4K直播節目的記錄與存儲

王博，張昕

(中國傳媒大學 實踐實驗教學中心，北京 100024)

1 引言

自2014年6月，日本開播4K節目以來，越來越多的電視臺、電視運營商加入到4K電視播出的行列里。同年巴西世界杯和韓國仁川亞運會的4K轉播，更是開啟了4K超高清節目直播的大門。4K在帶給觀眾視覺享受的同時，也將賽場的細節體現得淋漓盡致。

在4K電視技術的研究及應用方面，歐美和日韓的發展相對迅速，而我國的電視人也在對4K轉播技術進行著自己的探索。2014年8月的汪峰演唱會、2015年江蘇衛視跨年演唱會、央視春晚等節目的4K 轉播，以及使用索尼4K轉播車完成的2015NBA中國賽，都是國內4K電視轉播技術一步步發展的見證。

2016年6月29日，中國傳媒大學2016屆畢業典禮的4K直播，可謂是國內4K轉播的一次新的挑戰與嘗試。這場轉播共涉及三個制作系統——典禮現場的Sony Demo6 4K轉播車的4K信號制作，典禮外場畢業感言采訪的EFP高清信號制作，以及典禮開場前、結束后演播室環節的4K演播室制作。典禮現場和演播室的雙4K系統級聯是本次轉播的一大亮點，本文將針對兩個級聯4K系統的信號記錄、備份及存儲進行詳細介紹。

2 什么是4K信號

國際電視聯盟(ITU)在2012年8月23日發布的超高清電視(Ultra HDTV)國際標準(ITU-R Recommendation BT.2020)中對超高清電視的分辨率、色彩空間、幀率、色彩編碼等進行了規范[1]。該標準規定了超高清電視必須采用逐行掃描，且支持9種幀率——分別是120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p和23.976p。在Rec.2020標準中，單個像素的寬高比是1：1，按照從左往右、從上至下的順序進行像素尋址。對于超高清電視的圖像格式，該標準給出以下兩種：一種是4K超高清，分辨率3840×2160，總像素約830萬；另一種是8K超高清，分辨率是7680×4320，總像素約3320萬，它們的畫幅比均為16：9。高清與超高清分辨率圖像比較如圖1所示。

圖1 高清與超高清分辨率圖像比較

在色彩方面，該標準相對于高清電視標準做出了大幅度的改進，使超高清電視能夠顯示更為豐富的色彩，畫面顏色飽和度更強。如圖2所示，大三角形是超高清電視色域范圍，小三角形為高清電視色域范圍。該標準還定義了超高清電視采用的量化深度為10bit(4K)和12bit(8K)[1]，超高清畫面的灰階層次過度和色深的層次表現都比高清電視(量化深度8bit)有較大提升。

圖2 高清及超高清色域示意圖

3 4K信號的存儲容量

眾所周知，高清電視的分辨率為1920×1080。對于高清信號的記錄，通常采用50i或50p的掃描方式來進行。已知比特率的計算公式Rb=Nb×(fsl+2fsc)、fsl=Nl×Ns×Rf，其中Rb是每秒信號的比特數，Nb為每個采樣點的比特數(通常為10bit)，fsl、fsc分別表示亮度采樣頻率和色度采樣頻率，Nl是每幀的行數(包含場消隱期在內的全部行)，Ns表示每行的采樣點數(包含行消隱期在內的全部采樣點)，Rf代表幀率。當使用4∶2∶2采樣方式時，色度采樣頻率是亮度采樣頻率的一半。通過計算不難得出，1080/50i的每秒產生的比特數Rb為1.485Gbps，1080/50p的Rb為2.97Gbps。也就是說，拍攝一分鐘的無壓縮高清視頻，數據量最少也要11.14GB。

從高清到4K超高清，分辨率、幀率都有大幅提升，4K信號的數據量也呈幾何級上漲。根據上述計算方法，4K超高清信號的數據量將達到11.88Gbps，即每分鐘產生89.1GB的數據量。

如此龐大的數據量，若不經過壓縮處理，對它的記錄和存儲都將是致命的挑戰。Sony開發的XAVC編碼格式，可以說是很好的解決了4K信號的壓縮編碼問題。Sony XAVC編碼格式采用MPEG-4 AVC/H.264 5.2級標準，是基于行業標準的最高圖像分辨率和幀頻的視頻壓縮編解碼方式[2]。XAVC是一種極其高效的視頻編碼格式，不僅能處理4K和高幀率的高清編碼，還具備多種碼率，可以適應多種應用領域，比如數字電影、電視劇、娛樂節目、紀錄片、電視新聞等。更重要的是，所有主要的非線性編輯軟件均支持Sony XVAC編碼格式，包括Sony Vegas Pro、Adobe Premiere Pro、Grass Valley EDUIS Pro、Avid Media Composer和Apple Final Cut Pro，為4K節目素材的再次編輯奠定了技術基礎。

4 4K節目信號的記錄方法

在電視節目制作中，節目信號記錄質量的好壞往往決定著節目素材再次編輯和入庫保存的意義和價值。而4K節目制作首要面對的問題是龐大的數據量，它對記錄設備的存儲速度、容量及穩定性都提出了更高的要求。因此，4K直播節目信號的記錄工作更顯得尤為重要。在此次4K畢業典禮轉播中，我們使用的是Sony的PWS-4400服務器來記錄4K節目信號。

PWS-4400服務器系統主要由PWS-4400多通道視音頻服務器、PWSK-4401內部存儲陣列、PWSK-4403 USB控制面板、PWA-PRC1界面控制軟件和PWA-MGW1介質數據交換軟件等部分組成，如圖3。

圖3 PWS-4400服務器系統組成

在節目制作中，PWS-4400服務器系統的主要功能有兩個：一是記錄4K和高清視頻信號，二是實現現場慢動作回放及精彩片段的實時編輯管理。在此次4K轉播中，我們主要使用該服務器系統來記錄無包裝版的4K節目信號以及播放穿插在節目中的短片。

4.1 記錄

4K節目信號的記錄是由PWS-4400服務器系統的記錄模塊完成。該模塊是由PWS-4400多通道視音頻服務器和PWSK-4401內部存儲陣列構成，如圖4。記錄模塊最多可配置4個4K記錄通道或6通道輸入/1通道輸出的多通道高清XAVC記錄。該存儲單元標配有一個2TB的存儲板，使用4K 50p/59.94p、600Mbps碼率來記錄，可存儲約5小時的高效XAVC視頻格式文件。如果使用另外三個存儲板插槽，可再添加PWSK-4401 2TB存儲板，存儲容量最大可擴展到8TB。

圖4 PWS-4400服務器系統記錄模塊

4.2 播放短片

短片播放是通過PWS-4400的管理模塊來完成。該模塊由PWSK-4403 USB控制面板、PWA-PRC1界面控制軟件和PWA-MGW1介質數據交換軟件三個部分構成。PWSK-4403 是一款 USB 控制設備(如圖5)，具有許多現場制作所需的強大功能——包括控制器、慢動作重放、片段管理和播放列表編輯。PWA-PRC1 是一款界面控制軟件，可以讓用戶通過控制面板實施操作。GUI支持“4分屏模式”、“片段管理模式”、“播放列表模式”和“選切模式”(如圖6)。使用PWSK-4403和PWA-PRC1后，可實現現場慢動作控制功能。PWA-MGW1允許用戶將PWS-4400中存儲的文件傳輸到可移動介質中，也可以將移動介質中的文件溯回到PWS-4400里。

圖5 PWSK-4403 USB控制面板

4分屏模式

片段管理模式圖6 PWA-PRC1 界面控制軟件的兩種GUI模式

我們使用的PWS-4400服務器共配置了兩塊PWSK-4401 2TB存儲板，即存儲容量為4TB。在此次轉播中，PWS-4400設定記錄格式為XAVC Class300 50p，分辨率3840x2160。考慮到畢業典禮的總時長大約為5-6小時且PWS-4400在錄制的同時還需完成短片播放，故將服務器工作模式設置為兩入兩出，這樣可以保證每個輸入通道的記錄時長達到7.3個小時(參照表1)。PWS-4400第一通道接入無包裝版的PGM信號，另一個輸入通道用來存放直播中需要播放的短片。短片需要事先轉碼成MXF封裝的XAVC Class300 50p(CBG編碼)格式的文件，并通過PWA-MGW1導入PWS-4400服務器中。通過PWSK-4403控制單元和PWA-PRC1對PWS-4400進行控制和通道監看，包括觸發記錄、播放短片等。

經實際測試，4TB存儲容量的PWS-4400服務器在4K錄制、兩入兩出的工作模式下，同時記錄兩個通道的記錄時長為7.3小時；在4K錄制、三入一出的工作模式下，同時記錄三個通道的記錄時長為4.9小時；以上兩種工作模式下，若僅選擇記錄一個通道素材內容，則記錄時長為14.7小時。

表1存儲容量與最大記錄時間對照

5 4K節目素材的遷移和存儲

傳統的千兆網絡雖然足夠支撐標清、高清視頻素材的傳輸，但面對4K視頻龐大的數據量實在是力不從心。相比于高標清視頻，4K視頻傳輸考驗的不僅僅是帶寬還有時間。那么，如何將服務器已錄制的4K素材及時遷出并有效存儲才是亟須解決的問題。

在此次轉播中，我們希望通過萬兆以太網來實現4K素材在整個系統中的傳輸和交換：

5.1 PWS-4400服務器與PWA-MGW1網關服務器

PWS-4400服務器和PWA-MGW1網關服務器均配有萬兆網卡，通過現有萬兆交換機即可實現PWS-4400服務器與PWA-MGW1網關服務器之間的素材內容交換，傳輸速率平均可達到1.8Gbps。對于這個傳輸速率的平均值，需要特別說明的是，理論上萬兆網絡連接設備速率可達10Gbps，但實際測試SONY 4400服務器系統的速度只有1.8Gbps。造成這個速率瓶頸的原因可能是服務器的硬盤采用的是SAS硬盤，通過SATA總線進行傳輸，硬盤的讀寫速度限制了萬兆系統的傳輸速度，期待未來有更高速的方案解決此問題。

從4400服務器將節目錄制素材遷移到網關服務器的時間是由硬盤讀寫速度來決定的，實際測試傳輸1T大小的素材文件需要1.2小時左右，平均速度為每秒230MB。

5.2 PWA-MGW1網關服務器與XDA(X-DiscArchive)一體化媒資管理系統

PWA-MGW1網關服務器采用了RAID磁盤陣列存儲方式，本地存儲空間達到5T，文件讀寫速度明顯高于PWS-4400服務器。我們使用配備單塊標稱6Gbps的普通SSD硬盤的PC與PWA-MGW1網關服務器通過萬兆網絡直連進行測試，傳輸帶寬平均速率為3.6Gbps，是PWS-4400服務器的兩倍。可見RAID磁盤陣列可以有效提升硬盤讀寫速度，將傳輸瓶頸擴大，提升傳輸速度。

PWA-MGW1網關服務器與XDA一體化媒資管理系統間配置的是千兆網服務，兩者之間素材內容交換的傳輸速率平均為88Mbps，以此速率傳輸1T大小的素材文件需要26個小時左右。如此低的傳輸速率，對于素材文件遷移和存儲無疑是致命硬傷。對于PWS-4400服務器中導出的、已經存儲在網關服務器中的素材文件，我們還可以通過USB3.0接口將它們拷出，但速度一樣不快，1TB的素材文件就需要拷貝4個小時。由于制作機房在節目錄制完成后就會關閉，不可能等待4個小時拷貝素材的時間，所以素材的遷移速度問題必須得到解決。

為了解決這個問題，我們將XDA一體化媒資管理系統的千兆網卡換為萬兆網卡，并將該系統通過萬兆光纖網絡與網關服務器所在的網絡相連接，希望能通過萬兆網絡將網關服務器中的素材快速遷移走。

從PWA-MGW1網關服務器中遷移素材文件到XDA一體化媒資管理系統所需要的時間是由萬兆網的傳輸速率決定，實際測試傳輸1T大小的素材文件需要20分鐘左右，平均速度為每秒700MB。

5.3 XDA(X-Disc Archive)一體化媒資管理系統

對于4K素材內容的存儲和管理，我們選用了Sony的XDA(X-Disc Archive)一體化媒資管理系統。只要在網管服務器上設置共享文件夾，并將需要導入XDA的視頻素材拖入共享文件夾，即可自動觸發XDA的上載任務。在此次轉播結束后，我們錄制的畢業典禮視頻素材就是通過共享文件夾上載至XDA系統中的。同樣，我們也能將XDA中指定的視頻素材下載至共享文件夾。

XDA一體化媒資管理系統采用了磁盤陣列和ODA(Optical Disc Archive)海量數據流光盤庫作為主要存儲介質，分別有18T的在線存儲空間和45T的近線存儲空間。需要說明的是，目前ODA數據流光盤共有四種容量(如表2)，我們的ODA光盤庫采用的是1.5TB容量的ODA光盤，僅支持單次寫入多次讀出操作，不可重復擦寫使用。除了從網絡存儲和本地文件夾進行文件上載的方式，還可以通過直接連接USB設備進行文件上載，比如硬盤驅動器、SxS卡讀卡器、P2卡讀卡器以及ODS-D55U數據流光盤驅動器等[3]。

表2ODA數據流光盤種類

圖7 4K素材傳輸網絡拓撲圖

6 結束語

隨著4K超高清技術的廣泛推廣和使用，4K節目現場制作的水準將越來越高。此次畢業典禮的4K轉播，無論從系統搭建、設備規模、鏈路傳輸等各個環節的準備處理上都力求完美，在成功完成轉播的同時我們也發現了很多問題。希望通過此次中國傳媒大學畢業典禮的4K轉播，進一步推動國內4K電視節目現場制作技術的發展，并通過本文與大家分享此次轉播中節目信號記錄與存儲環節的一點經驗。