4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

吳清曉

（海南廣播電視總臺(tái)，海南 海口 570100）

0 引 言

超高清視頻產(chǎn)業(yè)是近年來國(guó)家、社會(huì)及企業(yè)普遍關(guān)注的信息化建設(shè)內(nèi)容。工業(yè)和信息化部和國(guó)家廣播電視總局等部門于2019年發(fā)布的《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019—2022年）》明確指出，加快發(fā)展超高清視頻產(chǎn)業(yè)，對(duì)滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要、驅(qū)動(dòng)以視頻為核心的行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型以及促進(jìn)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)和文化產(chǎn)業(yè)整體實(shí)力提升具有重大意義。超高清視頻產(chǎn)業(yè)是產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展的核心內(nèi)容。在國(guó)家政策和行業(yè)發(fā)展的引導(dǎo)與刺激下，各地區(qū)的廣播電視媒體開始探索基于超高清技術(shù)的播出系統(tǒng)及其應(yīng)用模式，逐步提出了打造4K超高清播出系統(tǒng)的設(shè)想和具體方案。

1 4K超高清播出系統(tǒng)概述

4K超高清播出系統(tǒng)是圍繞電視節(jié)目播出方式和效果進(jìn)行的技術(shù)性革新［1］。近年來，廣東廣播電視臺(tái)和廣州市廣播電視臺(tái)等電視臺(tái)的系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐表明，該類播出系統(tǒng)具有高清晰度、高動(dòng)態(tài)范圍及圖像還原更真實(shí)等特點(diǎn)。

1.1 高清晰度

超高清是4K超高清播出系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。高清晰度體現(xiàn)在畫面具有較高的分辨率。4K超高清播出系統(tǒng)的分辨率效果可以達(dá)到3 840×2 160，顯示的像素點(diǎn)數(shù)是HD高清的4倍，且可以實(shí)現(xiàn)最低50幀的逐行掃描，最高可達(dá)100～120幀［2］。4K超高清播出系統(tǒng)的高清晰度和高幀頻特點(diǎn)能夠極大地改善電視節(jié)目的播出效果，增強(qiáng)觀眾的觀看體驗(yàn)。

1.2 圖像還原更真實(shí)

與傳統(tǒng)標(biāo)清（Standard Definition，SD）和高清（High Definition，HD）的色域范圍相比，4K超高清播出系統(tǒng)的色域范圍可以達(dá)到Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)。基于4K超高清播出系統(tǒng)的UHDTV超高清電視的色域相比基于HD高清電視的色域范圍有了更大的擴(kuò)充，提升了畫面的色彩豐富度，使電視節(jié)目中的圖像呈現(xiàn)更加接近真實(shí)環(huán)境［3］。例如，在使用基于4K超高清播出系統(tǒng)的電視收看足球比賽時(shí)，觀眾可以明顯區(qū)分球員衣服上的紅色與現(xiàn)場(chǎng)LED顯示屏上紅色的深淺度。

1.3 高動(dòng)態(tài)范圍

4K超高清播出系統(tǒng)使用4K高清標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR），可以顯示出超高清的圖形。播出系統(tǒng)的帶寬從原來的HD 3 GB提升到了4K超高清的12 GB，使得電視信號(hào)的傳輸網(wǎng)絡(luò)更加暢通、快速，增加了動(dòng)態(tài)畫面的傳遞效果。

1.4 功能強(qiáng)大

4K超高清播出系統(tǒng)不僅具有節(jié)目播出功能，而且具有內(nèi)容編輯的功能。例如，基于4K超高清播出系統(tǒng)組建的超高清IP電視具有強(qiáng)大的兼容性和靈活的輸入輸出特性［4］，支持基帶數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）信號(hào)、IP流上的基帶SDI以及IP流上的壓縮域傳輸流（Transport Stream，TS），用于實(shí)時(shí)的電視信號(hào)輸入與輸出，從而為相關(guān)工作人員提供內(nèi)容編輯功能。

2 4K超高清播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

圍繞超高清播出功能的實(shí)現(xiàn)，4K超高清播出系統(tǒng)進(jìn)行了一系列技術(shù)迭代升級(jí)，以提升電視播出的整體效果。結(jié)合目前一些地區(qū)的相關(guān)實(shí)踐來看，超高清播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要遵循以下思路。

2.1 播出系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

4K超高清播出系統(tǒng)主要包括播控、總控、編單、整備、傳輸、監(jiān)管及輔助7個(gè)子系統(tǒng)。其中，播控子系統(tǒng)處于核心地位，與其他6個(gè)子系統(tǒng)保持交互關(guān)系，保證系統(tǒng)的有序運(yùn)行和節(jié)目的順利播出。總控子系統(tǒng)與播控子系統(tǒng)連接，向播控子系統(tǒng)傳輸4K視音頻信號(hào)；編單子系統(tǒng)主要承擔(dān)電視節(jié)目單的編輯和審核，并為播控子系統(tǒng)自動(dòng)切換播出素材與疊加臺(tái)標(biāo)角標(biāo)提供相應(yīng)參考［5］；整備子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)按照節(jié)目單的編排內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)文件的遷移，并對(duì)素材與外來文件進(jìn)行相應(yīng)的編輯和存儲(chǔ)操作，確保素材滿足節(jié)目單的內(nèi)容編排要求；傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)播控系統(tǒng)與下游傳輸單位之間進(jìn)行信號(hào)交互，確保節(jié)目傳送到終端用戶；監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)播控系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握超高清系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，并及時(shí)進(jìn)行播出系統(tǒng)、硬件設(shè)備以及信號(hào)傳輸系統(tǒng)的故障運(yùn)維；輔助系統(tǒng)對(duì)播控系統(tǒng)的運(yùn)行日志內(nèi)容進(jìn)行交互，確保播控系統(tǒng)相關(guān)記錄的存儲(chǔ)與管理。

4K超高清播出系統(tǒng)的7個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)作，共同完成節(jié)目播出。4K超高清播出流程如圖1所示。

2.2 播出系統(tǒng)技術(shù)路線的設(shè)計(jì)

4K超高清播出系統(tǒng)主要通過4路3G-SDI基帶系統(tǒng)對(duì)視音頻鏈路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并配備All in One視頻服務(wù)器與倒換器，使系統(tǒng)具備硬盤播出和線路直播等功能。同時(shí)，設(shè)計(jì)者可以為系統(tǒng)配置相應(yīng)的同構(gòu)主備播出視頻服務(wù)器和異構(gòu)二備視頻服務(wù)器，采用多路備份使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中具有強(qiáng)大的容錯(cuò)處理能力［6］。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)配備有在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的視音頻鏈路的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 4K超高清播出流程

3 4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的問題

近年來，部分廣播電視臺(tái)基于4K超高清播出系統(tǒng)的功能及使用路徑規(guī)劃，探索構(gòu)建了以時(shí)碼控制技術(shù)、4K凈切換技術(shù)以及4K畫面一致性比對(duì)技術(shù)等為關(guān)鍵技術(shù)的4K超高清播出系統(tǒng)，為電視播出質(zhì)量和效果的提升提供了技術(shù)性支持。但是，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)尚處于深入探索階段，缺乏成熟的模式和完備的技術(shù)，因此在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建過程中經(jīng)常會(huì)遇到難題。具體來說，當(dāng)前4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意以下兩方面。

3.1 注重技術(shù)兼容性

4K超高清播出系統(tǒng)是對(duì)原有廣播電視播出系統(tǒng)進(jìn)行的技術(shù)性改革與性能提升，使電視節(jié)目在清晰度和觀看體驗(yàn)等方面有了明顯提升。4K超高清播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)及使用，需要有相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)施作為支持。如果僅播出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超高清升級(jí)，而廣播電視接收終端未進(jìn)行設(shè)備升級(jí)，則播出系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)內(nèi)容無法被用戶的廣播電視接收終端高質(zhì)量地接收和播放，導(dǎo)致4K超高清播出系統(tǒng)的真實(shí)使用效果大打折扣。因此，4K超高清播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要立足當(dāng)前多數(shù)廣播電視用戶的信號(hào)接收路徑和終端設(shè)備性能，以現(xiàn)有性能為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)，協(xié)調(diào)上游制作單位和下游傳輸單位共同參與，確保最終研發(fā)與應(yīng)用的系統(tǒng)能夠符合多數(shù)廣播電視用戶的節(jié)目收看方式，避免技術(shù)不兼容造成播出系統(tǒng)應(yīng)用低效的問題。

3.2 提升系統(tǒng)的故障預(yù)警處置性能

4K超高清播出系統(tǒng)由承擔(dān)不同功能的多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，且子系統(tǒng)之間是交互關(guān)系。這意味著任何一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，雖然不會(huì)必然導(dǎo)致整個(gè)播出系統(tǒng)出現(xiàn)故障，但不可避免會(huì)對(duì)超高清播出系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。同時(shí)，超高清播出系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有賴于各種類型技術(shù)設(shè)備的支持，如設(shè)備自身的性能和運(yùn)行周期決定了其發(fā)生故障的概率。因此，在4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要注意打造超高清播出系統(tǒng)的故障防范性能，使系統(tǒng)具備故障預(yù)防、故障報(bào)警以及故障反饋與處理等功能，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)前的技術(shù)水平尚難以完全實(shí)現(xiàn)播出系統(tǒng)故障的自動(dòng)化識(shí)別和處置，技術(shù)人員更多是通過系統(tǒng)報(bào)警來發(fā)現(xiàn)可能的故障點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障排查與修復(fù)。這要求廣播電視播出單位要積極儲(chǔ)備與4K超高清播出系統(tǒng)相匹配的專業(yè)技術(shù)人員，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、分析及解決系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的故障問題。

4 結(jié) 語

4K超高清播出系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)播出系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)提出的性能更高的技術(shù)類型。盡管目前我國(guó)已在國(guó)家層面開始大力推廣4K超高清業(yè)務(wù)，但廣播電視播出系統(tǒng)方面的研究與實(shí)踐尚處于起步階段。4K超高清播出系統(tǒng)具有的高幀率、高分辨率及全景聲等突出特點(diǎn)，將使其成為增強(qiáng)電視媒體傳播力和傳播效果的關(guān)鍵技術(shù)要素。在實(shí)際的4K超高清播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相關(guān)主體既要結(jié)合用戶的超高清體驗(yàn)需求和信號(hào)接收路徑與方式開發(fā)超高清播出系統(tǒng)，也要注重系統(tǒng)的兼容性和故障預(yù)警處置性能的提升，使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定和安全。