兼容4K升級的高清演播室系統設計

李 競

（青島市廣播電視臺，山東 青島 266071）

1 概 述

在目前廣電4K/8K超高清化的發展趨勢下，建設4K演播室已經成為多數電視臺近幾年的目標。對于近期有新建或改造需求的高清演播室來說，在新建或改造前，將4K改造、升級的因素考慮在內，有利于演播室建設的經濟型和先進性。青島市廣播電視臺在2021年對臺內800 m2演播室進行了改造升級，建設了全新的高清視頻系統。在建設該套系統前，筆者對未來的4K升級、改造方案進行了充分的預評估。本文針對青島市廣播電視臺800 m2演播室新建高清系統時選用的方案，從設備選型方面，闡述如何在兼顧未來4K改造的前提下，對現有新建高清演播室進行建設規劃。

2 系統架構的選擇

從高清系統升級至4K系統，主要有以下幾種選擇。

2.1 Quad-link 3G-SDI

自2015年開始，我國便有了早期的4K直播制作域系統。當時超高清技術標準尚未完善，部分4K系統采用了國外推廣私有協議IP技術架構（如NMI、TICO、ASPEN），部分系統采用Quad-link 3G-SDI架構。以上兩種架構均可以完成4K超高清節目的制作。然而，在目前ST-2110、12G-SDI架構完備的情況下，Quad-link 3G-SDI的方案只適用于系統中個別設備的I/O，而在整體的系統架構設計方面，該方案在先進性及可擴展性方面則不是最佳選擇。

2.2 ST-2110

在2017年底，電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）組織完善了ST-2110標準及其子集的協議，如圖1所示。2018年底，主流廠家便均已支持ST-2110標準。截至目前，國內已有大量的制作域系統采用了ST-2110架構作為系統的根基。對于高清演播室系統而言，也可以進行純高清的ST-2110系統建設。IP系統是依托核心交換機及軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）軟件搭建的網絡化系統，其架構如圖2所示。相比基帶系統的點對點連接，IP系統的概念則是“All in All out”，依托虛擬邏輯矩陣和資源池打造了一個高效的制作系統，視頻、音頻、通話、同步、Tally、控制等系統融為一體而又可以互相分離。同時，交換機的高帶寬特性將輕松突破傳統基帶系統“物理端口數量”和“交叉點數量”限制，使得建立高效率的演播室集群從技術角度來說變得更加容易。然而，大集群化制作的IP系統在小系統中將變得非常尷尬：如建設一個3～4訊道的演播室，將SDN軟件的成本平攤到訊道后，每個訊道的成本將格外高昂[1]。

圖1 ST-2110協議示意圖

圖2 IP系統架構示意圖

2.3 ST-2082（12G-SDI）

2018年初，部分12G-SDI產品在平昌冬奧會得到了廣泛應用。之后，各大主流廣電廠商便陸續宣布支持12G-SDI接口。目前，部分小型超高清轉播車、演播室采用了12G-SDI構架的系統進行建設，也取得了良好的效果。還有部分演播室、轉播車，采用了ST-2110和12G-SDI的混合架構來進行系統設計，以保障超高清系統的安全性、穩定性。12G-SDI系統與原有高清基帶系統架構相同。系統采用全基帶連接，直播系統構架仍為切換臺+矩陣架構，或是主切換臺+備切換臺+矩陣變體架構。周邊、監看等設備也均為12G-SDI的周邊。整體系統的架構、流程與高清時代幾乎沒有什么改變，如圖3所示，造價上也相對具有較高性價比。對于高清演播室的擴容及升級，HD-SDI系統升級至12G-SDI系統，是一個可靠的方案之一。

圖3 12G-SDI系統架構的示意圖

2.4 Jpeg-XS

早在2019年春，工業和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺便在《超高清視頻產業發展行動計劃》中明確提出“4K先行、兼顧8K”的總體技術路線。截至2022年，國內已有數個8K制作域系統，數個8K頻道也準備陸續開播。對于8K制作，如采用ST2110-20的無壓縮架構，帶寬壓力較大；而8K Jpeg-XS標準的淺壓縮、高質量、低延時則是一種比較好的選擇。JPEG-XS標準的特性[2]如圖4所示。目前，有越來越多的超高清系統選擇Jpeg-XS標準。然而對于高清演播室的升級而言，由傳統HD-SDI升級至Jpeg-XS難度較高，設備更換要求較大，從經濟性上來講，不算一個可靠的方案。

圖4 JPEG-XS標準的特性示意圖

綜合以上分析，針對此次項目，考慮在搭建一套完整高清系統的前提下保持4K可擴展性，以便未來可以用最低的成本以及最小的硬件改動，將這套高清系統分批次升級為支持4K-HDR制作的系統。為此，筆者研究了行業內設備現狀，在青島市廣播電視臺800 m2演播室新建高清視頻系統時，采用了部分未來可擴展為支持4K制作的高清制作域設備。

3 高清系統兼容升級12G-SDI系統時的設備選型

3.1 訊道攝像機及鏡頭

本次新建系統配置了8臺Sony訊道攝像機，同時在系統建設中預留接口，能與青島市廣播電視臺高清轉播車的訊道攝像機組成8+N的高清系統，既擴展節目使用需求，又不浪費資源。如青島市廣播電視臺的重點節目《問政青島》就應用了11個訊道。在訊道機型號選擇上，主要考慮以下兩款設備。

（1）HDC-3500訊道機。該訊道機標配為高清輸出，未來可通過軟件升級，以支持2160 50P的4K HDR輸出，并可通過增加硬件輸出板卡的方式，使其支持輸出12G-SDI及ST-2110。

（2）HDC-3100訊道機。該訊道機為之前高清訊道機的升級型號，通用性強、性價比高，與目前超高清訊道機的機頭功能類似，均支持全域快門。

如考慮未來支持超高清升級，第一選擇是HDC-3500訊道機。但HDC-3100相比HDC-3500訊道機而言，性價比將高出不少。考慮到800 m2演播室百廢待興，本次先選購HDC-3100訊道機。未來在升級超高清系統時，即使重新采購4K訊道，HDC-3100訊道機也可挪至其他演播室使用。

另外，在訊道攝像機的鏡頭方面，經過調研，超高清4K鏡頭與高清HD鏡頭的成本差距并不大。因此在本項目中，青島市廣播電視臺直接采購了兩套14倍4K廣角鏡頭及6只24倍4K標準鏡頭，以滿足未來超高清改造的需求。

3.2 切換臺

在800 m2高清演播室系統切換臺的選型上，青島市廣播電視臺的要求是首先采購滿足現有高清制作需求的高清切換臺，在未來進行演播室4K升級時，可在不更換硬件的情況下將高清切換臺升級至超高清切換臺。經過調研，項目最終選用了Sony XVS-6000切換臺作為演播室視頻系統的主切換臺。該切換臺配備了32路3G-SDI輸入、16路3G-SDI輸出、4級高清M/E，在未來，可在不更換任何硬件的前提下，通過升級軟件來支持2級4K M/E。當然，一旦工作在4K模式下，現有切換臺的輸入輸出規模將稍顯捉襟見肘，但目前演播室XVS-6000的機箱還有部分空余槽位，可通過增加I/O板卡的方式來增加切換臺的輸入規模，最多可增加至16路12G-SDI輸入、8路12G-SDI輸出。

3.3 視頻矩陣

對于系統而言，矩陣是僅次于切換臺的第二核心，承擔著應急切換制作以及核心信號調度的功能。一些矩陣廠家也充分考慮到了廣大用戶的需求，已經在不少矩陣平臺上開發了“統一硬件，軟件升級”的選項。表1所示為某個平臺兩款不同規格的矩陣，標配硬件均支持12G-SDI并向下兼容，但會為用戶標配3G-SDI輸入輸出選件，如果未來想支持12G-SDI，在不改變硬件的情況下購買4K License即可。另外，與切換臺相比，矩陣的功能相對單一，因此價格占比也不高。對于沒有4K License的基帶矩陣，價格成本基本也與原HD-SDI矩陣持平，不會增加太多的項目成本。表1所示的兩款矩陣，其標準版本均只支持3G/HD-SDI信號的路由，通過購買額外的選件，即可支持12G-SDI的路由調度。

青島市廣播電視臺2021年秋季交付的20訊道4K超高清轉播車便選用了表1中的EQXUHD矩陣，可在每張板卡上獨立購買支持超高清的License，以激活12G-SDI輸入輸出的功能。

表1 兩款矩陣選件及功能

3.4 畫面分割器

在目前播出線普遍為高清的情況下，制作節目時還是要優先保證高清的質量，因此，高清SDR調光、高清SDR監看便理所當然地被寫進“4K-高清同播”的工作流程。在信號源統一采用高清SDR監看時，12G-SDI畫面分割器（以下簡稱畫分）的價格使其無選擇優勢。以青島市廣播電視臺的超高清4K轉播車為例，轉播車采用SR-LIVE的制作流程，全車監看均采用高清信號源進行監看，部分只支持4K-HDR輸出、不支持HD-SDR輸出的設備，也需要將其輸出信號通過下變換轉換成HD-SDR上屏。青島市廣播電視臺4K轉播車上采用的基帶畫分，大部分是采用HD-SDR 3G-SDI輸入，4K-SDR4×3G-SDI輸出[3]。

值得一提的是，青島市廣播電視臺4K轉播車上采用的畫面分割器支持與矩陣聯動，在畫分輸入不占用矩陣輸出的前提下，采用特殊的端口來獲取系統中的信號進行監看。而且，該畫分支持代理監看。12G-SDI的矩陣以內部下變換的方式，將12G的信源做分辨率下變換后路由給3G畫分，并保持動態范圍和色域不變。這樣一來，在3G畫分上便可以支持監看12G-SDI信號。X-LINK畫面分割器原理如圖5所示。

圖5 X-LINK畫面分割器原理示意圖

800 m2高清演播室選用的畫面分割器，與4K轉播車的選型相同，均支持高清信號輸入、超高清信號輸出，可完美兼容12G-SDI的超高清制作環境。在800 m2演播室或轉播車有重大節目、資源緊張時，兩套系統的畫面分割器可形成一個資源池，進行互補調用，無縫銜接至另一套系統的制作環境中。

3.5 周邊設備

這里的周邊設備指“加解嵌、外來幀同步、視分”等集成設備。隨著硬件處理水平的提高，市場上的廣播級高清周邊設備普遍降價，但4K周邊設備價格居高不下，而且周邊設備又不像矩陣、切換臺一樣支持“軟硬分離”4K License拓展。在這樣的情況下，是否“一步到4K”是個需要抉擇的問題。在建設800 m2演播室視頻系統時，經過評估，筆者發現目前購買純高清基帶周邊相比目前購買超高清基帶設備能節約很大一筆成本，因此，本次演播室系統均購買了純高清基帶周邊，在未來升級4K系統時，再重新采購4K周邊設備。

3.6 監視區

目前，主流的制作域監看方案以導演區的55英寸大屏為主，各個工位的17/22英寸高清監視器為輔，再搭配一臺技術總監的內容質量級監視器來完成整套監看流程。在55英寸大屏的選擇上，無論是HDR-OLED電視、高質量商用顯示器，甚至是國產電視均可，因為在目前的4K-HDR節目制作流程中，導演墻的監看仍然是HD-SDR，因此對監看設備的要求并不高，以上監看設備的造價也并不高，因此可隨意選擇，保持一致性、硬件質量過關即可。800 m2高清演播室選用了支持3G-SDI的55英寸工業級監視器，可支持1 080/50P的畫分輸出監看[4]。

各工位監視器也以高清監看為主。在技術總監工位，可采購一臺支持4K-HDR的內容質量級的技術監視器。在本次高清演播室改造中，該演播室原有的BVM監視器年限不久，保養良好，本著節約成本、盡量利舊的原則，青島市廣播電視臺本次采用原有的高清技監進行技術監看。

3.7 同步及示波系統

在同步系統的選擇上，由于12G-SDI的基帶系統仍采用模擬BB同步，因此在同步方面不用做過多考慮。在示波器的選擇上，12G-SDI和HD-SDI系統的訊道示波器均可采用1.5GHD-SDI進行訊道信號監看（WFM5200/LV5381），只在技術示波器上有所區別。目前，不論是Telestream還是Leader，技監示波器均支持“軟硬分離”，系統設計者可先采購硬件以及附帶的標配選項，便可完成大部分高清系統所需的監測功能。而且，該部分的造價與之前高清時代的技術示波器差別不大。待未來系統進行4K改造時，再進行進一步的軟件升級。青島市廣播電視臺目前有不少狀況仍良好的高清技術示波器，因此，本次800 m2演播室仍采用了原有的高清示波器進行信號監看。

3.8 通話系統

早在ST2110標準推出之前，通話系統便有自己的IP化語音（Voice over IP，VoIP）技術來實現通話信號網絡傳輸。隨著技術的發展，基于Dante、AES67標準的通話產品也逐漸上市。對于通話系統而言，IP化是必然的趨勢。各大通話廠家也將在近幾年逐漸停產自己的純模擬四線通話矩陣主機，取而代之的是混合化的多功能IP通話平臺。對于制作域平臺來說，通話系統主要的問題是與視音頻系統設備的兼容性，以及通話系統ST2022-7標準的推進。

對于HD-SDI和12G-SDI系統而言，通話系統與視頻系統沒有任何交集。但通話系統與音頻系統的交互對于演播室來說則尤為重要。考慮到近幾年來廣電音頻的發展，各大音頻廠家均已采用兼容ST2110-30標準的純IP架構進行音頻系統搭建。例如，青島市廣播電視臺的4K超高清轉播車，除了音頻信號處理核心之外，還采用了一套主備音頻交換機作為信號的傳輸中樞。通過音頻交換機，音頻信號可以與轉播車上的視頻IP信號及通話IP信號進行全交互，形成信號資源池[5]。

考慮到這點，在建設800 m2高清演播室系統時，項目選用了一套兼容模擬四線的IP通話系統。該通話系統內部可支持AES67、Dante及ST2110-30協議，同時可以采用模擬四線的方式，與之前利舊或其他系統的通話腰包、耳返設備進行連接，也可與IP化的音頻系統進行無縫對接。

3.9 音頻系統

音頻系統內部的架構相對成熟。無論是選擇以模擬數字信號為基礎的基帶音頻，還是選擇以AES67、Dante需要為基礎的IP音頻，都將是音頻內部的處理流程。例如，800 m2演播室的音頻系統以Dante架構為內核，同時采用數字音頻與視頻系統對接，在建設視頻系統時，只要預留出部分視音頻交叉設備的加、解嵌通路接口即可。

3.10 其他設備

其他設備如錄像機、在線包、字幕機、延時器及新媒體設備等，都屬于設備中的“硬通貨”。即使現在購買高清版本，在未來4K升級或用于其他高清系統時，也需要根據預算情況升級4K版本。

3.11 系統集成

在考慮演播室未來將從1.5G-SDI升級為12G-SDI的前提下，系統布線應按照12G-SDI的標準進行，以避免二次集成。下面以佳耐美線纜進行舉例。佳耐美公司針對12G-SDI傳輸特性特別推出的L-5.5CUHD和L-3.3CUHD線纜有各自的特點[6]。

（1）對于12G-SDI設備而言，大部分國際知名品牌在接口設計方面選擇了HD-BNC（High-Density）接口，而L-5.5CUHD不支持壓接HDBNC接頭。因此，如果要選擇L-5.5CUHD線纜，還需要經過雙通或轉接線進行轉換才能進行連接。而這一步會增加不必要的風險和壞點。如果不是特別長的距離，不建議采用L-5.5CUHD作為演播室內的常規連接線纜。

（2）L-3.3CUHD的線徑限制了標稱衰減特性，如圖6所示，在100 m標稱的情況下，L-3.3CUHD線纜的衰減不如高清時代常用的L-4.5CHD+。因此，L-3.3CUHD線纜常常會在布線空間有限、對線徑要求高的場景（如轉播車）中使用。在演播室中，不推薦采用L-3.3CUHD進行12G-SDI的常規布線。

圖6 不同型號線纜的傳輸特性

綜上所述，對于演播室內的12G-SDI系統，推薦使用大部分的L-4.5CHD+綜合少量L-5.5CUHD進行系統布線。

考慮到800 m2高清演播室中的線纜傳輸距離均不長，本次建設均采用L-4.5CHD+的線纜進行布線。在視頻端子板的選擇上，也采用了支持12G-SDI的 BCJ-JRUDK。經筆者實測，該套布線方案，12G-SDI在經過50 m傳輸后，示波器上可保證信號穩定連續，且沒有任何報錯。

4 結 語

在選擇建設高清或超高清系統時，建設者不能只考慮當前的演播室設計，而要從各個角度進行規劃和考慮，如與播總控的對接，全臺統一同步系統的規劃與設計，演播室群之間的信號資源共享以及演播室群的中心集控系統建設等等。有好的規劃，才能有好的結果。未來將是融合媒體的時代，如何規劃、建設全臺演播室，如何將手中的演播室資源“融”在一起，發揮出最大的功效，都將是未來系統建設者們值得深思的問題。