結(jié)果運(yùn)行。

（2）設(shè)置在線包裝圖文字幕系統(tǒng)，可以提供在線包裝與制作字幕的功能。

（3）設(shè)置有軌跟蹤混合式演播系統(tǒng)，能夠支持3個(gè)訊道有軌跟蹤混合合成制作要求。

（4）配置1套無(wú)軌虛擬演播合成系統(tǒng)，可以與云臺(tái)攝像機(jī)配合來(lái)制作營(yíng)造虛擬化的節(jié)目展示 效果[2]。

（5）在視頻制作系統(tǒng)中設(shè)置8通道多格式處理器，其中有6個(gè)通道可以接入外來(lái)處理信號(hào)，符合4K高清處理格式與色彩校正的要求。另外兩個(gè)通道用于轉(zhuǎn)換輸出節(jié)目信號(hào)，能夠滿足從4K至D格式轉(zhuǎn)換的一般要求和從HDR至SDR的功能轉(zhuǎn)換設(shè)定要求。

2.4 切換設(shè)備設(shè)計(jì)

（1）在切換系統(tǒng)設(shè)備中，配置1臺(tái)4K超高清切換臺(tái)用于節(jié)目制作與切換。該切換臺(tái)有30路以上的SDI輸入接口，符合系統(tǒng)日常運(yùn)行的功能設(shè)定 要求。

（2）配置2臺(tái)4K超高清切換臺(tái)，有不少于16路的12G-SDI輸入接口。其中一臺(tái)設(shè)備安裝在飛行箱外側(cè)，用于戶外節(jié)目錄制；另一臺(tái)放置在演播室，作為節(jié)目制作的備切換。

（3）由于4K主切換臺(tái)的功能要求標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于2M/E，因此配置高于2M/E的全功能切換面板。在4K模式下，切換臺(tái)每級(jí)都配置了4個(gè)以上的鍵，并且對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中至少設(shè)置了8通道動(dòng)態(tài)畫(huà)面存儲(chǔ)器，可以支持8通道靜止畫(huà)面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。此外，該設(shè)計(jì)方案支持4通道多畫(huà)面輸出，可以作為導(dǎo)播監(jiān)看的備份通道。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）配置3臺(tái)16通道4K多畫(huà)面分割器，每臺(tái)分割器同時(shí)支持4通道視頻資料輸出的要求。在3臺(tái)分割器的支持下，能夠同時(shí)滿足12塊大屏觀看與監(jiān)控的要求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)配置12臺(tái)工業(yè)級(jí)4K監(jiān)視器，滿足全天候無(wú)縫監(jiān)控的要求。其中2臺(tái)監(jiān)視器用于導(dǎo)播主監(jiān)與預(yù)監(jiān)信號(hào)監(jiān)控，另外10臺(tái)用于多畫(huà)面同步 監(jiān)控[3]。

（3）在技監(jiān)工位設(shè)置一臺(tái)4K HDR廣播級(jí)監(jiān)視器，該監(jiān)視器可以隨時(shí)顯示系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量信息。

（4）在工位監(jiān)看位置設(shè)置4臺(tái)4K監(jiān)視器，用于監(jiān)看延時(shí)信號(hào)與外來(lái)信號(hào)。除此之外，增設(shè)解嵌監(jiān)聽(tīng)功能。

2.6 通道設(shè)計(jì)要求

根據(jù)4K超高清電視制作的相關(guān)要求，通道設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)功能拓展與技術(shù)可行性的要求。主備切換臺(tái)在輸出信號(hào)期間，可經(jīng)倒換器處理后以12G基帶形式完成輸出。此時(shí)為避免輸出過(guò)程受到限制，在設(shè)計(jì)中同時(shí)準(zhǔn)備兩臺(tái)倒換器，在輸出信號(hào)時(shí)可采用“二選一”的方法輸出信號(hào)，即使單個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障也不會(huì)影響通信效果。音頻PGM信號(hào)由基帶嵌入器處理后完成輸出，整個(gè)系統(tǒng)通道具有對(duì)加嵌的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視與監(jiān)聽(tīng)的功能[4]。此外，設(shè)置故障應(yīng)急控制系統(tǒng)，當(dāng)主鏈路發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)可以快速切換至備用鏈路。

2.7 音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以調(diào)音臺(tái)為核心，按照AES3標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)能夠滿足16聲道音頻嵌入的功能要求，同時(shí)支持單聲道、5.1聲道以及立體聲道的音頻傳播要求。該系統(tǒng)的主調(diào)音臺(tái)為16推子數(shù)字調(diào)音臺(tái)，話筒＋線路音頻大于等于16路輸入與8路輸出，同時(shí)支持16通道數(shù)字音頻輸出。周邊系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)信號(hào)分配與信號(hào)處理的相關(guān)要求，并兼顧大量信號(hào)加嵌業(yè)務(wù)處理對(duì)硬件系統(tǒng)的要求，最終確保信號(hào)可以均勻分配且不會(huì)影響音頻質(zhì)量。在監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)中設(shè)置了2臺(tái)有源監(jiān)聽(tīng)音箱，2幅專業(yè)監(jiān)聽(tīng)耳機(jī)與2臺(tái)對(duì)應(yīng)的音視頻機(jī)架監(jiān)聽(tīng)裝置。針對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的應(yīng)急狀態(tài)，采用了主備調(diào)音臺(tái)混合的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)“二選一”裝置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫隙切換。當(dāng)主調(diào)音臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，備用調(diào)音臺(tái)依然可以發(fā)出信號(hào)。

2.8 周邊設(shè)備

考慮到視音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本功能，為確保整個(gè)系統(tǒng)功能穩(wěn)定良好，設(shè)計(jì)選擇了品質(zhì)高、性能穩(wěn)定的知名品牌周邊設(shè)備。在周邊設(shè)備處理中，嚴(yán)格按照系統(tǒng)設(shè)備的使用要求，采用具有高集成度、可混插的機(jī)箱板卡結(jié)構(gòu)[5]。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)模式，方便后期檢查與運(yùn)維管理。此外，系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、嵌入/解嵌器以及幀同步器等需要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新性分析

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能設(shè)定的相關(guān)要求，在超高清演播平臺(tái)設(shè)計(jì)中同時(shí)配置了多種專業(yè)化設(shè)備。在一平臺(tái)多形式設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，兼顧新媒體、新聞、紀(jì)錄片等不同類型節(jié)目播出的要求，電視臺(tái)與設(shè)計(jì)公司技術(shù)人員進(jìn)行合作之后對(duì)超高清演播生產(chǎn)流程進(jìn)行了重構(gòu)與梳理，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間可借助自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成一系列視音頻處理工作，包括圖形渲染引擎、跟蹤設(shè)備以及燈光等的自動(dòng)化管控[6]。與傳統(tǒng)技術(shù)方案相比，該技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一控制播出、統(tǒng)一制作平臺(tái)、統(tǒng)一內(nèi)容管理等方面的要求，技術(shù)人員可按照自動(dòng)化控制的要求統(tǒng)一控制播出與平臺(tái)制作等。

對(duì)于當(dāng)前的廣播電視行業(yè)而言，新媒體技術(shù)帶來(lái)的沖擊不容忽視。為了順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，充分考慮到人們參與節(jié)目的可能性，在設(shè)計(jì)方案中利用無(wú)代碼化節(jié)點(diǎn)編輯的手段實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)三維可視化和快速交互，可以在外部數(shù)據(jù)支撐的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)演播平臺(tái)與外場(chǎng)觀眾之間的互動(dòng)，有助于擴(kuò)大電視臺(tái)受眾范圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)案例分析，該音頻系統(tǒng)及集成部分設(shè)計(jì)方案在技術(shù)上具有可行性，能夠支持電視臺(tái)超高清節(jié)目制作的基本要求。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案相比，所提出的設(shè)計(jì)方案在技術(shù)手段與設(shè)計(jì)思路上都實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，符合未來(lái)社會(huì)發(fā)展的基本要求，能夠滿足未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)電視臺(tái)業(yè)務(wù)工作的需求，值得類似項(xiàng)目借鑒參考。