4K超高清電視在傳統播出中面臨的問題及系統建設研究

王磊

摘 要：本文從信號傳輸、數字化播出、網絡化播出三方面闡述4K超高清電視播出系統存在的主要問題，并對系統架構、播出實現過程、向IP化轉型、全媒體發布、HCI架構等建設加以分析。

關鍵詞：4K超清電視;傳統播出;系統建設

中圖分類號：G206 文獻標識碼：A 文章編號：2096-5079 （2020） 06-00-02

一、引言

電視行業發展過程，4K超高清電視出現為人們帶來更優質的畫面，但同時對電視播出系統要求更高。建設4K超高清播出系統為長期系統化工程，如何針對其在傳統播出系統中問題，建立專屬播出系統為當前面臨的重點問題，因此，研究系統建設具有現實意義。

二、4K超清電視在傳統播出存在的主要問題

（一）信號傳輸問題

傳統電視臺使用同軸電纜傳輸，如：使用75歐電纜，傳輸SDI標清電視信號，傳輸距離小于400m，速率270Mb/s;傳輸SDI高清電視信號，傳輸距離在300米左右，速率為1.485Gb/s。對于超高清4K電視信號，傳輸速率需要12Gb/s，傳輸距離在60米左右，因此對電纜傳輸能力要求較高。在同種傳輸線路中，傳輸距離較短，導致大部分現有的播出系統難以滿足4K超高清信號的傳輸條件，單純依賴升級播出系統設備也難以實現超高清的播出需求。對于此問題的解決方案有兩種，其一，拆分4K信號，將其轉化成4路SDI高清信號完成傳輸，并在信號輸出之前重新將其組合成超高清4K信號，此方法需要占據系統內大量信道資源，同時在系統擴容方面對資金需求量較高。其二，利用IP化傳輸形式，交換機傳輸速率超過10Gb/s，符合4K信號傳輸需求，基帶IP播出可使用萬兆交換網絡，或者端口匯集兩種方式，而壓縮域的IP播出方式使用千兆交換網絡即可完成，保證信號傳輸速度和4K傳輸需求相符[1]。

（二）數字化播出問題

傳統電視臺使用播出服務器，以文件形式播出節目。標清文件碼率為15Mb/s，單頻道24小時節目傳輸容量為158.2GB而高清文件碼率為50Mb/s，單頻道24h節目傳輸容量527.3GB。但是，超高清文件文件碼率更高，目前普遍采用500Mbps，磁盤容量占用為高清文件10倍，因此要求服務器具有良好的讀寫能力，以及較大的存儲容量。

（三）網絡化傳輸問題

傳統電視臺節目使用網絡化送播方式，經由主干平臺傳送各個子網的素材至播出系統。由于超高清文件較大，要求傳輸速率高，使用傳統播出系統會增加系統負荷，若在不改變傳輸速率的前提下傳輸信號，會增加傳輸時間，對節目播出造成影響。因此，需要擴容主干系統，可利用光纖交換機，緩解超高清文件傳輸造成的系統負擔。

三、4K超清電視播出系統建設

當前，超高清電視走進千家萬戶，并取得巨大成功，超高清播出系統將逐漸取代傳統播出系統。部分電視臺已經建設4K播出系統，國家廣電總局在2018年底正式發布4K超高清電視的播出技術，但是在應用實踐過程需要對系統、設備等穩定運行展開進一步監測和完善。

（一）4K播出系統架構

建設4K超高清電視播出系統需要依賴傳統電視的播出架構，融合主流技術，以未來技術的發展方向為前提，設計出適合4K電視播出的全新架構。4K電視播出系統內包含外媒資、制作等系統，借助互聯平臺，交互播出素材。在電視臺外部使用專用通道完成用戶上傳。在演播室當中，制作系統利用IP總控平臺調度4K信號。在該系統中，存在統一化的計審平臺，可匯集所有播出素材，統一在計審平臺上進行審核與送播。經審核的素材可統一提交至4K播出系統，并向全媒體系統分發播出。此系統不但可支持4K超清電視的播出，而且還符合手機、網絡和高清頻道對節目的播出要求。此外，該系統內存在全媒體分發模塊，可利用分發平臺，將4K超清電視信號變為多種碼流，最終分發至手機APP、門戶網站、社交APP、戶外大屏、傳統衛星、傳統有線等播放平臺。該系統主要使用SDIOverIP處理4K信號，并使用TS Over IP完成發布[2]。

（二）播出實現過程

在4K超高清播出系統建設完成之后，可為人們呈現出良好的節目收視效果。與此同時，該系統要求信號傳輸強，帶寬以及存儲功能良好。4K超清電視的播出過程需要將信號收錄采集、制作存儲、分發播出和接受終端等方面考慮其中，這一問題也是系統分發播出功能實現面臨的主要技術問題。解決這一問題，重點需要解決信號的傳輸問題。4K超高清電視具有超高分辨率，4K原始碼在無壓縮狀態下傳輸速率為12Gb/s。我國大部分高清電視播出系統對傳輸信號速率為1.5Gb/s，部分播出系統設備可支持3Gb/s的傳輸速率，因此，可利用IP技術，結合SMPTE2110或者SMPTE2022-6封裝標準，完成SDI Over IP信號傳輸。在4K超高清傳輸方面，為高效利用帶寬，降低信號傳輸成本，可將4K超清信號進行淺壓縮。如：利用TICO類型淺壓縮，利用3G-SDI完成4K超清電視信號的傳輸。

（三）向IP化轉型

SMPTE2022-6傳輸標準中對超高清高碼率類型的信號IP化傳輸協議進行明確規定，利用IP組播相關協議，主要通過以太網傳輸協議，使用通用交換機進行傳輸。傳輸過程能借助IP化傳輸壓縮視頻和未壓縮視頻，并且可在有線網絡、無線局域網絡當中傳輸，具備VANC機制，可同步傳輸。同時，標準中還包括壓縮視頻以及非壓縮視頻傳輸過程的保護機制，可保證視頻信號無中斷傳輸，這一規定為4K超清視頻信號以IP化形式傳輸提供更多可能。

當前，部分傳統的視頻和音頻設備廠商逐漸嘗試IP化轉型，并且已經生產出IP矩陣、多畫面和SDI相互轉化的設備。隨著相關規范的逐漸細化，設備廠商之間相互合作，SDI Over IP逐漸普及，能和多種設備兼容，高效利用這些設備建設4K超高清播出系統。加之SDN網絡架構的發展，加速了IP化轉型進程，融合業務處理、網絡功能等，和硬件設備之間相互耦合，拆分傳統的網絡播出架構，轉化為應用層、控制層和轉發層相互分離形式，這一理念類似SDI矩陣。SDN網絡架構可對流量管道靈活配置，為視頻、音頻等提供更多傳輸通道，確保信號的傳輸質量。此外，還能靈活調整和分配資源，直接接入控制，能應用在IP轉化之后廣電播出場景。

但是，當前，完全向IP轉化還存在較高難度，并且需要經歷較長一段時間SDI、IP混播情況。不可否認IP轉化已經成為4K超高清播出系統構建的必然方向。經IP轉化的系統，在架構方面較為精簡，可使用40G光纖，傳輸采用SMPTE2110標準封裝的4路未壓縮類型的超高清信號，還能支持1000路壓縮碼率為30Mbps的壓縮信號傳輸，僅使用2根40GB的光纖纜線，就可取代大量銅線的使用。此外，經IP轉化后的4K超高清播放系統應用靈活性更強，可利用網絡調度的方式，在線完成信號分配相關調度。

（四）全媒體發布

在4K超高清播出系統建設過程，利用全媒體平臺可實現手機APP、門戶網站、社交APP、戶外大屏等平臺的統一發布。考慮到不同平臺受眾不同，能夠結合觀眾喜好對播出內容、播出時間展開靈活調整。通過全媒體平臺，傳統電視與PC端用戶都可使用自定義方式，結合自身需求選擇直播、點播類型頻道。此外，此播出系統還能根據受眾對節目的收視習慣，利用大數據技術對受眾喜好展開分析，并且精準推送同類節目。

（五）HCI架構

HCI也稱超融合架構，為數據中心定義軟件基礎架構。在一套設備單元內，擁有計算、存儲等功能，同時還擁有數據壓縮、備份、快照、刪除重復數據等功能，將多套設備單元展開網絡聚合，可橫向拓寬模塊功能，建立統一資源池。由于傳統電視播出系統網絡架構分別由網絡硬件、運算設備和存儲設備等組成，使用HCI架構，可利用網絡環境，將各類設備組合成為統一化的存儲池，進行上層軟件的部署與應用，并以節點增加形式，將系統儲存空間進行擴充，提升運算性能，保護傳輸數據安全，提供優質服務。4K超高清播出系統擁有統一計審、媒體分發等平臺，可處理內外資源，因此要求數據處理能力較強。HCI架構在資源調派方面和底層硬件關聯不大，因此，可使用X86架構作為系統底層，并在上層部署文件管理相關應用，處理計審、分發和存儲等任務，利于系統擴容和維護，提高數據處理和分發等能力，快速響應，高效傳輸[3]。

四、結束語

總之，在4K終端逐漸普及過程中，建設4K超高清播出系統，利用編碼技術和傳輸技術，傳輸4K信號。隨著對超高清信號的需求量逐漸增加，面臨巨大的市場需求，4K超高清播出系統建設為電視行業未來技術發展的重點方向。

參考文獻：

[1]李煥英.淺析4K超高清電視視頻壓縮編碼技術[J].電子世界，2019 （24）：166-167.

[2]崔建偉.4K超高清電視標準化的進程[J].廣播電視信息，2019 （09）：9.

[3]宋嬰.4K超高清電視中心基礎架構分析[J].現代電視技術，2019 （09）：56-61.