電視節目的高清直播及4K制作

沈雁

【摘 要】 通過分析世界杯《豪門盛宴》節目的高清直播以及4K錄制的方案，探討現階段大型綜藝節目采用高清兼容4K、虛擬場景特效等技術的制作模式。

【關鍵詞】 電視節目制作；高清兼容4K；多通道收錄；虛擬特效

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.07.010

2018年6月14日?7月15日，2018年世界杯在俄羅斯舉行。中央電視臺（以下簡稱“央視”）作為世界杯中國地區獨家全媒體轉播商，在世界杯期間完成多檔的自制節目，并且在莫斯科紅場還搭建了前方演播室，及時傳回精彩的前方報道。其中，在每屆世界杯期間制作的球迷觀眾喜愛的足球綜藝節目——《豪門盛宴》，于每晚球賽前在CCTV1和CCTV5兩個頻道進行直播，在進行高清直播的同時，還收錄了所有攝像機4K信號，并采用虛擬切換合成的方式快速制作4K版的《豪門盛宴》，在央視4K超高清試驗頻道開播前，先推送到全國部分有線電視網的央視4K專區供觀眾點播。

1 演播室制作系統分析

《豪門盛宴》使用央視光華路辦公區的E01演播室（2 000 m2）進行節目制作。舞臺布置分為常規節目區和虛擬綠箱區，如圖1。

節目使用10訊道4K攝像機進行拍攝，攝像機型號為池上UHD430。10訊道中包括3臺虛擬機位，其中一臺為固定虛擬機位，一臺為3 m的虛擬搖臂以及一臺NCAM定位的8 m搖臂共同完成虛擬特效。固定虛擬機位和3 m的虛擬搖臂主要用于綠箱區的拍攝，合成前景及背景的虛擬特效。NCAM定位配合常規搖臂拍攝演播室常規現場，實現虛擬植入的特效。

《豪門盛宴》作為一檔直播互動節目，還要與前方紅場演播室、各比賽地點和隨隊記者連線，以及接收由前方制作團隊選切回的球賽預熱畫面，如各球隊乘坐大巴到達比賽現場等畫面。

E01演播室群共8路外來信號供《豪門盛宴》直播使用，其中，除支持本地4路外來信號接入外，還有共享的4路公共外來信號。

演播室使用2臺EVS XT3服務器用于節目插播放像以及高清節目的收錄，其收錄無字幕版節目信號（CLEAN PGM）。同時，使用XT3服務器做外來信號的精彩編輯，由一名體育編輯即時剪輯球賽預熱畫面作為精彩回放。

演播室使用3套ORAD在線包裝系統，用于支撐節目包裝如人名條、唱詞、角標LOGO等。節目直播采用后延時方式，延時20 s播出。《豪門盛宴》演播室系統包括信號源、直播及錄像系統，示意如圖2所示。

2 節目的虛擬特效

一般來說，虛擬特效可以分為虛擬背景和虛擬前景。

虛擬背景，是以計算機三維動畫“虛擬”出的場景取代道具實景，現場布景由藍箱或綠箱取代，攝像機拍攝的畫面只是圖像的前景，背景則由相配的圖形工作站制作產生。人物通過鍵控器從藍箱或綠箱中摳出再疊加到制作好的虛擬背景上，即可輸出一個渲染好的合成畫面。

虛擬前景，就是不摳像，是在攝像機畫面的前面再疊加一個虛擬的場景，比如體育館或得分標牌等，在人物的前面懸浮在實物場景中。

而前景和背景相結合就可以得到把人物鑲嵌在三維場景中的特效，更加貼近實景，還能虛擬出很多充滿想象力的畫面。本次《豪門盛宴》的直播中，就結合了虛擬前景、虛擬背景的特效，虛實結合的特效完成陣容預測、網絡數據互動等節目環節。

虛擬制作過程中，需要注意一些細節，以保證畫面的質量及真實感。一般綠箱虛擬錄像常常應用于后期制作的節目，在彩排時需要配合綠箱虛擬錄像仔細地調整攝像機的狀態并記錄下來，保證直播中人物摳像干凈。同時，需要通過虛擬跟蹤系統獲取攝像機運動的參數，包括攝像機的變焦、聚焦、平搖、俯仰及攝像機位置的X、Y、Z信息。

《豪門盛宴》的虛擬場景中，除了使用常規的固定機位和1臺虛擬搖臂之外，還使用了1套NCAM跟蹤系統，如圖3所示。這種新式的跟蹤系統可以通過兩個攝像頭模擬人眼的原理，通過角度的調整實現對三維位置的定位，只要在場景中有直角或定位標識，就可以得到攝像機X、Y、Z位置數據，用于虛擬渲染（見圖4）。

3 高清兼容4K制作模式

4K超高清因其更高分辨率、更寬色域和更高動態范圍已經成為電視行業的發展方向，央視將于2018年10月1日開播4K超高清試驗頻道。從制作模式來看，如紀錄片等節目的單機外拍并經后期精細化制作后輸出成品節目的模式，目前已經相對成熟，《舌尖上的中國》《記住鄉愁》等精品紀錄片都是這種模式制作的。當然由于4K的素材碼率遠遠高于高清素材碼率，所以在信號傳輸、后期組網、多軌編輯和存儲上還有一些受限。

對于超高清演播室現場制作，IP化是目前業內共識的發展方向，在目前SMPTE2022-6（SDI over IP）的標準框架下，還有一些系統上的障礙，相對于全流程系統的不成熟。在攝像端，3片2/3英寸CMOS的全4K攝像機已經在近兩年推出。所以，在當下向4K時代過渡的前4K時期，采用高清兼容4K的制作模式來迅速積累4K素材應對4K頻道的開播，即只有攝像機更換為4K攝像機，演播室系統仍為高清系統。制作《豪門盛宴》的E01演播室就采用這種方式，使用池上的UHD430超高清攝像機，嫁接在原高清的制作系統之上，如圖5。

首先，4K攝像機的高清輸出接口接原高清系統制作高清節目，完成直播或錄像，與原高清系統輸出的節目信號沒有區別。

4K攝像機的4K輸出則由4K多通道錄制服務器進行收錄。為了快速地制作與高清直播內容相同的4K版節目，如果只進行多機位的收錄，然后在后期用高清進行人工比對來制作，費時費力，所以采用虛擬切換合成4K節目信號的方法，快速生成4K版本的節目素材。

3.1 4K節目的多通道錄制并合成

在高清節目制作中，隨著季播類節目的熱播，攝像機機位大大增加，在拍攝現場主演播區畫面的同時，還要拍攝記錄下嘉賓、觀眾的反應等演播現場的細節畫面。而多機位拍攝不僅僅是增加攝像機的數量，還帶來同步記錄素材、后期多軌同步編輯的需求。由此而來，在前期拍攝時，多通道錄制系統需要實現按照相同的時間碼記錄多個機位的素材記錄，使錄制素材同步；在后期制作時，可以多軌同步編輯多機位的錄制素材，再現節目錄制現場。目前，很多大型的綜藝節目已經采用這種方式。

現在，建立在IT技術之上的多通道錄制系統已經可以支持4K素材的錄制。因此，對于只有攝像機升級為4K的演播室系統，采用4K的多通道錄制系統，也可以制作出4K的節目。

第一階段，由于沒有切換的4K PGM版本，所以同步記錄4K多通道錄制素材，需要采用人工的方式與高清PGM比較，在時間線上按照高清PGM的切換點來手動拼接素材，合成最終的4K PGM。

第二階段，切換臺可以輸出自己切換的信息，按照高清切換臺的切換信息通過軟件自動讀取4K多通道的錄制素材并合成4K PGM版本，這樣可大大節省人工比對的時間。

第三階段，在合成4K PGM的同時能夠立即播出，并實時監看4K PGM。

當然這種方式是現階段兼容制作的妥協方案，合成的4K PGM還要進入超高清后期制作進行簡單剪輯和調色。

在實際的節目制作中，也并不是所有的信號源都是4K的。正如前面所說，在當下前4K時代，節目制作常常只有攝像機信號是4K信號，而插播素材、字幕、包裝、虛擬等特效畫面還都是高清信號，如果僅以純4K信號來制作，往往節目是不完整的，很多創意還不能滿足。所以，在兼容制作的模式下，把非4K信號源進行上變換得到4K信號，再與攝像機的原4K信號混切。比如《豪門盛宴》節目最終生成的4K版，實際上只有演播室攝像機是4K信號，其他信號都為上變換的準4K畫面，即采用SONY HDRC4000交叉變換器完成從HD SDR BT709到4K HDR（HLG）BT2020的上變換工作。

3.2 4K現場制作中的HDR

在4K超高清的定義中，有5個主要的維度區別于高清，即分辨率4K/8K（Ultra High Definition Television）、高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）、廣色域（Wide Color Gamut）、高幀率（High Frame Rate，HFR）以及高位深（10 bit以上）。

央視制定的4K超高清電視節目制播技術規范中規定，播出頻道采用4K、廣色域ITU BT2020、HDR HLG曲線、50P的格式。這也要求現階段要盡可能地儲備HDR的4K素材。而在實際節目制作中，HDR卻是常常困擾的問題。

首先對于外拍節目，攝像機各個廠家常使用自己的LOG曲線，經過后期加載LUT調色的方式來制作HDR的成品節目。對于現場制作使用LOG曲線，使得節目制作往往處于一種所見非所得的狀態，不能很好地支持HDR的畫面制作，而且不是所有監視器都支持HDR顯示。所以，對于演播室現場制作，要實時制作HDR，在100 nit以下和SDR曲線相近的HLG曲線更適合于現場快速制作的特點。主流的國際HDR曲線如圖7。

在該節目實際制作時，不得不面臨高清和4K同時制作的問題，當然同時面臨著HDR和SDR的兼容制作問題。

一般主觀來看，HDR畫面比SDR畫面至少要大一檔光圈值，才能發揮出高動態范圍優勢，有時甚至要大兩至三檔光圈，畫面仍然是合適的。但是，同一臺攝像機當然只有一個鏡頭、一個光圈的數值，如果按照高清SDR畫面來調整光圈，則HDR畫面不夠明亮；如果按照HDR畫面來調整光圈，則高清畫面就會過曝光。

理想方案：全4K HDR制作，按照HDR調整光圈，用4K HDR的成品節目下變換來得到高清SDR的畫面，可以通過后期來調整HDR曲線或是通過調整下變換器的HDR參數值，來適配HDR和SDR的畫面。

折中方案：現階段主要系統仍然為高清系統，只能采用一種折中的方案。由于4K攝像機的4K輸出和高清輸出都可以分別調整增益值，使得在同一個光圈值實現兩種畫面亮度成為可能。比如2018年的《春節聯歡晚會》，也是采用高清兼容4K，軟件制作按照高清的切換信息合成的方式實現4K節目的快編立出，當時HDC4300攝像機拍攝采用了SLOG3的HDR曲線。但在備播時發現，SLOG3曲線的噪波很大，需要經過后期降噪處理才能正常觀看，如果再增加4K畫面的亮度增益就會帶來更大的噪波，所以通過降低高清輸出的增益來實現HDR和SDR不同亮度輸出的要求，如圖8。

最終高清降9 dB，也就是高清的光圈要增大3檔左右，《春節聯歡晚會》的燈光效果明亮，照度高，常規光圈甚至可以用到F8，所以降9 dB還可以維持在光圈F4的正常值。但是對于常規演播室節目照度沒有那么高，一般高清光圈在F4～F6之間，再過多地降低高清的增益，光圈就算推到最大，畫面也不能使用。所以，在本次《豪門盛宴》的制作中，E01演播室在使用中采用折中制作的辦法，增加一半的4K增益，降低一半的高清增益，來兼容平衡4K HDR和高清SDR的畫面。

4 總結

世界杯是人類體育史上的奇跡，可將全世界眾多人的目光匯聚在64場比賽當中。央視在世界杯轉播前就在策劃《豪門盛宴》節目高清兼容4K的制作，同時為了節目創新，技術部門也一直在跟蹤新的技術，如虛擬技術、戰術分析系統等，最終在直播中呈現了非常好的虛擬特效。在又一次結束《豪門盛宴》節目直播之際，作為電視行業的從業者不得不深深思考，四年之后又會做出怎樣的改變，媒體宣傳的格局又將會發生怎樣的改變。其實，無論如何改變，廣大電視用戶追求新技術帶來的高畫質、高觀賞性的需求不會變，4K超高清全面替代高清的發展不會變。筆者以此文拋磚引玉，與所有在傳統媒體變革時代共同努力的同行們共勉。