中央廣播電視總臺8K超高清電視制播技術及春晚應用

趙貴華

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

中央廣播電視總臺（以下簡稱“總臺”）為了推動2021央視春晚開展技術創新，以北京冬奧8K轉播為目標，以總臺超高清視音頻制播與呈現國家重點實驗室為研究平臺，聯合企事業科研單位，積極推進總臺8K超高清電視的科技創新，研發了8K制播呈現全鏈路試驗系統，包括8K演播室和后期制作系統、8K IP主控調度分發系統、8K播出系統、8K AVS3編解碼系統、8K IP電視集成分發和接收系統。

2021年2月1日至2月28日，總臺8K超高清電視頻道在臺內以IP網和5G網組播方式進行播出試驗。2月11日除夕夜，總臺8K超高清播出試驗頻道對2021年央視春晚進行8K直播，為廣大用戶提供了超清畫質、絢麗多彩的視覺盛宴。

1 世界8K超高清電視發展情況

日本是最早開展8K超高清電視技術研究和電視節目制作播出的國家。2018年12月日本開通了首個8K超高清電視頻道，并以衛星傳輸的方式播出，分辨率為7 680×4 320，幀率為59.94P ，色彩深度為10 bit，采用HEVC編碼，碼率為100 Mb/s。歐洲近幾年對體育節目和國際重大賽事進行了8K超高清電視的衛星傳送。2018年5月歐洲衛星運營商SES首次通過其衛星系統播出8K超高清電視信號，分辨率為7 680×4 320，幀率為60P，色彩深度為10 bit，采用HEVC編碼，碼率為80 Mb/s。而對于北美，基本上是采用網絡流媒體服務的方式提供超高清電視節目，未見到正式的8K超高清電視節目播出。

2021年2月1日，央視8K超高清電視頻道播出試驗儀式在北京梅地亞中心順利舉行，發布儀式現場播放了8K超高清電視頻道試驗系統籌備建設宣傳片，展示了8K技術給電視帶來的全新升級。按照國家《超高清視音頻產業行動計劃（2019年—2022年）》預測，2022年中國超高清視頻產業總體規模將超過4萬億元。根據全國家用電器工業信息中心的數據，2019年中國8K電視銷量約2.3萬臺。從近年來電視行業整體發展情況來看，電視機已進入存量市場，年銷量保持在470萬臺左右，按照5%的滲透率計算，2022年8K電視銷量預計將達到23.5萬臺。

2 總臺8K超高清電視制播創新研究

2018年10月1日總臺開播了4K超高清電視頻道，加快推進了4K超高清節目內容和4K電視機的快速發展。近兩年來，總臺注重8K超高清技術的研究，承擔了相關科研項目和重大活動超高清制作，積極推動了8K超高清技術和項目的創新發展。

2.1 5G+4K/8K超高清制播示范平臺項目

2020年，總臺牽頭承擔了國家發改委“5G+4K/8K超高清制播示范平臺”項目，項目建設內容包括在總臺北京總部和上海傳媒港建設5G+4K/8K超高清制播系統、5G超高清業務傳輸網絡等基礎設施、建設便攜式5G+4K/8K直播編碼傳輸系統、AVS2/AVS3標準超高清電視影院直播系統，以及5G和超高清相關測試體系等。該項目在建設的同時，開展科研創新完成5G+4K/8K相關系統設備的研制，并制定國家或行業技術標準。項目建成后，將首次實現基于5G技術的“云管端”全新業務模式，形成年產10 000小時超高清節目制作能力，并全面對接總臺電視、新媒體、電影平臺，實現4K/8K超高清電視節目在各平臺的直播、點播，滿足人民群眾更高的收視體驗需求。

2.2 8K超高清圖像測試序列

超高清圖像測試序列是廣播電視圖像質量主觀評價的基礎，廣泛應用于廣電技術裝備與節目質量的檢測。總臺聯合國家廣電總局規劃院，共同制作的4K/8K超高清電視圖像序列獲得國際高度認可，其中65個超高清電視圖像序列已被ITU（國際電信聯盟）接受，成為ITU-R BT.2245國際標準，并應用國際4K/8K超高清電視系統設備技術評估。

2.3 國內重大活動的8K超高清制作

總臺采用8K超高清技術錄制了國慶70周年慶祝活動和2020年央視春晚，獲得了大量的8K超高清節目素材并積累了豐富的8K制作經驗。2020年，總臺制作了首部全流程8K系列紀錄片《美麗中國說》，共5集，每集30分鐘。這是總臺首部以自然為題材的8K系列紀錄片，該片用8K超高清技術真實地再現了中國特有的大熊貓、羚牛、中華秋沙鴨等物種憨態可掬、自由自在的生存狀態，無論是在國內還是在國際傳播中都受到人們真心喜愛和廣泛歡迎。這部高品質的8K系列紀錄片也是總臺全面構建“5G+4K/8K+AI”戰略布局、推動技術和內容深度融合的最新成果。

2.4 4K/8K超高清制播平臺研究項目

隨著超高清制播技術的發展，廣播電視系統基礎架構逐漸由SDI向IP化過渡。2019年，總臺負責科技部4K/8K超高清制播平臺項目研究，主要研究國產化超高清IP制作技術和設備，包括研發大帶寬、高吞吐量滿足廣電IP技術標準的國產化路由交換設備，開發SDN綜合控、管、監管理系統，構建IP調度交換矩陣的組網架構和組網技術、業務流調度、可視化監控監測方案，基于IP架構的國產化媒體節點產品研發和歸一化視音頻信號處理產品研發，并對PTP時鐘在廣電IP域中組網方式進行研究以及IP架構在現場制播系統的應用適配研究等。

2.5 科技冬奧8K重點專項研究

總臺負責了科技冬奧重點專項“超高清8K數字轉播技術與系統項目”，針對8K數據量大、碼率高、效率低的困難與挑戰，重點研究冬奧賽事的8K圖像收錄、處理、存儲、傳輸、顯示技術和轉播系統。項目圍繞“冬奧超高清8K數字轉播技術與系統”采集制作、編碼傳輸和終端呈現，從關鍵技術、平臺構建和應用示范三個層次進行研發和實踐。研究8K內容采集制作關鍵技術并制定適合中國的8K電視轉播制作的流程和規范；研究基于有線電視網絡超高清8K跨域傳輸覆蓋、入戶接收技術及應用，并對超高清8K圖像顯示技術和終端設備進行研制，構建涵蓋采集、制作、編碼、傳輸、點播和呈現于一體的冬奧超高清8K數字轉播平臺。

3 總臺8K超高清電視制播系統

2020年，總臺依托國家重點實驗室，聯合華為、格非、當虹科技等視音頻技術廠商，共同開展技術研究，積極推動超高清技術創新發展，整個研究涵蓋了從前端制作、調度分發、播出控制到終端呈現等系統，具備了全流程8K視音頻編輯制作和播出分發能力。

3.1 8K電視演播室和后期制作系統

8K超高清電視演播室系統采用SMPTE-2110國際標準進行無壓縮8K信號制作，系統中切換、拍攝、放像、字幕包裝等8K設備均采用IP信號，實現高帶寬低延時處理和傳輸。演播室輸出采用4個12 Gb/s的視頻IP組播信號流方式實現8K超高清信號傳輸。8K超高清電視節目視頻錄制信號格式為7 680×4 320/50p、HLG/1 000 nit、10 bit、BT.2020色域，音頻格式為5.1環繞聲格式。

總臺建設4K/8K超高清后期制作系統，可直接導入8K超高清原碼文件（如XAVC）進行編輯，也可采用4K或高清代理編碼制作流程。編輯完成后，輸出成品工程文件到精編工作站套片，完成編輯、調色與音頻文件交互、合成等工作，確保8K超高清電視節目圖像的高質量要求。圖1為8K電視演播室和后期制作系統。

3.2 8K IP主控調度分發系統

8K IP主控調度分發系統主要負責全臺各8K超高清電視制播系統間的8K超高清電視信號調度和分發。對于視頻信號，按照SMPTE ST 2110標準進行IP化封裝并采用4個12 Gb/s的視頻IP組播信號流方式實現全臺各系統間8K超高清電視信號的調度和交換；對于外來的8K信號，按照臺內統一標準進行處理后，納入全臺調度系統使用。音頻信號按照SMPTE ST 2110標準進行全臺范圍分發，按照4個音頻IP組播流方式實現8K超高清信號的全臺各系統間的調度和交換，各制播系統按需從IP流中取用。圖2為8K IP主控調度分發系統。

3.3 8K 超高清電視播出系統

8K超高清電視播出系統用于播出的控制、管理、監控，其視音頻交互接口采用無壓縮IP或SDI，IP鏈路采用4路SMPTE ST 2110標準作為封裝調度的參考依據，SDI鏈路采用4路12 Gb/s信號傳輸。4路子畫面的分割采用SQD方式。對HDR、環繞聲和三維聲的元數據及編碼信號進行透傳。

8K超高清電視節目文件格式采用SQD方式分割為4個4K子文件，節目文件整備主要來自于臺內制作島，制作島將成品播出節目文件及其技審單送播；節目單據由播出系統內部生成與管理，節目文件技審單由制作島送播文件時一并提供。圖3為8K超高清電視播出系統。

圖1 8K電視演播室和后期制作系統

圖2 8K IP主控調度分發系統

圖3 8K超高清電視播出系統

3.4 8K AVS3編解碼系統

AVS3標準是中國具有自主知識產權、聚焦8K超高清的視頻編解碼標準，總臺以此為基礎構建了8K超高清電視傳播體系。AVS3標準創新了塊編碼結構模式，在運動模型方面引入高階參數模型，并通過塊匹配方法在參考幀中找到最佳匹配。推進AVS3標準的應用，使得中國在4K/8K超高清產業標準和專利上擁有自主權，有利于推動中國超高清視頻產業快速健康發展。

8K超高清電視信號編碼器，具備4×12 Gb/s和SMPTE ST 2110的8K超高清信號輸入接口，ASI和TS/IP碼流輸出接口；8K超高清電視信號解碼器，具備ASI和TS/IP碼流輸入接口，4×12 Gb/s和SMPTE ST 2110的8K超高清信號輸出接口。圖4為8K AVS3編解碼系統。

3.5 8K IP電視集成分發和接收系統

8K超高清IP電視播控平臺，實現了基于IP化的8K信號播出和控制，總臺IPTV網絡直播組播傳輸遵循UDP協議，組播中的節目采用透明傳輸，利用用戶分組來鑒權管理；時移、回看單播傳輸遵循HLS協議。8K超高清電視視頻采用AVS3標準，碼率不低于120 Mb/s，音頻采用信源透傳。

總臺以華為海思芯片為核心，研發了8K編解碼器和8K/4K轉換器等設備，滿足8K超高清電視終端呈現需求。8K機頂盒解碼芯片支持AVS3輸出HDMI 2.1接口。圖5為8K IP電視集成分發和接收系統。

4 2021央視春晚8K超高清電視制播呈現

為了規范8K超高清電視制播和2021年央視春晚8K應用，2021年1月總臺發布了《中央廣播電視總臺8K超高清電視節目制播技術要求》，內容涵蓋8K節目制播流程、視音頻基本技術參數、視音頻制作技術要求、總控系統技術要求、播出系統技術要求、播出信號編碼壓縮技術要求、分發技術要求、大屏幕顯示技術要求等方面。2月1日，總臺8K超高清電視頻道在臺內以IP網和5G網組播方式進行播出試驗，用戶可通過8K AVS3機頂盒收看。同時，總臺聯合中國移動、中國電信、中國聯通以及中國廣電，除夕夜將央視春晚的8K超高清電視信號傳送到北京等10個城市公共場所的大屏幕同步直播。圖6為2021年央視春晚8K超高清制播和屏幕呈現流程。

圖4 8K AVS3編解碼系統

圖5 8K IP電視集成分發和接收系統

圖6 2021年央視春晚8K超高清制播和屏幕呈現流程

4.1 信號制作和傳輸

為制作2021央視春晚8K PGM節目信號，總臺在春晚演播大廳布置了9臺8K攝像機，其中包括3臺訊道機和6臺單機進行拍攝。在8K導控室部署了8K播放服務器和字幕包裝設備，通過8K演播室系統輸出主備兩路央視春晚8K PGM節目信號。圖7為8K超高清演播室系統和立柜機房。

在光華路辦公區總控機房新建IP主控調度分發系統，實現8K信號調度系統的部署和應用。該系統采用無壓縮IP化方式，實現全臺8K制播系統間的信號調度分發，確保8K畫面的質量和效果。在復興路辦公區三層播出域建設8K頻道播出系統，春晚8K直播送播信號格式為8K HDR、5.1環繞聲+立體聲。在光華路辦公區總控建立8K AVS3編碼系統對播出傳送的信號進行處理，并提供主備兩路120 Mb/s碼率的8K信源送至IPTV平臺進行分發。總臺和浪潮集團聯合研發了國內首款8K信號接收機頂盒。該機頂盒采用華為海思最新芯片可對8K央視春晚視頻流進行解碼，滿足8K終端設備收看需求。

4.2 屏幕呈現

為了向臺內用戶展示央視春晚8K超高清圖像，總臺在北京四址、上海國際傳媒港及深圳大灣區制作中心共6個辦公區制作了超高清技術展板，設立了LED屏幕或8K電視機。總臺IPTV平臺接收總控傳輸的AVS3編碼格式的8K節目流，使用流媒體集群系統通過總臺內部網絡推送UDP組播流視頻信號和HTTP單播流視頻信號，輸出碼率為120 Mb/s，總臺用戶可通過8K機頂盒直接收看8K春晚節目。

同時，總臺聯合四大運營商將央視春晚8K播出信號傳輸到北京、上海、深圳、廣州、成都、杭州、濟南、青島、海口、福州10個城市的35塊戶外大屏幕或8K電視機同步呈現，8K超高清大屏均選擇城市地標景點或人流集中的廣場進行部署。總臺IPTV平臺通過專線傳輸UDP組播流視頻信號和HTTP單播流視頻信號至當地8K超高清機頂盒，同時通過專門研制的解碼設備將HDMI2.1信號轉4路HDMI2.0或者12 Gb/s信號，最終將解碼后的4路信號傳輸給8K超高清戶外大屏呈現。圖8為成都和廣州兩地8K央視春晚屏幕呈現現場。

圖7 8K超高清演播室系統和立柜機房

圖8 成都和廣州8K央視春晚屏幕呈現

2021年春節期間，總臺開展8K超高清電視頻道播出試驗，并進行央視春晚8K直播，對全球8K超高清電視發展具有引領和示范意義，這標志著中國已走在世界超高清電視發展的前列。總臺以2021年央視春晚8K超高清電視直播為契機，將繼續發揮在視音頻制作領域的技術優勢，加快推進超高清電視的創新發展，讓廣大人民群眾真正體驗到8K超高清節目帶來的無以倫比的視聽享受，助力中國超高清電視產業快速發展。