5G技術(shù)在4K電視直播系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘要】隨著5G融合應(yīng)用不斷深入探索，其在信息消費(fèi)、融合媒體、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)深化，同時(shí)也推動(dòng)了超高清視頻行業(yè)的發(fā)展，5G+4K/8K+VR+AR等融合應(yīng)用模式在廣播電視領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文聚焦于5G技術(shù)在4K電視節(jié)目直播中的應(yīng)用，介紹了5G技術(shù)及4K超高清視頻技術(shù)，分析了5G+4K制作傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，并探討了5G+4K/8K多場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)架構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)，為4K電視節(jié)目直播發(fā)展提供一些可供參考的建議，最后分析了5G通信技術(shù)給現(xiàn)代電視制播系統(tǒng)帶來(lái)的先進(jìn)制作理念，并結(jié)合VR和AR技術(shù)，展望了5G+4K新技術(shù)的應(yīng)用給觀眾帶來(lái)的全新感官體驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】5G；4K電視節(jié)目直播；系統(tǒng)架構(gòu)；融合媒體

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.015

《中國(guó)5G應(yīng)用白皮書(shū)（2020）》明確提出加快5G商用進(jìn)程，推進(jìn)5G與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。在智慧文旅領(lǐng)域，展望了未來(lái)5G+VR/AR全景直播的應(yīng)用發(fā)展，這對(duì)5G技術(shù)在廣播電視媒體直播行業(yè)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。5G+VR/AR全景直播需要4K/8K視頻采編、5G視頻傳輸、VR視頻制作以及分發(fā)等一系列技術(shù)支持和服務(wù)。

5G（第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)）相較于4G，其在無(wú)線傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性、互聯(lián)互通性等方面具有顯著的通信優(yōu)勢(shì)。

隨著4K超高清產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，視網(wǎng)膜級(jí)別的超高清分辨率影視娛樂(lè)已經(jīng)逐漸豐富了我們的生活。在5G技術(shù)的支持下，5G+4K電視直播領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展逐漸顯露出潛在價(jià)值，進(jìn)一步推動(dòng)5G+8K/VR新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5G+融合媒體多場(chǎng)景應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。首先，5G即時(shí)攝影、瞬時(shí)導(dǎo)播、實(shí)時(shí)投屏。其次，5G+4K/8K+VR全場(chǎng)景、超高清直播。最后，5G+融合媒體應(yīng)用推廣路徑。5G技術(shù)在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等領(lǐng)域的融合發(fā)展，進(jìn)一步提升了融合媒體帶給觀眾交互性和沉浸式的體驗(yàn)觀感。

1. 5G和4K技術(shù)的簡(jiǎn)介

1.1 5G簡(jiǎn)介及關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)屬于當(dāng)前一種新型的網(wǎng)絡(luò)方式，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的第五代網(wǎng)絡(luò)，主要有三大應(yīng)用場(chǎng)景，即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（uRLLC）和大規(guī)模機(jī)器類(lèi)型通信（mMTC）。

4K超高清電視直播要想達(dá)到理想的直播效果，就需要5G網(wǎng)絡(luò)中兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的支持：即網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)切片是指將物理網(wǎng)絡(luò)劃分出多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)以滿(mǎn)足不同服務(wù)端需求的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，它可以配置4K超高清電視直播領(lǐng)域視頻所用的專(zhuān)屬網(wǎng)絡(luò)帶寬，各項(xiàng)傳輸數(shù)據(jù)更具穩(wěn)定性。這確保了直播信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率，沒(méi)有任何中斷或故障問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)還支持虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）服務(wù)，可以增強(qiáng)用戶(hù)的沉浸式體驗(yàn)。

邊緣計(jì)算是指靠近對(duì)象或數(shù)據(jù)源側(cè)的超近計(jì)算服務(wù)。邊緣計(jì)算是利用網(wǎng)絡(luò)中廣泛存在的邊界端的各種信息，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分流與使用。

通過(guò)5G技術(shù)的應(yīng)用，大多數(shù)電視業(yè)務(wù)可以部署在邊緣云側(cè)，提供網(wǎng)絡(luò)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用等功能，豐富了電視業(yè)務(wù)應(yīng)用模式。它最顯著的特征就是大帶寬，低延時(shí)，大輸入量，而且它的數(shù)據(jù)傳送效率比一般的移動(dòng)通信技術(shù)要高得多，最高速率可達(dá)到10Gbps；很大程度降低了網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)1毫秒以?xún)?nèi)的傳輸效果；網(wǎng)絡(luò)能夠承載巨量的交互數(shù)據(jù)，能夠極大地提高數(shù)據(jù)傳輸密度，甚至遠(yuǎn)超原有技術(shù)數(shù)百倍，而且頻率效率比LTE提高了10倍以上。

1.2 4K視音頻技術(shù)參數(shù)

從《2022全國(guó)廣播電視行業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》了解到，截至2022年底，1082個(gè)高清電視頻道、8個(gè)4K超高清電視頻道和2個(gè)8K超高清電視信道已獲得全國(guó)地級(jí)以上廣播機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。新聞資訊類(lèi)節(jié)目、綜藝益智類(lèi)節(jié)目的高清和超高清制作比例分別達(dá)到70.72%和64.99%，比去年分別提高8.39和5.56個(gè)百分點(diǎn)，電視節(jié)目的高清、超高清進(jìn)程明顯加快。全國(guó)有線電視網(wǎng)融合和5G廣播電視建設(shè)取得突破性進(jìn)展。5G廣播電視網(wǎng)絡(luò)已正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，5G廣播和電視用戶(hù)超過(guò)550萬(wàn)。4K超高清視頻和音頻的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

1.3 5G+4K電視節(jié)目直播應(yīng)用

媒體行業(yè)因新聞的時(shí)效性，決定了它與其他行業(yè)存在著非常大的區(qū)別。電視節(jié)目的直播恰恰是新聞時(shí)效性的體現(xiàn)。目前4G網(wǎng)絡(luò)面臨傳輸能力的不確定性，已然給電視節(jié)目直播領(lǐng)域的發(fā)展造成負(fù)面影響。隨著通信領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了基于5G網(wǎng)絡(luò)的4K超高清素材回傳和信號(hào)直播，從而徹底解決了超高清海量數(shù)據(jù)傳輸難題，給4K電視節(jié)目直播帶來(lái)了較好的解決方案。

電視節(jié)目的實(shí)況轉(zhuǎn)播分為三個(gè)部分，即采集，編輯和播出。采集主要指的是4K超高清視音頻的采集和回傳，編輯可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)制作、后臺(tái)編輯和超高清視音頻云制作三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，播出指的是將清晰、流暢的4K超高清視音頻推送到客戶(hù)端平臺(tái)進(jìn)行播出。

隨著時(shí)代發(fā)展與進(jìn)步，在電視節(jié)目的采、編、播各個(gè)環(huán)節(jié)中，視頻畫(huà)面分辨率已經(jīng)達(dá)到4K甚至8K的水平，幀率大于50幀，并逐漸向逐行掃描的方式轉(zhuǎn)變，因此導(dǎo)致了系統(tǒng)的運(yùn)算量很大，數(shù)據(jù)傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求也在逐漸提高，而8K視音頻的傳輸比特更高，甚至可以達(dá)到100Mbps。

理論上，5G網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路和下行鏈路的傳輸速度分別為10Gbps和20Gbps。目前5G網(wǎng)絡(luò)能夠提供穩(wěn)定百兆上行、千兆下行的網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以實(shí)現(xiàn)超高清視頻大量數(shù)據(jù)傳輸要求，并且信號(hào)運(yùn)行更加穩(wěn)定和安全，提升了電視節(jié)目直播的網(wǎng)絡(luò)傳輸和處理能力。

2. 5G+4K制作傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 5G+4K電視直播制作系統(tǒng)

5G技術(shù)的支持，推動(dòng)了廣播電視4K直播的快速發(fā)展和應(yīng)用。

5G+4K電視直播制作系統(tǒng)分為：視頻系統(tǒng)與音頻系統(tǒng)。視頻系統(tǒng)包含信號(hào)源的采集、傳輸、制播等流程。信號(hào)源采集設(shè)備包括：4K攝像機(jī)、4K無(wú)人機(jī)和4KVR/AR裝置等。視頻傳輸設(shè)備分為有線傳輸設(shè)備和無(wú)線傳輸設(shè)備：有線傳輸設(shè)備包含4K光端機(jī)等，無(wú)線傳輸設(shè)備包括4K圖傳、5G背包及5G推流等設(shè)備；視頻制播設(shè)備包括視頻矩陣、切換臺(tái)、字幕機(jī)、錄像機(jī)、編碼推流等設(shè)備。

5G+4K電視直播制作系統(tǒng)先將采集到的視音頻畫(huà)面通過(guò)視頻發(fā)射裝置傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部的接收裝置，再經(jīng)過(guò)解嵌分離視頻信號(hào)和音頻信號(hào)，單獨(dú)將視頻信號(hào)送進(jìn)矩陣或者切換臺(tái)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的制作和在線包裝，再將調(diào)音臺(tái)調(diào)制出的音頻加嵌到視頻中，最后輸出理想的PGM視音頻信號(hào)用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)錄播或者遠(yuǎn)程傳輸制播。

音頻系統(tǒng)主要的設(shè)備包括話筒、功放、音響、主備調(diào)音臺(tái)、音頻交換機(jī)及音頻信號(hào)處理器等，是將采集的音頻信號(hào)通過(guò)調(diào)音臺(tái)混音、5.1環(huán)繞聲調(diào)制，輸出到視音頻加嵌器，完成視頻和音頻的疊加。

2.2 5G+4K傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

目前，5G+4K直播的應(yīng)用場(chǎng)景多為戶(hù)外大型直播活動(dòng)。由于戶(hù)外環(huán)境復(fù)雜，在無(wú)有線網(wǎng)絡(luò)、人流量密集大、5G信號(hào)全覆蓋的情況下，將4K超高清視音頻回傳至主會(huì)場(chǎng)，再進(jìn)一步地進(jìn)行錄制和播放，就需要5G+4K視音頻直播系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)解決和實(shí)現(xiàn)，5G+4K傳輸架構(gòu)是承載4KHDR電視節(jié)目實(shí)時(shí)直播運(yùn)作正常的系統(tǒng)保障。

5G+4K視音頻傳輸分為現(xiàn)場(chǎng)制作和遠(yuǎn)程制作兩種工作模式?，F(xiàn)場(chǎng)制作主要是通過(guò)直播車(chē)在直播現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)處理工作。5GCPE設(shè)備傳輸視頻圖像和音頻數(shù)據(jù)，機(jī)位調(diào)度和制作工作通過(guò)直播車(chē)完成。最后，輸出的視音頻PGM信號(hào)會(huì)被傳回電視臺(tái)進(jìn)行播出。遠(yuǎn)程制作可以分為后臺(tái)制作和云端制作，后臺(tái)制作是通過(guò)5GCPE、5G基站，利用5G通信網(wǎng)絡(luò)高速率、低時(shí)延、大連接的優(yōu)勢(shì)，將所有數(shù)據(jù)回傳至電視臺(tái)，解碼后進(jìn)行制作、編輯，最后推流直播。云端制作即經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)視音頻信號(hào)通過(guò)5GCPE、5G基站傳輸，到達(dá)5G指定的云應(yīng)用平臺(tái)，利用云產(chǎn)品編輯工具，對(duì)視音頻信號(hào)進(jìn)行制作處理，再經(jīng)過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)推流到指定客戶(hù)端進(jìn)行播出。

2.3 5G+4K/8K多場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)架構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)

一站式解決方案。5G+4K/8K多場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)為廣電行業(yè)帶來(lái)了一套完整的技術(shù)解決方案，它支持無(wú)線傳輸、視頻編碼回傳、多格式接收、解碼和監(jiān)看、演播室包裝、多屏幕分發(fā)、安全切換直播、收錄和后期制作等環(huán)節(jié)，解決電視直播多樣化的場(chǎng)景難題。

在人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)的支持下，可實(shí)現(xiàn)所有終端高畫(huà)質(zhì)體驗(yàn)。AI通過(guò)對(duì)視頻增強(qiáng)、智能編碼、HDR/SDR等技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和認(rèn)知，從而更好地實(shí)現(xiàn)5G+4K/8K多場(chǎng)景任務(wù)需求，可以在電視端、手機(jī)端、PC端等多個(gè)終端進(jìn)行高質(zhì)量播放和覆蓋，給更多用戶(hù)帶來(lái)接近視網(wǎng)膜級(jí)別清晰的三維全景視聽(tīng)感受。

信號(hào)傳輸具有超低時(shí)延的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)擁有5G通信帶寬大、延時(shí)低和傳輸高速率的優(yōu)勢(shì)，支持超低延時(shí)編碼和回傳的多場(chǎng)景直播，全程直播畫(huà)質(zhì)高，直播信號(hào)延時(shí)控制在毫秒以?xún)?nèi)。5G+4K/8K多場(chǎng)景直播系統(tǒng)是通過(guò)安全可靠傳輸（Secure Reliable Transport，SRT）協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定性，有效避免了網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生抖動(dòng)，從而確保了電視直播節(jié)目穩(wěn)定、流暢地播出。

全鏈路4K/8KHDR技術(shù)的支持。系統(tǒng)采用4K/8K編碼器、4K/8K轉(zhuǎn)播車(chē)等方式，提供全鏈路4K/8K HDR、60fps、BT.2020寬色域、10位量化、HLG/PQ/動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景直播。

可靠且安全的直播。該系統(tǒng)使用主備雙鏈路架構(gòu)，鏈路獨(dú)立運(yùn)行且能交叉使用，系統(tǒng)能夠多級(jí)自動(dòng)保存?zhèn)浞?，通過(guò)自主延時(shí)、素材插播和直播墊播等功能，實(shí)現(xiàn)多級(jí)播控，確保多場(chǎng)景直播地安全播出。

實(shí)現(xiàn)3D音頻超高清直播。該音頻系統(tǒng)可以調(diào)制出3D聲和立體聲，可以實(shí)現(xiàn)兩種制式的音頻輸出。

3. 5G+4K/8K電視直播系統(tǒng)的新技術(shù)應(yīng)用

5G+4K/8K多場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)電視直播系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于廣播電視臺(tái)的跨年晚會(huì)、綜藝節(jié)目、大型體育賽事等直播領(lǐng)域。2020年12月，《神武4·動(dòng)感地帶第十四屆音樂(lè)盛典咪咕匯》采用5G+4K/8K多場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)，通過(guò)專(zhuān)線和5G網(wǎng)絡(luò)直播流雙鏈路完成信號(hào)傳輸，1s內(nèi)可進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，傳輸信號(hào)穩(wěn)定率100%，不僅給用戶(hù)提供高質(zhì)量的8K畫(huà)質(zhì)，還有效的保證了畫(huà)面的流暢度，給4K影院的用戶(hù)帶來(lái)極高的沉浸式視聽(tīng)體驗(yàn)。

2022年1月31日，除夕春晚的《只此青綠》舞劇，也是采用5G+4K+XR+全息掃描技術(shù)，將宋朝的《千里江山圖》展現(xiàn)在了舞臺(tái)，觀眾置身于青山綠水的優(yōu)美畫(huà)卷里，沉醉其中；《星星夢(mèng)》兒童舞蹈同樣采用5G+4K/8K+XR+AR技術(shù)，并投影到720度穹頂屏幕，展示出夢(mèng)幻多彩的星空，演員和觀眾仿佛沉浸其中。這次春晚通過(guò)5G+4K+AR+XR的視頻直播新技術(shù)，給觀眾帶來(lái)一次終身難忘的沉浸式春晚直播視聽(tīng)體驗(yàn)。

2022年2月4日，5G+4K/8K多場(chǎng)景直播系統(tǒng)應(yīng)用在了北京冬奧會(huì)開(kāi)閉幕式和重要賽事中，給用戶(hù)呈現(xiàn)有史以來(lái)“最全面”“最清晰”“最身臨其境”的冬奧觀看體驗(yàn)，為冰雪賽事創(chuàng)造了多維互動(dòng)的觀賽感受。

4. 結(jié)束語(yǔ)

5G+4K電視直播技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多場(chǎng)景電視直播，通過(guò)超高清視頻與5G技術(shù)賦予直播更具臨場(chǎng)感、沉浸感、真實(shí)感、新鮮感的視聽(tīng)體驗(yàn)，深刻改變了傳統(tǒng)電視的直播方式，進(jìn)一步推動(dòng)了5G+4K/8K+VR+AR+XR等新技術(shù)的融合發(fā)展。

將來(lái)，隨著研發(fā)創(chuàng)新力度的不斷加大，5G網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算技術(shù)會(huì)更加成熟，高速率、大帶寬、低延時(shí)等特點(diǎn)將會(huì)帶動(dòng)視頻產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步升級(jí)，5G+4K電視直播的應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)更加豐富，VR和AR技術(shù)也將帶動(dòng)更多產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和發(fā)展，越來(lái)越多的新產(chǎn)品會(huì)得到人們的喜愛(ài)，人類(lèi)可以不斷領(lǐng)略科技發(fā)展給生活帶來(lái)的精彩變化。

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作者簡(jiǎn)介：段亮，陜西咸陽(yáng)，助理工程師，研究方向：廣播電視工程.