廣播電視臺4K 超高清播出關鍵技術(shù)應用

陳曉燕

（鎮(zhèn)江市廣播電視臺技術(shù)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

科技的發(fā)展和新技術(shù)的應用，使得廣播電視臺4K超高清播出越來越廣泛。為了達到相應播出效果，4K 超高清播出在高清晰度、幀頻、寬色域、高動態(tài)范圍以及三維音頻等方面的技術(shù)要求相對較高，關鍵技術(shù)主要包括時碼控制技術(shù)、4K 凈切換技術(shù)及4K 畫面一致性比對技術(shù)。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 超高清播出技術(shù)的實踐應用。

1 4K 超高清音視頻的技術(shù)要求

1.1 更高清晰度和幀頻

更高清晰度和幀頻是4K 超高清音視頻的基本技術(shù)要求。更高的清晰度是指在4K 超高清音視頻中能夠呈現(xiàn)更多的像素。傳統(tǒng)的高清視頻分辨率為1 920×1 080，而4K 超高清視頻的分辨率達到了3 840×2 160，相比之下，像素數(shù)量提升為原來的4 倍。這意味著觀眾能夠看到更多的細節(jié)，如更清晰的圖像輪廓、更真實的顏色和更豐富的紋理。為了實現(xiàn)更高的清晰度，攝像設備需要具備更高的像素密度，顯示屏幕需要有更多的像素點，傳輸設備和網(wǎng)絡也需要具備足夠的帶寬和速度[1]。

更高的幀頻是指在4K 超高清音視頻中每秒呈現(xiàn)的圖像幀數(shù)更多。傳統(tǒng)的視頻通常以每秒24 幀的速度播放，而4K 超高清視頻通常以每秒60 幀的速度播放。通過增加幀頻，觀眾可以感受到更加流暢的畫面運動和更真實的動態(tài)效果。然而，要實現(xiàn)更高的幀頻，也需要更高的處理能力和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。攝像設備和顯示屏幕需要具備快速的圖像處理能力，而傳輸設備和網(wǎng)絡也需要具備足夠的帶寬和速度。為了滿足這些要求，相關行業(yè)不斷進行技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)。攝像設備不斷提升像素密度和圖像處理能力，顯示屏幕不斷增加像素點和刷新率，傳輸設備和網(wǎng)絡不斷提高帶寬和速度。同時，相關標準和協(xié)議也不斷更新，以適應4K 超高清音視頻的需求[2]。

1.2 寬色域

寬色域是指4K超高清音視頻能夠展示更豐富、更真實的顏色范圍。在4K 超高清音視頻中，寬色域的要求是非常重要的。首先，寬色域要求顯示設備能夠支持更廣泛的色彩范圍。傳統(tǒng)的標準動態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR）技術(shù)只能顯示有限的顏色范圍，而寬色域技術(shù)可以展示更多的顏色細節(jié)，使得畫面更加鮮艷生動。為了實現(xiàn)寬色域，顯示設備需要具備更高的色彩深度和更廣的色域覆蓋范圍，比如能夠顯示更多的紅綠藍（Red Green Blue，RGB）色彩。其次，寬色域要求編碼格式能夠支持更多的顏色信息。傳統(tǒng)的編碼格式如RGB和YUV 只能表示有限的顏色范圍，而寬色域需要使用更高效的編碼格式，如基于浮點數(shù)的編碼格式，才能保留更多的顏色細節(jié)。寬色域還需要支持更高的亮度范圍，以展示更加明亮的畫面，提升觀影體驗。寬色域要求傳輸和存儲介質(zhì)具備更大的容量和更快的傳輸速度。寬色域的音視頻文件通常會比傳統(tǒng)的SDR 文件更大，因為它需要存儲更多的顏色信息。在傳輸過程中，寬色域文件需要更高的帶寬來保證數(shù)據(jù)的傳輸速度和質(zhì)量。最后，寬色域的要求還包括后期制作和顯示設備之間的標準化。為了保證寬色域的一致性和互操作性，需要制定統(tǒng)一的色彩標準和色域范圍，以確保不同設備之間的兼容性和畫面質(zhì)量的一致性。

1.3 高動態(tài)范圍

高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）是指在4K 超高清音視頻中對于圖像亮度和對比度的更高要求。傳統(tǒng)的視頻技術(shù)在顯示亮度和對比度方面受到一定限制，導致畫面在亮部和暗部細節(jié)表現(xiàn)不佳，造成畫面失真和色彩失真的問題。HDR 技術(shù)通過增加顯示設備的亮度范圍和改善亮度調(diào)整算法，可以更準確地還原真實世界中的亮度和顏色細節(jié)。實現(xiàn)高動態(tài)范圍的關鍵是擴展亮度范圍。傳統(tǒng)視頻的亮度范圍通常在0 ～100 nits，HDR 可以將亮度范圍擴展到1 000 nits 甚至更高。這樣畫面中的亮部細節(jié)可以更加明亮、細膩，暗部細節(jié)也能夠更加清晰可見，大大提升了觀看體驗。除了亮度范圍的擴展，高動態(tài)范圍還要求更高的對比度。傳統(tǒng)視頻技術(shù)的對比度范圍通常在1 000 ∶1 左右，HDR 可以達到10 000 ∶1 甚至更高。這意味著畫面中的明暗部分能夠更加鮮明地呈現(xiàn)出來，細節(jié)更加豐富，畫面更加逼真。為了實現(xiàn)高動態(tài)范圍，4K 超高清音視頻還需要支持廣色域。廣色域是指能夠顯示更多顏色的能力。傳統(tǒng)視頻技術(shù)的色域范圍較窄，只能顯示有限的顏色，而HDR 可以擴展色域范圍，能夠呈現(xiàn)更多的顏色細節(jié)，使畫面更加鮮艷、真實[3]。

1.4 三維音頻

4K 超高清音視頻的三維音頻能夠提供更加沉浸式的觀影體驗。傳統(tǒng)的音頻只能在水平方向上提供聲音的定位，而三維音頻能夠在水平和垂直兩個方向上提供聲音的定位，使得觀眾能夠更加真實地感受到聲音的來源和位置。三維音頻的應用使得觀影者不僅能夠聽到聲音從左到右的移動，還能夠感受到聲音從上到下的移動，從而增強了觀影的沉浸感。三維音頻需要通過精確的聲音定位算法和高品質(zhì)的音響設備確保聲音能夠準確地傳遞到觀眾的耳朵。觀眾可以更加真實地感受到聲音的來源和位置，增強觀影的沉浸感，提升對場景的感知能力。

2 廣播電視臺4K 超高清播出技術(shù)的應用

2.1 時碼控制技術(shù)

時碼控制技術(shù)在實現(xiàn)高清畫面的精準播出和同步傳輸方面起著重要的作用。首先，時碼控制通過為每一幀圖像分配獨立的時間碼，確保播出系統(tǒng)能夠準確地識別和處理不同的畫面。這樣一來，廣播電視臺就能夠在播出過程中實現(xiàn)無縫切換不同畫面，提供流暢的觀看體驗。同時，還能夠確保廣播電視臺內(nèi)部各個部門之間的工作協(xié)調(diào)，比如剪輯、特效、音頻等部門可以根據(jù)時間碼進行精確的配合工作，提高工作效率。其次，時碼控制可以實現(xiàn)多路信號的同步傳輸。在4K 超高清播出系統(tǒng)中，通常會同時傳輸多個信號源，如各種高清攝像機、錄音設備等。時碼控制可以確保這些信號源之間的同步傳輸，避免畫面和聲音的錯位現(xiàn)象，保證觀眾能夠獲得高質(zhì)量的視聽體驗。再次，時碼控制還可以實現(xiàn)對視頻和音頻的精確編輯和處理。廣播電視臺在制作節(jié)目時，通常需要對視頻和音頻進行剪輯、變速、混音等處理，時碼控制可以提供精確的時間參考，使得編輯人員能夠準確地定位和處理每一幀圖像和每一幀音頻，確保最終的播出效果符合預期。最后，時碼控制還可以實現(xiàn)對廣播電視節(jié)目的精確定位和回放。廣播電視臺通常會保存大量的節(jié)目素材和歷史節(jié)目，時碼控制可以對這些素材進行精確的標記和管理，使得廣播電視臺能夠快速準確地找到所需素材，進行回放和再利用[4]。

2.2 4K 凈切換技術(shù)

4K 凈切換技術(shù)的應用為廣播電視節(jié)目提供了更加流暢、高質(zhì)量的畫面切換體驗。首先，4K 凈切換技術(shù)通過使用高速傳輸線路和專業(yè)的圖像處理器，實現(xiàn)在節(jié)目播出過程中的無縫切換。傳統(tǒng)的切換方式可能存在畫面閃爍或者黑屏的問題，影響用戶觀看體驗。而4K 凈切換可以在不影響畫面質(zhì)量的情況下實現(xiàn)平滑過渡，讓觀眾感受到更加連貫自然的畫面切換效果。其次，4K 凈切換技術(shù)可以在廣播電視節(jié)目中實現(xiàn)多畫面切換，通過將多個畫面同時展示在屏幕上，觀眾可以獲得更多的信息，提升觀看效果。該技術(shù)在體育賽事、新聞報道等場景中尤為重要，能夠同時展示多個角度的畫面，讓觀眾全面了解事件的發(fā)展。再次，4K 凈切換還可以實現(xiàn)畫中畫功能。畫中畫是指將一個畫面嵌入另一個畫面中，以小窗的形式展示。這種技術(shù)可以在廣播電視節(jié)目中實現(xiàn)同時播放多個節(jié)目或者多個畫面，讓觀眾可以自由選擇感興趣的內(nèi)容進行觀看。例如，在體育賽事中，觀眾可以同時觀看比賽實況以及裁判解說的畫面，提升觀看樂趣。最后，4K 凈切換技術(shù)可以應用于廣播電視節(jié)目的特效制作。傳統(tǒng)的特效制作需要在后期處理中加入各種效果，而4K 凈切換技術(shù)可以實時將特效與實況畫面結(jié)合，讓觀眾在觀看的同時就能欣賞到特效的精彩呈現(xiàn)。這在綜藝節(jié)目、電視劇等節(jié)目類型中的應用十分廣泛，為觀眾帶來更加震撼的視覺體驗。

2.3 4K 畫面一致性比對技術(shù)

廣播電視臺的4K 超高清播出系統(tǒng)在保證畫面質(zhì)量的同時，需要應用4K 畫面一致性比對技術(shù)。首先，4K 畫面一致性比對需要通過對播出系統(tǒng)中的多個畫面進行比對，確保它們在色彩、亮度、對比度等方面的一致性。這對于廣播電視臺來說非常重要，因為在直播或者錄播過程中，可能會涉及多個畫面源的切換，而這些畫面源的畫質(zhì)差異可能會對觀眾的觀看體驗產(chǎn)生負面影響。通過應用4K 畫面一致性比對技術(shù)，廣播電視臺可以在播出前對畫面進行自動比對和調(diào)整，確保畫質(zhì)的一致性。其次，4K 畫面一致性比對可以用于檢測和修復畫面中的故障或者損傷。在傳輸和處理過程中，畫面可能會出現(xiàn)噪點、失真及色彩偏差等問題，影響觀眾的觀看體驗。通過4K 畫面一致性比對，廣播電視臺可以對畫面進行實時監(jiān)測和識別，及時發(fā)現(xiàn)畫面中的故障或者損傷，通過自動修復算法對其進行修復，保證畫質(zhì)的穩(wěn)定性和一致性。最后，4K 畫面一致性比對還可以應用于廣播電視臺的制作流程。電視劇、電影等節(jié)目制作過程可能存在多個拍攝角度或者不同時間段的畫面，這些畫面需要在后期制作中進行融合和處理，以保證整體的一致性。通過應用4K 畫面一致性比對，廣播電視臺可以自動進行畫面融合和處理，減少后期制作的工作量和時間，提高制作效率和質(zhì)量。

3 4K 超高清頻道播出業(yè)務流程

4K 超高清頻道播出業(yè)務流程主要包括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、在4K 超高清頻道播出業(yè)務流程中，節(jié)目單編排模塊是一個關鍵的環(huán)節(jié)。在這個模塊中，編排人員需要根據(jù)頻道的定位和觀眾的觀看習慣，合理安排不同類型的節(jié)目，需要考慮到節(jié)目的時長、播放順序、廣告插播等因素，以確保觀眾能夠獲得流暢的觀看體驗。節(jié)目文件整備模塊負責處理節(jié)目文件的準備工作，包括對節(jié)目文件進行轉(zhuǎn)碼、壓縮、剪輯等處理，以適應4K 超高清頻道的技術(shù)要求。同時還需要對節(jié)目文件進行質(zhì)量檢查，以確保播出的節(jié)目質(zhì)量達到高標準。圖文包裝模塊負責為節(jié)目添加圖像和文字，需要根據(jù)節(jié)目的內(nèi)容和風格，設計合適的片頭、片尾、轉(zhuǎn)場動畫等元素，以增加節(jié)目的觀賞性和專業(yè)感?？偪匦盘栒{(diào)度模塊負責協(xié)調(diào)各個播出設備和信號源，監(jiān)控節(jié)目播出的進程，確保各個設備正常運行并正確接收信號，同時還需要處理各種可能的故障和問題，以確保播出的穩(wěn)定性和可靠性。播出控制模塊負責控制節(jié)目播出，需要根據(jù)節(jié)目單的安排，控制節(jié)目的開始、結(jié)束、切換等操作，還需要根據(jù)實際情況做出即時調(diào)整，比如根據(jù)觀眾反饋調(diào)整廣告時長或插播時間等。通過以上5 個模塊的協(xié)同工作，4K 超高清頻道的播出業(yè)務流程能夠高效運轉(zhuǎn)，為觀眾提供優(yōu)質(zhì)的觀看體驗。這些模塊的緊密配合和專業(yè)操作，對頻道的成功播出起到了重要的作用[5]。

4 結(jié)語

廣播電視臺4K 超高清播出技術(shù)的實踐應用是一個復雜而又重要的系統(tǒng)過程，需要合理的網(wǎng)絡架構(gòu)、先進的設備支持、高效的管理理念以及融合發(fā)展等多方面的協(xié)同，從而為觀眾提供更高質(zhì)量的視聽體驗。