基于IP流的4K超高清播控系統應用分析

鄭燕龍，張雪霏，郝小佩

（1.河北省廣播電視七一七發射臺，河北石家莊，050000；2河北廣播電視臺，河北石家莊，050000；3河北省廣播電視衛星地球站，河北石家莊，050000）

1 基于IP流播出的4K的應用概述

當前科學技術的進步，帶動了4K電視的普及。作為常見電視，4K電視具有較高的分辨率，且可從以下6個維度，向4K擴展。

（1）高分辨率

2K高清（1080×1920）向4K超高清（2160×3840）分辨率。

（2）寬色域

可展現更豐富的色彩，使顏色更加鮮艷，提高視覺體驗。

（3）高幀率

高幀率為專業術語，電視的本質是一幀一幀的圖像，通過人眼短暫記憶，構成畫面。以前電視通過24幀圖像，構成一秒的畫面，而現階段，4K電視為逐行掃描，可達到120 P。

（4）高量化

由8bit高清量化至4K超高清的10bit或者12bit，使顏色展現的更加真實，并且對于紅色和綠色等給觀者以身臨其境的感覺。例如足球比賽的觀看中，球場綠色草坪，運動員球衣，均展現的十分鮮明。此外，球員腿部動作和踢球動作，均可清晰表現出來。

（5）高保真音頻

采用7.1或5.1聲道，使聲音更加真實，聽覺更加舒適，適用于娛樂。

（6）高動態范圍

SDR高清到超高清4K圖像，同時亮度空間由709γ提升到HDRγ。

另外，高清的重要區別在于帶寬，從高清3GB向4K 12GB超高清對網絡的暢通要求更高。基于IP流的4K超高清播放系統建設，需要對以下幾個問題進行全方位的考慮，才能確保其播放過程的安全性和播放效果的時效性。

SDI基帶信號向IP化信號轉化問題：隨著新媒體技術的快速發展，傳統SDI架構已無法滿足信息時代下的要求，向IP化系統轉化已成趨勢。IP架構建設下的視音頻傳輸，不僅能夠實現遠距離視音頻的傳輸，還能夠實現視音頻在不同平臺間的高效傳輸。

系統IP化后的同步問題：在SDI基帶信號系統中，需要對整個基帶信號系統進行精準控制，來確保系統信號的同步性，以保證視音頻播出切換的準確性。在系統IP化后，也需要有效解決信號同步問題，才能確保4K超高清視音頻的播出效果。

IP系統時鐘同步精度問題：在4K超高清播放過程中，需要確保時鐘同步精度，來實現音視頻的幀同步，以保證音視頻播放畫面的穩定性。

播出安全問題的考慮：系統IP化后，播出安全問題仍然是需要重點關注的問題。因此，應以IP系統的穩定性和可靠性為基礎，構建個性化播出平臺，提高系統的監管和控制能力，確保基于IP流下4K超高清播放安全的高效性。

2 SDI over IP及IP化矩陣

2.1 SDI基帶信號向IP化系統的轉化

SDI基帶信號向IP化系統的轉化將是一個循序漸進的過程，而隨著IP化封裝技術的日漸成熟，4K/IP已經成為現實。在SDI基帶信號向IP化系統的轉化過程中，傳統SDI矩陣將被SDI over IP矩陣所代替，能夠利用IP和SDI轉換設備，在IP矩陣中實現數據的實時處理等功能。IP矩陣能夠使視音頻在各幀之間無縫切換，并能夠對所有信號在任意輸入輸出間進行調度，最終轉換為SDI基帶信號輸出到相應的終端之上，從而完成SDI 基帶信號向 IP 化系統的轉化。

2.2 TS over IP

在4K超高清播放系統中，需要將衛星信號、壓縮的音視頻、加密的衛星節目或本地加密節目轉換為IP流數據來進行傳輸，即TS over IP的過程。此過程中主要利用衛星接收機、編碼器等設備，通過以太網接口來對IP化數據流進行輸出。

2.3 IP流調度矩陣

IP流調度矩陣，能夠通過矩陣式管理模式，對輸入的IP信號實現不同業務平臺之間的輸出和切換，利用其編解碼技術優勢，有效保障了各幀之間的平滑無縫切換，避免了視音頻播放時馬賽克、黑場等異常現象的發生，使4K超高清音視頻的播放始終處于良好狀態。IP流調度矩陣切換原理主要是利用Buffer緩存技術，在切點附近局部編解碼，避免了中間某幀編解碼而引起的馬賽克、黑場、靜幀、停滯等現象，從而給用戶以良好的觀看、收聽體驗。

需要注意的是，IP流調度矩陣的安全性尤為重要，需要通過主備并行工作、斷電直通等各種保障措施來確保其安全運行。如圖1所示為斷電直通安全措施，即通過預先配置的方式，將斷電直通時輸出對應的缺省輸入流地址和端口號相互對應，當由交換機1所輸入的原節目流經至流矩陣網口1后，通過IP流調度矩陣的切換，將原節目流由網口2輸出至交換機2。

圖1

3 同步及PTP網絡校時系統

SDI視音頻傳輸架構下，必須保證時鐘信號的同步性，而在IP化架構模式下，時鐘信號的同步技術仍然占有關鍵地位。PTP時鐘同步技術的使用，其授時精度更高，能夠有效解決IP化系統中各設備之間的時間同步問題，使頻率、時間等的同步精度更加精確。在PTP網絡校時系統中，只有主從時鐘同步，才能保證4K超高清的播放效果。具體實現流程為：主時鐘按周期發出 PTP 時間同步協議及時間戳信息，從時鐘對接收時間差進行計算，并在時間差中及時調整本地時間，使主從時鐘始終保持相同的相位和頻率。

4 IP信號的靜態切換

目前的IP信號在4K超高清播控系統中的凈靜切換方案主要依靠IP矩陣分組切換模式來完成，其切換控制命令通過PTP協議傳輸來完成，無法確保各臺設備之間的切換操作能夠完成同步完成。再加上IP化視頻流的轉換主要以數據包為單位的形式來完成，無法準確判斷視頻幀的具體位置，從而出現視頻畫面不穩定、雪花或音頻異常等現象，降低了IP信號靜態切換效率，直接影響著用戶的觀感體驗，無法滿足用戶的需求。現階段，在IP信號的靜態切換過程中，主要采用多路凈靜切換方法，使用緩沖方式，來實現4K超高清的多路切換。在未來發展過程中，IP信號靜態切換技術仍需不斷完善，向著更加先進、更加智能化的方向發展。

5 以IP流為技術支點，搭建高清播控程序的應用思路

5.1 播控流程

為保證高清頻道播出程序運行的平穩性，整體業務流程，應有效控制原有流程的精簡性，以總控任務為中心，輔以融合人工調度策略。播控時，以節目編輯、節目準備、節目播出三個環節，進行播控處理。

5.1.1 總控調度模塊的應用

在總控調度模塊中，播控人員手動編輯播出的節目任務，編輯完成時，提交播控申請。由總控調度中心，接收手動提交的播控節目。（2）由外部系統，傳送播控節目。總控調度中心，接收外部系統的節目播出申請。（3）節目播出的管理方案，傳輸給總控調度中心。

5.1.2 文件傳送模塊的應用

文件傳送模塊，是保障文件備播資源充足性的關鍵程序。（1）由文件制作中心，向文件備播模塊傳送控播節目。（2）將媒體備用節目資源，傳送至文件備播模塊。

5.1.3 信號處理模塊的應用

（1）節目編排結果，傳送給播出控制程序，保證節目播控的有序性，防止串播、漏播等問題。（2）文件質量檢測時，引入素材管理模塊，排查播出文件的質量問題，保證播控程序的質量檢測效果。（3）由文件傳送、介質導入兩個模塊，共同向文件備播程序傳送待播資源。在文件備播準備完成時，向文件質控發起素材管理申請。在素材問題排查完成時，進入播出控制流程。在節目順序編排無誤時，進入節目播出程序。在播出信號時，由信號切控程序接收。此信號控制模塊，同時接收總控調度傳輸的信號，確保各項待播節目排序的準確性，保證節目播出質量。

5.2 系統安全

在總控程序運行時，應保障系統運行的安全性。結合播控程序的運行特點，采取多種措施，構建防護體系。依據信息安全的各項保障工作，分別從計算環境、播控區域、安全用網等視角，構建播控安全體系，保障播控質量。比如，在安全用網中，引入防火墻技術，阻止異常網址訪問，確保系統安全。

5.3 混合鏈路播控技術的應用

總控系統建設時，文件標準為ST2110，IP鏈路的搭建規范為ST2022-7。在系統搭建完成時，系統間協議的融合性、運行能力、系統平穩性等，均潛在一定風險。為保障總控程序運行秩序，采取主備信號鏈路的建設方式，合理增設了二備信號，以“IP+基帶”聯合形式，保證鏈路運行穩定。在系統運行時，鏈路數量共有四個。在IP切臺時，具備的播控功能有：服務器傳出信息、總控外部系統的信息交互，播控字幕的設計。各類播出節目，均以轉換設備進行信號處理，在IP交換機的信息加工程序中，形成信號文件的綜合調度。

5.4 專用IP切臺應用

IP播控程序，多使用視頻服務程序，以“all in one”模塊為主要應用。在視頻服務程序中，進行信號處理、字幕增加，確保節目播出的有序性。此種節目播控方式，相比原有IP設備后置設計，表現出一定差異性，相應增加了程序運行的學習成本。為此，采取“IP切臺的專控程序”形式，以此降低程序改變帶來的操作難度，增加總控人員的操作便利性。在專用程序中，增設了IP超清模式的切換程序，以此保障IP切臺的應急響應質量。

5.5 優化鏈路結構

在“IP+基帶”的聯合程序中，服務器傳輸的信號表現出單一性。在實踐運行中，IP傳輸信號時，需要在總控程序中部署較大數量的IPG信號，以此保障信號轉換有效性。在IPG信號部署時，會增加系統運行的所需成本，相應形成一定播出鏈路運行問題。在“IP+基帶”聯合程序時，同步輸出IP、基帶兩種類型的信號。因此，在總控程序運行時，應加強成本控制，優化鏈路結構，減少IPG信號的部署數量，切實維護總控程序的運行安全性。在優化鏈路結構時，可融合信號監控、代播程序、慢錄模塊、異常警報等，以此及時排查鏈路問題，形成各模塊單獨運行方式，有效控制IPG信號的部署量。在實踐運行總控程序時，從2020年6月開始試播，運行12個月時，未見系統故障，整體播控程序運行平穩。由此說明：IP技術，可成為高清播控程序的主流科技，表現出技術前瞻性、系統運行平穩性優勢。

6 結論

伴隨我國經濟水平和科學技術的不斷發展，4K技術在電視廣播中逐漸應用，現階段基于IP流的4K廣播控制系統逐步應用。當前高度發展的情況下，人們越來越追求高層次感受。高層次服務。當前階段，基于IP的4K電視廣播系統的應用，從技術上來看，障礙較小，但其基于相關技術的IP標準尚處于組合開發階段。基于安全性考慮，尚需進一步開發及應用相應標準和技術。