4K超高清電視制作系統應用研究

黃 云

（黔西南廣播電視臺，貴州 興義 562400）

0 引 言

截至2022年3月底，我國共有4K/8K超高清電視頻道10個。2022年6月，《關于進一步加快推進高清超高清電視發展的意見》出臺，針對當前高清超高清電視發展現狀，提出了發展目標與要求：到2025年，基本實現超高清電視的規模化發展與終端普及。因此，針對4K超高清電視制作系統應用的研究，具有十分迫切的現實意義，能夠為電視臺4K超高清電視制作系統的應用與升級提供一些可參考的建議。

1 4K超高清電視發展現狀

超高清電視行業的不斷完善，推動了4K超高清電視相關產業的發展。國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）規范了超高清晰度電視格式與標準，發布TU-RBT.2020標準，并提出高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）的圖像增強型動態范圍曲線技術特征。2015年8月，歐洲數字電視標準組織（Digital Video Broadcast，DVB）發布《動態進展：面向下一階段的DVB超高清》文章，把4K超高清電視發展分為兩個階段。作為歐洲超高清電視發展的規范性文件，DVB超高清電視發展規劃如表1所示[1]。

表1 DVB超高清電視發展規劃

日本超高清電視已從研發階段發展至實踐階段，2014年發布《推動4K和8K發展的新發展藍圖》，2016年使用廣播衛星（Broadcast Sat-ellite，BS）的4K/8K測試廣播，2018年發展4K/8K商業廣播，2020年東京奧運會正式播出4K/8K電視。4K/8K演播室攝像機、4K/8K記錄產品、4K/8K顯示面板、4K/8K電視機、4K/8K轉播車等一系列4K/8K超高清設施被廣泛應用于廣播電視內容制作、播出、傳輸及接收等環節[2]。韓國在KCC及MSIP兩大部門支持下，積極推進地面數字電視廣播網絡超高清試驗與研發，并于2014年開通全球首個正式播出有線4K超高清頻道“UMAX”，發展至今，KBS、MBC、SBS與EBS等主流廣播電視臺的4K超高清電視制作能力大幅度提升。我國自2013年開始研發4K超高清電視。2015年，IPTV開展4K超高清電視點播節目；2017年，廣東省啟動籌建4K超高清電視頻道；2018年10月1日，CCTV-4K超高清頻道正式開播。此后，廣東、上海、北京、杭州等地陸續開設4K超高清電視頻道[3]。2019年2月，多部門聯合制定并印發《超高清視頻產業發展行動計劃（2019—2022年）》，提出4K先行、兼顧8K的超高清發展戰略。2021年8月，《廣播電視和網絡視聽“十四五”科技發展規劃》明確提出提升高清/超高清節目技術質量，加快高分辨率、高動態范圍、寬色域、高幀率等高技術格式超高清視頻技術的研發與應用，并提出2025年4K超高清頻道開辦20個以上，主要網絡視聽機構具備4K超高清視頻播出能力的發展目標[4]。2022年6月，國家廣播電視總局發布《加快推進高清超高清電視發展的意見》，明確提出高清超高清電視發展的六項重點任務。

2 4K超高清電視關鍵技術與設備

2.1 超高清和高清電視節目同播技術

超高清電視制作與播出的應用成本較高，國內廣播電視從業人員積極探索超高清與高清電視節目的同播技術，通過超高清電視與高清電視錄播流程與制播流程的同播，節省超高清電視制作與播出應用成本。在超高清電視錄播環節，主要有兩種制作方法。第一是高清向超高清的轉換，前期制作高清標準動態范圍（Standard Dynamic Range，SDR）調光，后期制作轉換成超高清HDR信號，在高清頻道可直接播出高清SDR信號，在超高清頻道可直接播出超高清HDR信號。第二是運用媒資系統轉換動態參數轉碼播出。動態參數轉換與固定參數轉換不同，能根據4K超高清電視內容特性進行動態轉換，以獲得更高質量的4K超高清節目錄播效果。對超高清直播而言，同播技術也有重要的應用，超高清信號可直接在超高清頻道播出。高清信號的直播，則需將SDR信號轉換成超高清信號后在超高清直播頻道播出[5]。

2.2 HDR、SDR電平映射優化

4K超高清電視與高清電視同播過程中，需要保障兩者的播出質量，這就需要兼顧HDR與SDR的電平。國家廣播電視總局下屬各部門對此進行了大量的實驗分析與理論總結，HLG與SDR信號的映射關系如表2、表3所示。優化HDR與SDR的電平映射關系，保障了4K HDR與HD SDR同播時節目質量的穩定性與消費端用戶的視覺觀感。HDR圖像平均亮度的提升，也為電視用戶帶來更優質的HDR視覺體驗[6]。

表2 HLG到SDR信號的映射關系

表3 SDR到HLG信號的映射關系

2.3 HDR視頻制作“HLG（窄范圍）+超白”電平

ITU-R BT.2100標準規定了窄范圍、全范圍兩種信號方式。其中，窄范圍被廣泛應用于廣播電視領域。以中央廣播電視臺為例，為了使超高清電視節目的高對比光影效果更好呈現，其采用“HLG（窄范圍）+超白”模式，在保留更高亮度范圍與動態范圍的基礎上，提升了4K超高清電視質量[7]。

2.4 4K超高清關鍵設備本土化進程加速

在國家大力支持下，我國4K/8K產業鏈關鍵技術產品研發和產業化發展迅速，國內4K超高清4K攝影機、攝像機、4K采編播系統、4K非線性編輯系統等前端設備研發能力不斷提升。4K超高清視頻生產環節，4K攝像機、4K監視器、4K切換臺、5G+4K超高清背包等產品不斷豐富，代表企業有廣州扳手、卓曜、廣州博冠、創維等。4K超高清視頻制作環節，4K快編生產系統、4K非線性編輯系統、4K視覺效果包裝系統、4K視頻剪輯軟件等不斷豐富，代表企業有中科大洋、索貝、新奧特、當虹科技等[8]。4K超高清視頻編碼設備環節，國際上4K/8K編碼標準主要以HEVC和VVC為代表，國內4K/8K超高清編碼標準主要以AVS聯盟提出的AVS2和AVS3編碼標準為主。4K HEVC應用于賽事、綜藝晚會等超高清直播，4K AVS2應用于4K頻道上星需求。國內4K超高清視頻編碼企業主要有當虹科技、柯維新、數碼視訊等。芯片級編解碼企業有海思、NTT、索喜、Netint等企業。4K超高清視頻編碼架構上有嵌入式、通用服務器兩種。4K超高清視頻編碼存儲設備環節通常采用分布式存儲架構，華為、索貝、曙光、新華三等企業紛紛推出高容量、高帶寬、低延遲、高安全的存儲設備。4K超高清視頻核心元器件環節，感光器件、存儲芯片、編解碼芯片、圖像芯片、處理器芯片等產品仍然以國外企業產品為主，我國企業已打破國外壟斷局面，并不斷擴大市場份額。

3 4K超高清電視制作系統的應用

4K超高清電視制作系統被廣泛應用于廣播電視領域。以廣東廣播電視臺為例，其是我國較早開始4K超高清電視制作的單位，建成首個基于IP架構的4K演播/轉播系統，首個省級4K超高清后期制作網系統，配備了4K演播室集群系統、大型/小型4K演播室系統、4K虛擬演播室系統、4K電視轉播車系統、大型4K后期制作網系統等4K超高清電視制作子系統，被廣泛應用于綜藝、體育賽事、大型會議等節目的4K HDR格式制作中。南京廣播電視臺4K超高清電視IP播控先導平臺入選全國超高清視頻典型應用案例，南京廣播電視臺4K超高清電視制作系統采用國際最新標準，在5G+4K/8K+AI戰略部署下采用4K+IP技術，通過通用設備+軟件編碼模式，實現了電視、廣播、網絡多媒體融合制作，推動4K超高清電視制播體系的融合智慧化升級。

4 結 語

我國4K超高清電視標準體系在逐漸完善，相關技術與設備也在持續發展，各省級廣播電視臺也在積極推進4K超高清制播能力建設。超高清電視在內容供給、節目制播、編碼傳輸等領域不斷突破，為用戶提供了高分辨率、高動態范圍、寬色域、高幀率等高技術格式的超高清電視視聽服務。