電視臺超高清電視播出面臨的問題及系統建設規劃探討

傅 榮

（山東省招遠市廣播電視臺，招遠 265400）

電視臺超高清電視播出面臨的問題及系統建設規劃探討

傅 榮

（山東省招遠市廣播電視臺，招遠 265400）

本文首先對超高清電視技術進行了介紹，然后對4K電視播出所面臨的問題進行了分析，最后結合超高清播出的必然趨勢，對4K播出的總體架構、IP化、全媒體發布、智能化運行監管等前沿技術進行了有益探討。

4K；播出系統；智能化監管

1 引言

從電視誕生至今不到一百年的時間里，電視技術不斷創新，畫面質量不斷提升，視覺感受顯著增強。今天，技術依然在加速發展。高清尚未完全普及，超高清已經到來，具備高動態范圍（HDR）的超高清緊隨其后，且呈現不可阻擋之勢。根據行業發展規律與人眼視覺特性需求，超高清電視系統終將取代高清系統。

超高清數字電視的出現和發展體現了電視行業不斷變革的不竭動力，其內在的本質原因在于畫質依然是電視最為核心的要素，只有具備出色的畫質表現，才能真正吸引消費者的眼球。超高清數字電視是一個系統工程，涉及一系列的關鍵技術，如超高清信號的攝錄、存儲、壓縮處理、傳輸、接收和顯示等，電視臺超高清播出室系統建設也將成為不可回避的話題。

2 超高清電視技術簡介

超高清電視（UHDTV），是目前高清電視的下一代技術，根據分辨率劃分包括4K超高清和8K超高清兩種。主要具有如下技術特點：

（1）超清晰分辨率。4K超高清其分辨率為3840×2160包含829400個像素點，8K超高清分辨率為7680×4320，包含33177600個像素點。分辨率越高代表所能呈現的畫面質量越清晰，越能展現更多的畫面細節。

（2）觀賞距離。電視觀看距離與屏幕尺寸、分辨率相關，相對高清電視而

言，4K技術發展使得像素點距縮小，用戶近距離觀看時不會感覺畫面像素邊緣排列，同時給用戶帶來“滿視野”觀看的現場感。人眼的中心視野約為50°，以此作為最佳收視視野，觀看距離為3m，觀眾可以分辨的像素密度最多為50ppi，4K分辨率已基本能滿足觀眾對120寸電視機所需分辨率的需求（5120×2880）。

（3）色彩提升。繼續提高分辨率不會改善電視觀賞體驗，因此，超高清電視技術發展改進重點轉移到色域、色彩、準確度指標上，正如杜百川先生提出超高清技術公式UHD=HR+HDR+HFR+HQS（超高清=高清晰度＋高動態范圍和更寬色域＋高幀率＋高質量環繞聲），其中，HDR正成為超高清技術中的技術熱點。

（4）音頻處理技術。采用22.2聲道的音頻重放系統，MPEG也在制定相關的多聲道標準SAC。而同時Dolby，DTS，Auro也分別給出了Dolby atmos，DTS:X，Auro 3D三種不同的解決方案。

（5）HEVC編碼技術。分辨率及采樣率的提升帶來了超高清電視數據量顯著增加，因此必須采用新的編碼技術以降低節目傳輸及存儲的數據量。作為通信領域標準制定組織ITU-T與作為電氣及電子領域標準制定組織ISO/IEC聯合，于2013年發布了“高效視頻編碼（HEVC）”標準，命名為H.265。采用靈活的編碼結構包括編碼單元（CU）、預測單元（PU）和變換單元（TU），靈活的塊結構—— RQT，采樣點自適應偏移SAO以及并行化設計思路，在保持主觀畫面質量不變情況下，相對于現有H.264編碼效率提高一倍。通過H.265壓縮的4K超高清節目碼率可控制在16～25Mb/s。

3 4K電視播出面臨的問題

廣播電視從標清數字電視發展到高清電視用了十年時間，從設備使用壽命及更新換代來說是比較合適的周期。而目前國內數字電視高清化的發展才剛剛開始，只有中央臺及十幾家省級電視臺的部分頻道完成了高清化改造，部分衛視及大量的地面頻道仍然使用標清信號播出。因此，橫空出世的超高清技術面臨著機遇與挑戰并存的狀況，而在現階段甚至是挑戰大于機遇的局面。

目前支持4K的設備還比較少，而且均剛剛面世，并沒有大規模商用，其穩定性和可靠性還需要經過實踐的檢驗。新產品帶來的劣勢就是高昂的價格，對于剛剛投入高清化改造的各電視臺來說，要實現4K電視的播出，在技術和資金方面均需要承擔較大的壓力。以招遠臺實際情況為例分析目前4K電視播出面臨以下問題：

（1）首先是傳輸方面，我臺內系統主要使用電纜傳輸方式。以百通-1694電纜為例，標清SDI信號傳輸比特率為270Mb/s，傳輸距離不到300米，高清SDI信號傳輸比特率為1.485Gb/s，傳輸距離約70～80米。而超高清SDI信號傳輸速率至少高達6Gb/s，可見其對電纜質量的要求更高，在使用同樣線材傳輸的條件下傳輸距離更短。因此，現有的播出系統無法滿足超高清信號傳輸的基本條件，只是對現有系統設備進行超高清化的升級換代也不能實現超高清播出。

在當前的技術條件下解決傳輸問題可行的方法有二：一是將4K信號拆分為4路高清SDI信號進行系統內傳輸，在編碼輸出端之前再將其合并成4K信號，這種方式對現有系統資源的占用量是很大的，相應的系統擴容工作量及資金投入也是相當可觀的；二是使用over IP的傳輸方式，目前交換機的傳輸速率已經可以達到10Gb/s，可以滿足4K的傳輸需求，即使使用主流的千兆交換機也可以通過端口匯聚的方式提高傳輸速率，達到4K傳輸要求。

隨著技術的進步，IP流傳輸的穩定性也越來越高，可以說，IP傳輸是未來的發展方向，但對于傳統電視臺來說需要新建一整套系統，系統建設及資金投入同樣巨大。

（2）再從數字化播出方式來看，目前我臺所有頻道均采用服務器的文件化播出方式。一般來說標清文件的碼率為12Mb/s，24小時單頻道節目容量為12×3600/8/1024×24=126.5GB。高清文件的碼率為50Mb/s，24小時單頻道節目容量為50×3600/8/1024×24=527.3GB。顯然超高清文件的碼率更大，占用的硬盤容量也更大（大概是高清的4倍），所以對服務器的讀寫速度及容量的要求也更高。

（3）目前，我臺很多節目已經采用網絡化送播方式，節目都會在主干平臺上進行傳輸。一般一條高清素材在各節點直接的傳輸速率為15MB/ s～40MB/s。而超高清文件要比高清文件大很多，如果要提高傳輸速率就會加大系統的負擔，容易造成系統崩潰；而若不提速的話又會大大延長傳輸時間，甚至會影響節目的正常播出。所以要滿足超高清文件的網絡送播勢必要對現有的主干系統進行擴容升級，這樣才能夠滿足播出的需求。不過隨著技術的發展，現在十萬兆的光纖交換機也已經面世了，相信可以緩解超高清文件對系統帶來的負擔。

4 4K播出建設規劃

2014年4月，全球首個超高清有線電視頻道U-max在韓國上線，播出紀錄片、動畫、現場音樂會和體育賽事等100個超高清節目內容。大連天途有線電視公司在2014年8月開通了國內首個4K實驗頻道，樂視網、江蘇網絡廣播電視臺等互聯網平臺也進行了一些4K節目播出嘗試。隨著超高清電視終端逐漸進入用戶家庭，超高清傳輸測試不斷取得成功，超高清電視系統終將取代高清系統。

目前，部分電視臺正在建設4K播出分發系統，隨著各項技術的進步，標準的細化，超高清播出已經是發展趨勢。

4.1 4K播出整體架構

圖1 4K播出架構拓撲圖

圖1是根據現有播出架構，結合主流的技術趨勢以及技術發展方向，設計的一套針4K播出的架構規劃。

由圖1可見，臺內有制作系統、媒資系統，通過臺內的互聯平臺，實現與播出的素材交互；臺外通過專用通道實現門戶上傳。4K演播室、4K制作系統通過總控IP調度平臺與播出完成4K IP信號調度。播出系統中具有統一的技審平臺，將全臺的送播素材統一匯聚到該平臺進行技審和送播，素材通過統一技審后提交到4K IP播出系統，由4K播出系統發送到全媒體分發系統，4K播出系統支持獨立的4K頻道、高清頻道、手機頻道、網絡頻道。全媒體分發平臺，可以將播出系統提供的信號轉換成不同的碼流，分發到各個不同的平臺。4K播出系統信號處理采用SDI Over IP，發布采用TS Over IP。

4.2 超高清播出

超高清能夠帶給人們更好的視聽效果，但是同時對存儲、帶寬、傳輸等方面有著極高的要求。在電視方面，需要考慮采集收錄、制作存儲、播出分發、終端接收這幾個環節，目前播出分發是實現4K的技術難點。

要實現4K播出分發，技術關鍵是解決信號傳輸，由于超高的分辨率，無壓縮的4K原始碼流需要12Gb/s，現在國內普遍的高清是1.5Gb/s，大部分線纜及設備能支持3Gb/s。現在業界考慮IP技術來承載SDI信號的傳輸，SMPTE 2022-6 標準對SDI Over IP 已經進行規范。

面對4K傳輸，為了盡量提高帶寬的利用率并降低成本，可以采用淺壓縮的方式進行信號傳輸，如TICO淺壓縮的方式可以使普通的3G-SDI傳輸4K信號。

4.3 IP化

實現IP化首先需要標準的規范，目前SMPTE 2022-6定義了高碼率視頻信號通過IP傳輸需要遵守的具體協議：主要采用IP組播協議，因為是采用的以太網三層協議，因此支持通用的交換機；采用低壓縮或者未壓縮的視頻通過IP傳輸；能夠在有線或無線局域網進行傳輸；具有VANC同步機制。SMPTE 2022標準涵蓋了壓縮、無壓縮的視頻傳輸及無中斷的保護機制，為視音頻信號通過IP傳輸的推廣創造了可行性。

現在很多傳統的視音頻廠商正在嘗試著向IP化轉型，IP矩陣、IP多畫面、IP與SDI互轉等設備都已經成型，隨著SMPTE 2022的規范不斷細化，以及各個廠家之間不斷摸索和合作，SDI Over IP也能夠像傳統的SDI信號一樣普及，各家的設備能夠兼容，共同完成系統的搭建。

現在SDN（軟件定義網絡）新型網絡架構推動了全IP化的進程，其核心理念將網絡功能和業務處理功能與網絡設備硬件解耦合，將傳統網絡拆為應用、控制、轉發三層分離架構，與傳統的SDI的矩陣理念很相似，而且SDN能夠靈活配置流量管道，提供給視音頻更多的流量管道，保證視音頻傳輸質量，同時能夠動態調整資源分配，進行接入控制，適用于全IP化后的廣電場景。

目前實現全IP化難度還很高，必然會經歷長時間的IP和SDI混播的情況，但是IP化已經是時代發展的必然結果。IP化后系統架構會精簡很多，如果采用40G光纖，能夠傳輸不少于25路無壓縮的高清信號或者100路TICO 4∶1壓縮的高清信號，兩根40GB光纖就能取代大量的銅線。IP化后系統會更加靈活，只需要通過網絡調度，就可以實現信號分配調度。

4.4 超融合架構

超融合架構（HCI）是軟件定義數據中心的一種基礎架構，是指在同一套單元設備中不僅具備計算、網絡、存儲和服務器等資源和技術，而且還包括備份軟件，快照技術、重復數據刪除、在線數據壓縮，多套單元設備通過網絡聚合，實現模塊化的無縫橫向擴展，實現統一的資源池。

傳統的網路架構由各自獨立的運算、存儲、網絡硬件設備組成，引入超融合架構后，網絡環境將用通用服務器設備組成含有跨節點的統一存儲池，上層部署軟件和應用。可以通過增加節點數來擴充系統的運算性能和存儲空間，提供服務的高可用和數據保護能力。

對于未來規劃的播出系統，頻道規模相對較多，且系統具有統一的技審平臺和全媒體分發平臺，需要處理臺內外的素材資源，還要進行數據的分發處理，因此對存儲和數據處理的能力要求相對較高。因為超融合架構的資源調派不涉及底層實體硬件，因此系統底層采用統一的x86架構，上層部署相應的文件管理和應用，處理存儲、技審、遷移、分發等一系列任務。這樣不僅能夠利于整個系統的維護、擴容，還能提高整個系統的數據分發處理能力和響應速度，對于提高系統效率而言是不錯的選擇。

4.5 全媒體發布

全媒體發布平臺能夠將節目統一發布到有線網絡、衛星、網站門戶、手機APP、社交網站等。考慮到每個平臺受眾的觀看習慣和偏好不一樣，因此發布的時間、內容、重點也需要有所調整。

無論是電視、PC還是電視，都是采用自定義觀看方式，用戶可以自定義自己的點播頻道和直播頻道，系統根據用戶的觀看習慣進行大數據分析和推送。

4.6 智能化運行監管

智能化運行監管平臺是為了輔助未來播出系統安全運行而建設的，在現有監控平臺的基礎上，增加了自動化電子巡檢、設備健康指數分析、知識庫管理、多元化報警提示等人性化功能。

5 結束語

目前的高清信號已能夠基本滿足人們的收視需求，畫面的清晰度較標清信號有了顯著的提升。但是，就像當初從模擬走向數字、從標清走向高清的發展歷程一樣，人們的需求總是伴隨著科技的進步而不斷提高的。隨著4K終端的普及，H.265編碼以及HDMI傳輸技術已經能夠將4K信號接入普通民眾的家中，對超高清信號源的需求量一定會越來越大。因此，在市場需求的驅動下，超高清播出最終將會成為我們技術發展的一個方向。

[1] 李超．超高清晰度電視與三維電視進展[J]．電視技術，2011,35（22）:19-24

[2] 俞斯樂．電視原理[M]．北京：國防工業出版社，2012

Phononic為亞太地區提供高性能電子冷卻解決方案

作為一家通過固態技術來革命性創新冷卻與加熱方案的公司, Phononic近日宣布，在中國臺灣省成立銷售辦事處，聘請亞太地區總監，并與富泰科技成為戰略合作伙伴以擴大其全球業務范圍至亞太地區。

Problems Faced by Ultra High Definition TV Broadcasting and System Construction Plan

Fu Rong
(Zhaoyyuan Television Station, Zhaoyuan, 265400)

This paper firstly introduces ultra high definition TV technology，Then analyses the problems faced by 4K television broadcast, Finally, combined with the inevitable trend of ultra high definition broadcast, broadcast on 4K overall architecture, IP, the entire media release, cutting-edge technology such as intelligent operation regulation has carried on the beneficial discussion.

4K; Playout System; Intelligent Monitoring

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.014

TN94

A

1672-7274（2017）03-0050-04

傅 榮，1973年生，助理工程師，主要從事廣播電視技術工作。