TICO編解碼器在4K超高清播出系統中的應用

高海珠

（中央電視臺，北京 100020）

0 引言

隨著廣播電視行業的飛速發展，中央廣播電視總臺正在努力將自己打造成具有強大引領力、傳播力和影響力的國際一流新型主流媒體，將5G+4K/8K+AI戰略布局作為總臺發展的新引擎，建設媒體融合的新平臺。在這種布局下，中央廣播電視總臺光華路辦公區4K超高清播出系統搭建完成。

1 超高清（UHD）技術在電視播出中的優勢

現階段，高清技術還未能得以全面應用與普及，超高清技術便已出現，4K超高清視頻是繼數字化、高清化之后新一輪重大技術創新，將帶動視頻采集、制作、播出、傳輸、呈現、應用等產業鏈各環節發生深刻變革。超高清的圖像清晰度更加細膩，色彩亮度表現更加豐富，符合人們越來越高的觀賞需求，超高清技術必將取代高清技術，成為電視未來發展的方向。

（1）高分辨率（HR）。4K超高清電視分辨率為3840×2160像素，一共包含有超過80多萬個像素點，而8K超高清電視所達到的分辨率更高，為7680×4320像素，包含有超過3，000多萬個像素點。更高分辨率意味著包含更多的空間信息量，與高標清分辨率相比，超高清分辨率使電視呈現出的畫面更加清晰細致。

（2）高動態范圍（HDR）。當前的SDR畫面動態范圍僅1000∶1，遠低于真實自然界的亮度范圍和正常人眼能感知的視覺亮度范圍，大量的亮度細節損失掉了，而超高清電視的畫面都是HDR畫面，動態范圍達到10000∶1，與SDR畫面相比，其亮度寬容度更高，從“最暗”到“最亮”之間的范圍增加，使畫面暗部和亮部的細節都保留了下來，呈現更加接近身臨其境的視覺感受，盡可能地還原了人眼所看到的真實場景。

（3）高比特量化（HQB）。量化深度即灰度信息量，簡而言之在參數上來看就是有多少bit，8 bit、 10 bit、16 bit等，比特（bit）數越高灰階過渡越平緩同時數據量也越大，能更真實地還原實際景物的灰度變化。

ITU-R BT.2020定義4K超高清量化為10 bit，能顯示10.7億種顏色，而高清量化為8 bit，只能顯示1677萬種顏色，可見，10 bit色彩數量遠大于8 bit的，因此色彩過渡更加流暢自然。

（4）高幀率（HFR）。視頻播出的幀頻越高，畫面越流暢、越細膩。但在播出系統設計中，高幀頻對系統的帶寬和容量要求較高，根據目前技術發展水平，國內電視臺在建設4K超高清播出系統時，將幀頻選為50P。

（5）寬色域（WCG）。色域描述的是顏色的多少，ITU-R BT.2020定義了超高清電視更寬的色彩空間，高清電視色域的Rec.709僅覆蓋了超高清電視Rec.2020色域的35.9%，所以超高清電視呈現出了更加接近人眼在現實世界中能夠看到的顏色范圍，使觀眾能夠獲得更好的視覺體驗。

（6）高質量3D聲音（HQS）。在聲音方面，4K超高清播出系統在5.1環繞聲的基礎上，擴展音源采集平面，實現從聲道為基礎的環繞聲到聲道、對象和聲場為基礎的3D聲，為觀眾提供了更好的沉浸式體驗。

2 4K超高清播出系統信號播出方式的選擇

4K超高清系統信號播出方式主要分為4K SDI播出和4K IP播出，4K IP播出是發展趨勢，采用IP方式，用以太網取代同軸電纜，能夠雙向傳輸，并將音頻、視頻，同步、控制等接口都被整合到RJ-45或SFP+中，從而簡化了系統，降低了成本，便于維護和升級，然而目前4K IP技術仍處于不斷發展階段，可選擇成熟定型的產品不多，延時問題，丟包問題，同步問題都有待解決，而播出系統必須在考慮先進性的同時，更要考慮安全性，因此當前還大都采用SDI或SDI+IP信號播出系統。

4K SDI播出系統獲得認可的原因可歸納為如下幾點：

（1）SDI基帶發展較早，現階段產品相對成熟穩定。

（2）高質量（傳輸無壓縮視音頻）。

（3）高可靠性。

（4）低延時、低抖動。

（5）高切換精度（幀精度）。

（6）通用性好，部署容易。

（7）協議簡單、開放，無需授權。

（8）利用SDI傳輸超高清視音頻信號已有相關的國際標準。

3 采用4K SDI播出系統面臨的傳輸問題及解決辦法

3.1 傳輸問題

超高清電視信號傳輸率12Gbps遠大于高清電視信號，4K SDI傳輸可采用以下兩種方式，但都存在一些問題。

一是采用4根3G-SDI信號線（同軸電纜）進行組合傳輸，雖然當前的同軸電纜能承載3G-SDI信號，但線材的數量增至現在的四倍，造成系統集成實施成本大幅提高，而且結構不支持靈活擴展，使用成本和維護難度都是問題。

二是采用一根12G-SDI信號線（同軸電纜）傳輸4K信號，這需要高帶寬專用的傳輸線纜，并且SDI接口的數據率增大還是會降低信號的傳輸距離，不適合遠距離傳輸。

3.2 解決辦法

在本系統中針對4K SDI播出系統的特點，傳輸方面采用了以下策略予以應對：為了平衡傳輸問題和使用成本維護難度問題，并充分考慮到將技術的先進性和系統安全性相結合，根據現有的技術條件，選擇了一個折中的辦法，就是我們在播出域內部采用4根同軸電纜并行傳輸1路4X3G-SDI信號，在播出域外采用TICO視頻編解碼器進行視頻淺壓縮，生成1路TICO 3G-SDI信號后采用1根同軸電纜傳輸4K信號，即在播出域內傳輸基帶SDI信號，在播出域外傳輸TICO信號，從而使問題得以緩解。

4 視頻編解碼技術及應用

近年來，隨著網絡技術的不斷發展，多媒體技術也得到了日新月異的進步，作為多媒體技術的核心和關鍵，多媒體視頻編解碼技術及應用也取得了重大進展。

（1）視頻編碼的主要作用。就是將視頻像素數據（RGB，YUV等）壓縮成為視頻碼流，從而降低視頻的數據量，如果視頻不經過壓縮編碼的話，信息數據量通常是非常大的。

（2）視頻信號可壓縮性。一是因為視頻圖像的各像素點之間存在很強的相關性，消除這些數據的冗余并不會導致信息損失。二是因為人眼的一些特性，比如亮度辨別閾值、視覺閾值，對亮度和色度的敏感度不同，使得在編碼的時候引入適量的誤差也不會被察覺出來，利用人眼的視覺特性，以一定的客觀失真換取數據壓縮。數字視頻信號的壓縮正是基于上述兩種條件，使得視頻數據量得以極大地壓縮，有利于存儲和傳輸。

（3）視頻編碼技術種類。有預測編碼、變換編碼和混合編碼。目前基本采用混合編碼，因為它是將預測編碼和變換編碼結合起來的編碼方法。它綜合了兩種編碼方式的優點，從而得到對視頻圖像更高的壓縮效率。

（4）視頻編碼技術標準。標準有很多種，有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264和H.265等。目前用得比較多的是H.264，它是ITU-T國際電聯與ISO國際標準化組織聯合制定的視頻編解碼技術標準。H.264最大的優勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5到2倍，一個原始文件是102G大小的視頻，經過H.264編碼后變成了1個G，壓縮比達到了102∶1。可見視頻編解碼器的作用是不可忽視的。

5 Virtuoso TICO編解碼設備的采用

目前，市場上視頻編解碼設備種類繁多，中央廣播電視總臺4K超高清播出系統在籌備階段進行了設備招標，作為播出系統鏈路中的關鍵設備，視頻編解碼設備也參與了招標，挪威Nevion公司Virtuoso TICO編解碼設備在不同廠家同類設備比較中脫穎而出，得以中標。

下面對Virtuoso TICO編解碼器做一詳細介紹Virtuoso TICO編解碼器是一款先進的基于SDD（軟件定義設備）的多功能媒體虛擬化處理平臺，它采用大型FPGA架構，其最大的優勢是可以在不改變原有硬件的基礎上，通過追加不同的軟件授權，擴展出各種媒體處理功能，極大地提高了設備的適應性和使用周期，從而最大程度地滿足不斷變化的業務需求，使其具有極強的通用性、成本效益和未來的適用性。

此外Virtuoso可以實現JPEG2000編解碼、H.264編解碼、ASI/IP碼流適配、音頻加解嵌、主備碼流倒換、內容加密等多種功能，更可與著名的SDN核心網管調度系統VideoIpach相結合，構筑高性能、高可靠、高彈性的大型跨域SDN媒體網絡。

6 Virtuoso TICO編解碼器相關的概念介紹

為了更好地了解Virtuoso TICO編解碼器設備的功能，我們簡單介紹幾個相關的概念：

6.1 TICO

TICO是一種全新的輕型視頻壓縮技術，是由intoPIX公司開發的，能夠提供高達4∶1的視覺上無損的視頻壓縮功能。TICO壓縮方案在保證圖像質量的基礎上能夠在實現10G以太網傳輸4K超高清視頻內容的同時兼容現有的3G-SDI基礎設施。

TICO壓縮技術在質量、位速率和時延之間實現了有效平衡，保證功耗和帶寬在合理的范圍內，能夠明顯的降低系統設計的復雜度以及成本。目前，TICO壓縮技術已經成為一種行業標準。

6.2 視覺無損質量

所謂視覺無損質量，是指在正常觀察條件下，人眼無法檢測到損失的原始質量。但由于每個人的觀看能力和許多不受控制的因素，使得無法制定一個權威的標準或數據指標來定義什么是視覺無損質量，但一般在峰值信噪比高于40 dB的情況下，都能夠看到視覺無損質量的視頻信號。

6.3 有效載荷標識符VPID（VideoPayloadID）

有效載荷標識符應用于識別一個數字接口傳送器傳送的視頻、音頻和輔助數據的有效載荷。有效載荷標識數據包插入在傳送數據圖像、數字音頻和其他輔助數據的接口中，在多路接口傳送的數據超過一條鏈路帶寬的情況下，標識數據包可以為接收機提供關于所接收到的有效載荷的信息，以便接收端能夠準確地還原出源圖像信息。有效載荷標識符VPID使用了描述SMPTE串行數字接口SDI接口規范的4個重要字節，每個字節都有各自的含義，第一個字節應具有最高的重要性，隨后的字節應用于定義低級別的有效載荷信息。構成VPID標識符的4個BYTE的各自用途分述如下：

BYTE 1用于標識信號的傳輸方式：97h（2SI）、89h（SQD）、85h（HD）。

BYTE 2用于標識信號的曲線：D9h（HLG）、C9h（SDR）。

BYTE 3用于標識信號的色域：A0h（2020）、80h（709）。

BYTE 4用于標識信號的順序，路信號的先后順序依次為：01h（鏈路1）、41h（鏈路2）、81h（鏈路3）、C1h（鏈路4）。

（后3路為45h 85h C5h時則為后3路復制第1路音頻標識，在傳輸過程中如果線序錯誤，會觀測到視頻字幕有鋸齒、不平整等現象。）

基于以上定義標準，在總臺光華路辦公區新建的4K超高清播出系統中所選用的信號格式是：3840×2160/50P，4X3G-SDI，2SI，HLG，2020，5.1環繞聲+立體聲，VPID：97h D9h AOh 01h/41h/81h/C1h。在系統中具體應用情況如圖1所示：

圖1 4K相關標準和VPID參數界面圖

7 Nevion Virtuoso TICO編解碼器詳細介紹

Virtuoso TICO編解碼器配置了Virtuoso主機、HBR信號處理板卡和相應的雙路3G-SDI輸入、雙路3G-SDI輸出SFP接口模塊。以下面一款Nevion Virtuoso TICO編解碼器為例。主機箱正反面結構如圖2所示：

圖2 TICO編解碼器主機箱正反面結構圖

Virtuoso設備前面板包含了一個易于閱讀的背光液晶顯示器，可顯示產品名稱和SW版本號、報警信息、單元IP的地址、序列號等。

每臺主機可以容納4塊HBR板卡（見主機后視圖：左上橫排兩塊板卡，中間豎排兩塊板卡）。在每塊HBR板卡上有四個SFP槽位，可混合安裝不同類型的SFP模塊，既可以是BNC口模塊，也可以是以太網口模塊。下面對后面板其他的幾個端口做一簡單說明：

圖3 TICO編解碼器后面板數據端口圖

（1）數據端口：M.1和M.2是兩個1G的以太網數據端口，M.3和M.4兩個插槽用來容納兩個SFP+模塊，將提供兩個額外的以太網端口來支持光纖傳輸。以太網數據端口LED給出以下信息：

速度指示器（左）：綠色=100 Mb/s

黃色=1000Mb/s

流量和鏈接指示器（右）：連接建立時綠燈亮，數據傳輸和接收時閃爍。

（2）USB端口：迷你USB連接器提供了一個獨立于IP網絡的方法來配置和監視Virtuoso。

8 Virtuoso TICO編解碼器在本播出系統中的實際結構配置

8.1 編碼器配置

編碼輸入：1路UHD 4x3G-SDI同軸輸入

編碼輸出：1路TICO 3G-SDI同軸輸出

8.2 解碼器配置

解碼輸入為：1路TICO 3G-SDI同軸輸入

解碼輸出為：1路UHD 4X3G-SDI同軸輸出

8.3 具體配置結構

具體配置結構如圖4所示。

圖4 TICO編解碼器配置結構圖

8.4 HBR板卡配置接線

HBR板卡配置接線如圖5所示。

圖5 HBR板卡配置接線示意圖

9 Virtuoso TICO編解碼器在本播出系統中的具體應用

總臺4K超高清播出系統整體設計原則遵循《GY/T307超高清晰度電視系統節目制作和交換參數值》及《中央廣播電視總臺4K超高清電視節目制播技術規范》。

播出系統播出的節目類型，一類是錄播文件，另一類是直播信號。錄播文件包括來自媒資庫的“在庫文件”和來自制作島的“直送文件”，按照4K超高清系統整體設計原則，錄播節目統一為超高清播出格式節目文件，遵循《中央廣播電視總臺4K超高清播出格式MXF文件規范》，這類節目到達播出系統后直接使用，不需要再經過其他處理。而另一類節目，就是主控送播出的直播信號節目。TICO編解碼器就是用在了由主控到播出的直播信號傳輸過程中。

具體情況介紹如下：TICO編解碼器作為系統中的關鍵設備，在具體應用中是為了完成從主控到播出的4K超高清信號傳輸而使用的，所以編碼部分由總控系統完成，解碼部分在播出系統完成。臺內演播室及外來的1路4X3G SDI 4K UHD直播信號，首先要在總控系統經過TICO編碼壓縮，生成1路TICO 3G-SDI信號，之后由1根同軸電纜送至播出系統。到達播出系統后，首先經TICO解碼，解出1路4X3G-SDI信號后，由4根同軸電纜并行送入播出系統，由播出系統進行后續的信號處理（添加臺標、時鐘、包裝項等），經過一系列處理，形成了1路4X3G-SDI完整的電視播出信號后，由4根同軸電纜送回主控系統，由主控系統經過編碼壓縮后進行地網和上星的傳送，再經過一系列環節，最后傳至千家萬戶，供觀眾欣賞。

10 Nevion Virtuoso網管功能

Virtuoso多功能媒體虛擬化處理平臺具有網管控制功能，用于系統的管理和監測。該功能包括用戶界面、API、警報管理、警報和事件通知、日志記錄、身份驗證和安全管理等項目。

它具有結構清晰、直觀友好、易學易用的圖形化網管操作界面，基于B/S架構，無需專用軟件，使用通用的web游覽頁即可對其進行全面網管操作。如圖3所示，Virtuoso機箱后面有兩個RJ45千兆/百兆兼容以太網接口Ethernet M.1和Ethernet M.2，以及兩個GE/10G SEP+擴展插槽，均支持網管訪問。可使用Cat5網線連接Ethernet M.1和Ethernet M.2到網管計算機網絡接口，網管的IP地址、用戶名及密碼都可在網管界面中修改、添加和刪除。還可查看及修改設備的配置信息，在功能框圖頁面中，可以查看及設置TICO編解碼器的狀態。通過Virtuoso網管頁面還可查看告警信息：包括當前告警、告警日志、新近告警。告警日志可存儲10萬條告警信息，循環記錄，日志空間存滿時將自動刪除最早的記錄。圖6為Virtuoso網管功能的SFP的配置界面（局部）截圖。

圖6 Virtuoso網管功能SFP的配置界面圖

圖7為Virtuoso網管功能的解碼模塊的配置界面截圖。

以上，對Virtuoso TICO編解碼器功能特性及在總臺播出系統中的實際應用做了詳細介紹。

11 結束語

圖7 Virtuoso網管功能解碼模塊的配置界面截圖

超高清電視清晰細膩的畫面、豐富逼真的色彩和高質量的聲音給人們帶來了全新的視覺享受，同時，也給電視臺超高清電視節目播出提出了更高的要求。目前，中央電視臺4K奧林匹克超高清頻道播出系統已建設完成，精彩的4K超高清體育節目即將與觀眾見面。在消費升級的大背景下，隨著超高清視頻產業的不斷更新、流媒體技術的不斷發展，廣電傳媒與5G新技術的接軌，使得節目的制作、播出和傳輸會更加便捷和高效，會有更多4K超高清頻道開播，越來越多高質量的超高清節目將呈現給觀眾。更美好的未來值得期待！