4K超高清傳輸及制作技術

宋吳宇

（溫州職業技術學院，浙江 溫州 325035）

0 引 言

國家廣播電視總局在2016-2018年相繼發布相關行業標準，并于2018年發布了《4K超高清電視技術應用實施指南》，在節目制作、播出、編碼、傳輸及顯示等重要技術參數方面提出明確要求，成為我國4K超高清電視發展的技術性綱領。而4K超高清技術的發展，將是我國廣電行業的又一次重大技術升級，涉及面廣、影響巨大，是一項復雜的系統性工程。

1 4K超高清技術

2014年巴西世界杯的部分重要場次首次采用了4K轉播方式，部分觀眾有幸參與了體驗。實際效果可以用驚艷來形容，卓越的畫質給觀看者帶來了極致的視覺體驗，使觀眾留下了深刻印象。對比現在的標清或高清，4K的優勢體現在諸多方面[1]。

（2）色深。色深主要針對顯示硬件，10 bit是4K技術規定的色深，要求RGB中每一個顏色有2的10次方，總數為1 024×1 024×1 024種色彩搭配，約10.7億種，相比于8 bit的色深1 677萬種顏色提升了64倍，差距懸殊。從實際表現來看，10 bit色深輸出的顏色更加飽滿，色階過渡也更加流暢。

（3）HDR。HDR全稱High-Dynamic Range，即高動態范圍圖像，跟普通圖像相比，其可以提供更多的動態范圍和圖像細節，類似于人眼自動適應光線變化的能力。通過高亮度渲染后的亮度調整，可以達到更佳的分辨效果。

（4）色域。色域即色彩空間，4K技術采用BT.2020色域標準。它覆蓋了CIE 1931色彩75.8%，是當前顯示設備中最大的色彩空間，遠遠超過HDTV所采用BT.709色彩空間。色域越高，顯示出的顏色就越多，高色域能比低色域顯示出更多種類的顏色，越能接近、還原事物原有的色彩。

（5）幀率。幀率即每秒的畫面數量，幀數越高，人眼所識別到的畫面越流暢。高幀數對應高帶寬，HDTV的標準幀數為24幀，國家廣播電視總局實施指南要求4K幀數為50幀，其畫面流暢度相比HDTV會有顯著提升，但占用空間相應地也會有所增加。

盡管4K技術具備諸多優點，但用戶要體驗到真正的4K，難度卻不小。例如，雖然消費者購買了4K顯示器，但真正的4K片源數量很少，可選擇余地很小。其次，普通家庭基本依靠網絡App或者IPTV觀看視頻，盡管網絡已經普及，但網絡速率穩定支持4K視頻觀看的條件尚不具備。最后，4K解碼芯片功耗較大，加上家庭用戶采用筆記本或手機觀看1 080P和4K影片時視覺觀感差別不大，因此4K需求在很大程度上都局限于各大電視臺和運營商內部，全面推廣還需時日[2]。

2 4K傳輸

隨著各級廣電機構和運營商的持續投入，4K項目建設正有條不紊地進行，隨之而來的是傳輸系統的相應升級改造。信號傳輸過程會根據不同的場景選擇不同的傳輸方式。

為了有效提高學生語言文字的應用能力，可以在閱讀或者課堂教學中開設各種實踐活動，這個活動設計可以由學生和教師共同參與，以此來加強學生在語言方面的訓練。在整個活動中可以讓學生的語言文字能力得到提升，使自身的學科素養不斷提高，同時還加強了教師與學生之間的交流和溝通。

2.1 基帶無壓縮方式

如果信號傳輸采用基帶無壓縮方式，傳統方式是采用文件化卡帶進行錄制，運送回節目制作單位進行制作，時效性差，需要大量卡帶用于節目存儲轉送。4K的基帶帶寬可以達到12 Gb·s-1，相當于1 080P HDTV的3 Gb·s-1的4倍，占用存儲空間是高清標準的8倍，非常消耗卡帶資源。因此也可采用以下3種傳輸方式[3]。

（1）當距離較短時，可采用同軸電纜方式完成。同軸傳輸也具有兩種方案，一種為單根12 Gb·s-1，建議傳輸距離小于50 m。另一種為3×4 Gb·s-1，即采用4根同軸電纜，每根電纜傳輸3 Gb·s-1，距離150 m左右。發送端需要同時發送嵌入SMPTE數據，接收端在接收到SMPTE數據后才可完全識別發送端的信號。這種方式一般將整個4K信號進行4等分分割（SQD-Square Division）或者二取樣交織（2SI-2 Sample Interleave）后，需要將音頻嵌入信號嵌入第一路3G-SDI中，同時，在接收端，4路信號的同步相當重要。SQD（Square Division）原理如圖1所示，2SI（2-Sample Interleave）原理如圖2所示。

圖1 SQD（Square Division）原理

圖2 2SI（2-Sample Interleave）原理

（2）具備光纖資源的條件下，可以選擇基帶信號光傳輸，一般光纖的帶寬為10 Gb·s-1，低于4K的帶寬，但4K攝像機可以將4K信號轉換為文件格式通過普通光纖完成傳輸。具備百G級別以上光纖資源的情況下，也可以直接使用4K信號傳輸。對于采用SQD或2SI方式的信號，需要在接收端完成信號的拼接。

（3）網絡資源豐富的地區，可以考慮通過IP的方式進行傳輸。攝像機輸出的HD-SDI信號通過網關完成IP轉換，進而進入數據交換機，利用當地OTN網絡，通過網絡傳輸進入制作機房。其缺點是必須要求網絡分配足夠的帶寬資源，網絡不穩定時，會出現嚴重的丟包丟幀現象。

4K基帶無壓縮方式傳輸方案如圖3所示。

圖3 4K基帶無壓縮方式傳輸方案

2.2 基帶壓縮編碼方式

1 080 P高清視頻的編碼大都采用H.264標準，而對于4K甚至8K分辨率的超高清畫質視頻，當前大多采用HEVC方式，即H.265編碼標準。H.264編碼標準的核心是采用16×16像素大小的宏塊，相比于H.264，HEVC提供了更多更優質的改進，主要體現在新增編碼樹單元（CTU），其功能與H.264的宏塊類似，但比H.264中的像素宏塊更大，最大可以支持64×64，最小16×16，尺寸由編碼器設置。更大的CTU在壓縮高像素視頻時表現更為高效。壓縮方式的改進使其效率提升了1倍以上，對于相同圖像質量的視頻，采用HEVC方式編碼只占用一半的空間。也可以這樣說，當兩者占用相同空間，HEVC方式的圖像質量更好[4]。

在信號傳輸過程中，如果帶寬或者光纖資源不足，可根據實際情況對信號進行壓縮編碼。壓縮后的帶寬可根據實際情況調整，基本在12～50 Mb·s-1。有測試機構對4K信號采用不同碼率編碼后，再對解碼后的信號進行測試，發現碼率在16 Mb·s-1時，解碼后的圖像質量下降較小，可考慮作為傳輸過程中的壓縮碼率，既保證了信號質量，同時也節省了帶寬資源。而經編碼后的信號會以ASI或者IP形式輸出，可采用衛星、光纖、有線網絡甚至5G無線網絡等多種方式完成傳輸。不管采用何種方式，傳輸帶寬均遠遠低于基帶信號，成為切實有效的傳輸手段。基帶壓縮編碼方式傳輸流程如圖4所示。

圖4 基帶壓縮編碼方式傳輸流程

（1）在既無光纖也無網絡的戶外環境，只能借助于衛星通道進行傳輸。受帶寬限制，只能采用壓縮編碼完成信號傳輸，上星碼率最高可達30 Mb·s-1，滿足高速傳輸的需求，還保證了很高的圖像質量。

（2）具有OTN網絡或者光纖資源的區域，具備4K基帶信號傳輸的能力。但基帶信號對帶寬要求極高，在遠距離傳輸過程中極大地消耗網絡的帶寬資源，使帶寬使用成本指數級提高，性價比不高。因此在實際應用中都會進行壓縮編碼，可根據接收端使用需求壓縮至12～200 Mb·s-1，在緩解網絡壓力的同時，大大降低了傳輸成本，傳輸過程甚至可以在SDH這樣的舊一代傳輸網絡中完成。

（3）現在市面上的4K編碼器具有傳統ASI接口輸出和網絡IP接口輸出，可滿足不同場合需求。在網絡發達地區，IP傳輸表現得更為方便靈活，但也有其不可忽視的缺點。受制于網絡的特性，延時成為一個不可忽視的問題。在保證圖像質量和低延時的情況下，IP傳輸將成為一個可靠的手段，相比于傳統光纖有著更低的使用成本，定會成為未來信號傳輸的一個重要手段。

（4）隨著5G網絡的大規模部署和商用，5G+4K概念被提及，即開展基于5G網絡的4K超高清視頻傳輸、VR制作及編輯等多項應用。隨著技術的逐漸成熟，其已經開始在很多場景應用。在網絡發展迅猛的今天，流媒體快速發展，以后還會不斷有新的、更具吸引力的流媒體服務推出，滿足人們對更高視頻質量的觀看需求，因此5G+4K在這一領域成為當下最完美的組合。

4K的傳輸技術及方案經過多年的技術積累與沉淀，已經在應用過程中逐漸走向成熟，相信在不久的將來將會送入千家萬戶，大大提升用戶的觀看體驗。

3 4K制作

4K畫面的分辨率相比于現有的高清畫面提升了4倍之多，在視角角度方面也比現有高清畫面大得多，可以使觀眾獲得更佳的臨場感和感官上的震撼。但4K的制作、傳輸等一系列流程投入巨大，如果使用傳統的現場制作方式，需要消耗大量的人力、物力及財力。而如果利用當前發達的光纖資源或者網絡技術實現遠程制作，現場團隊制作人員可以大大減少。

3.1 現場制作

4K現場制作的演播室、轉播車等方案已經成熟。系統架構與傳統高標清架構類似，區別在于設備，如4K攝像機、4K切換臺及4K監看等。攝像機受基站控制，實現信號采集。4K基帶信號從攝像機輸出，進入基帶信號處理單元。信號處理單元將12G SDI或4×3G SDI信號送往切換臺或者矩陣。采用4×3G SDI方式，4路信號綁定切換臺邏輯，即4路信號同切模式。現場制作需要部署攝像機、基站、切換臺、調音臺及收錄系統等大量設備，制作成本高昂。

隨著網絡的快速發展，IP網絡化部署成本急劇下降，業內人士認為IP化現場制作也許會成為一個主流方向。但IP化發展也面臨技術發展過程中普遍存在的問題，即技術標準的統一。架構方面采用類似SDN（軟件定義網絡），用IP交換機取代傳統的基帶矩陣，但交換機協議和功能上的劃定方面，還是體現出各個廠家之間的博弈。一些廠商建議使用為傳統音視頻傳輸使用的專用交換機，但價格較高。而另一部分廠商推薦使用通用化交換機，使用成本較低，并且更符合SDN架構中的交換機功能。然而最終哪種方案被廣泛接受，業內并未達成共識。最后的選擇仍取決于用戶。SDN架構現場制作方案如圖5所示。

圖5 SDN架構現場制作方案

3.2 無壓縮遠程制作

一般所說的無壓縮是相對于4K攝像機的源信號，在后續的傳輸環節不增加壓縮編碼，透傳發送。但當前市面上的4K攝像機為了傳輸環節考慮，輸出信號實際上都經過了淺壓縮處理。無壓縮遠程制作方案如圖6所示。

圖6 無壓縮遠程制作方案

攝像機系統的光纖模塊將光信號直接接入DWDM系統業務單元，完成信號傳輸，實現遠程制作。這里需要注意的是，攝像機的光纖模塊波長必須符合ITU標準要求的標準波長，DWDM才能完全識別。如果攝像機的光纖模塊波長無法被DWDM識別，則需要在DWDM前端增加波長轉換器，將波長轉換為DWDM可識別的標準波長。接收端反向操作，還原信號。也可以實現基于DWDM的基帶信號遠程制作。

攝像機系統自身適配的IP輸出模塊可將信號直接接入現場側數據交換機，數據交換機單個接口帶寬可達25 G以上。如果多機位同時工作，可以使用數據交換機多個端口Trunk來擴展帶寬。數據交換機以光口輸出接入DWDM，本地DWDM業務單元輸出進入本地側交換機光口，電口輸出接入制作系統，在城域內網絡延時只有幾毫秒，完全滿足制作要求。

3.3 壓縮遠程制作

信號的無壓縮遠程制作能夠使圖像質量得以完整保留，但由于其超大的帶寬，嚴重占用光纖網絡的帶寬資源，成本居高不下。因而，可以考慮在圖像質量和碼率方面做出一些犧牲，有效降低傳輸帶寬，降低帶寬使用成本。當前業界認為比較成功的淺壓縮編碼方式有TICO和JP2K兩種，實際操作過程中其效果都接近于無損級別。

TICO（Tiny Codec）是一種數據淺壓縮技術。淺壓縮是基于小波算法逐幀實現視頻壓縮，有效降低了視頻傳輸延時。該技術采用4∶1壓縮算法將4K 12 G信號壓縮至3 G帶寬，很好地適配了現有高清的3 G網絡，成為遠程制作的優選項。

JP2K也是基于小波變換的壓縮編碼方式，不同于JPEG離散余弦變換（DCT）的壓縮編碼方式。與TICO相比，兩者性能相當，壓縮比低，計算復雜度高，3G級帶寬無法滿足其傳輸要求。如果作為遠程制作使用，需要10 G級別的帶寬。如果要實現多機位的遠程制作，帶寬壓力更大。

因此，即使TICO和JP2K都能對4K基帶信號進行一定的壓縮處理，使其占用帶寬相應減少，但對于大型賽事等需要多機位同時制作的場景，網絡帶寬壓力陡增。再加上編解碼延時、網絡延遲過高等影響，遠程制作效果不及預期，并不是推薦選項。

隨著5G商用網絡的普及，5G+4K的傳輸與遠程制作應用方案已經在部分場景使用。穩定的網絡、超低的延時、低廉的傳輸和制作成本、簡單的一站式解決方案等一系列優點，使其成為未來極具潛力的優質方案。爆發的自媒體和云計算的加入更使其如虎添翼，市場上基于云計算的遠程制作中心已經初露頭角，未來必定在制作領域占據一席之地。

4 結 語

基于信息技術和網絡技術的快速發展，4K在傳輸和制作方向上呈現出多種態勢，可根據實際情況選擇最優方案。安全穩定的傳輸方案為制作提供了良好的基礎保障，上佳的制作又能通過傳輸技術將優質的畫面展現在用戶面前。兩者相輔相成，相互促進。網絡技術的爆發式發展引領了新一代的傳輸和制作技術方案的形成，IP化以其精簡的架構、快速的部署、高效的運作以及低廉的運營成本吸引了眾多潛在客戶，運營商們及時跟進加速產業布局，科技廠商加速相關軟硬件設備研發，積極應對4K高質量傳輸和高效遠程制作。