廣播電視臺4K超高清播出系統關鍵技術

畢志剛

（大連新聞傳媒集團，遼寧 大連 116000）

0 引 言

2019年，我國工業和信息化部、國家廣播電視總局等多部門聯合發布超高清視頻產業發展行動方案，明確制定“4K先行，兼顧8K”的技術發展路線，要求各地區加大超高清播出系統的建設力度。4K超高清視頻技術的推廣和應用，為廣播電視行業的制作、采編、播出的進一步發展提供了巨大的機遇和良好的前景。隨著技術水平的不斷提高以及相關支持政策的落實，各地區4K電視產業呈現高速、蓬勃發展態勢，4K超高清電視深受人們青睞。在這一背景下，廣播電視臺應認識到4K技術的重要性，明確發展目標，不斷優化系統規劃設計與建設，積極引進先進關鍵技術，加大系統建設力度，為觀眾帶來全新收看體驗，提高整體播出效果。

1 4K超高清音視頻的技術要求

1.1 更高的清晰度與幀頻

目前，4K超高清音視頻對分辨率的要求為3 840×2 160，約為傳統高清視頻的4倍。同時，4K技術對幀頻也提出了更高的要求，需要＞50幀的逐行掃描，最高幀頻處于100～120這一區間內。由于幀頻的顯著提升，4K技術所呈現的畫面更為真實、細膩，同時對用戶帶寬、存儲的要求也明顯提升。

1.2 寬色域

對色域范圍進行分析，通常情況下，標準清晰度（Standard Definition，SD）與高清晰度（High Definition，HD）并無明顯差異，兩者均在Rec.709標準范圍內。而4K超高清音視頻對寬色域提出了更高的要求，其色域范圍遵從Rec.2020標準。與高清電視存在明顯差異，4K技術的應用使電視的色域更為寬廣，且顏色類型十分豐富，能夠實現對真實圖像的有效還原，畫面的現實感、真實感明顯增強。

1.3 高動態范圍

高清電視的動態范圍也具備明確的標準規定，主要以標準尺寸比（SDR）為主要標準，對比度為1 000∶1，最高亮度為100 nit。而4K超高清電視對動態范圍的要求明顯提高，以高動態范圍（HDR）為主要標準，其目標在于對瞳孔保持本來狀態時，對動態范圍具備的特性進行再現[1]。相較于標準尺寸比，高動態范圍的電視峰值亮度明顯提高，可以對多數高亮度范圍區域的色彩層次、灰度進行有效再現。

1.4 三維音頻

4K超高清播出系統對節目音頻聲也提出了更高的要求，需要其支持立體聲或者5.1的環繞聲，條件允許的情況下應支持三維聲，能夠為觀眾帶來更強的聲音沉浸感，使觀眾具有身臨其境的感覺。三維音頻制作播出格式應采用合理的揚聲器聲道布局，確保其聲道信號豐富[2]。

2 4K超高清視頻播出系統的規劃設計

2.1 規劃建設思路

為了進一步提高電視臺節目的畫面播出質量，電視臺應嚴格按照國家相關技術規范，進一步推動4K超高清采集制作、總控播出及互動分發等系統的建設，提高有線電視、交互式網絡電視以及互聯網電視中超高清播出系統的應用頻率，積極引進先進設施設備，如超強攝像機、導播臺、手持穩定器等，構建一套可靠、完善、支持4K HDR全流程節目制作及直播的演播室。其中，確保HDR的碼率、編碼量化值等參數滿足運行要求，能夠消除編碼塊效應，充分體現視頻圖像的高分辨率、高幀率及寬色域等優勢[3]。

2.2 綜合框架

具體設計規劃時，應遵循簡潔、可靠、高效的設計原則，在此基礎上對系統進行設計。4K超高清播出系統由多個子系統組成，根據功能對其劃分，具體包括總控系統、控制系統、傳輸系統及監控系統等，滿足上載、傳輸、播出及監控等要求，為節目播出的穩定性、安全性及便捷性提供保障。各系統的功能概述如下。

（1）播控系統。播控系統是整個系統的核心，具備電視臺內外信號交換、調度及監控等功能，同時能夠與其他子系統的相關業務進行交互。

（2）總控系統?？偪叵到y是電視節目、頻道信號傳輸的重要紐帶，能夠向播控系統傳輸滿足要求的音視頻指令，提供多種信號類型，如時鐘信號、同步信號等，為超高清視頻的順利播出夯實基礎。

（3）整備系統。該系統具備遷移、上載、緩存等諸多功能，能夠為臺內各業務模塊提供素材交互與處理功能，且支持倒計時、臺標、動畫等處理功能；能夠對素材進行處理和命名，之后生成相應的節目清單，并將其傳輸至主備、二備播出視頻平臺，由此實現全部備播過程。

（4）編單系統。該系統位于各子系統的中間環節位置，具有承上啟下的橋梁、樞紐作用。采用該系統，能夠對節目單、廣告等信息進行編排、核對、傳輸，支持50幀精度。信息傳輸時，以清單的形式將相關信息傳輸至播控系統，控制系統結合最終獲取的節目單，實現各類信號的自動化切換。

（5）傳輸系統。該系統與編單系統實現信號的有效交互，其作用為與外界聯系。播控系統對其傳輸信號，傳輸系統再將其輸送至下游單元。

（6）監控系統。該系統能夠對設備運行、信號交換變化、播出狀態等參數進行實時、全方位監控，通過音視頻監控圖的形式，顯示不同信號檢測點的4K畫面圖像；針對各類信號設定相應的閾值，如果超出閾值，發生異常，監控系統及時發出預警和提示指令，并將報警數據納入數據庫。

（7）輔助系統。該系統的作用為日志交互，能夠提供日志及故障信息，可作為分析系統運行情況的參考依據，發現異常問題及時將故障報告給監控系統。

2.3 音視頻鏈路

對音視頻架構而言，4K超高清播出系統以4路3G-SDI基帶系統架構為基礎。播控系統結合播出串聯單實現對視頻服務器及末端倒換器的有效控制，自動啟動硬盤播出、線路直播、圖文混合疊加及應急切換等功能[4]。

all in one結構是核心服務器的主要基礎，可以結合節目單的要求進行自動播出，根據具體安排進行一系列操作，如插入廣告、字幕以及臺標等，有效處理音頻信號，對音視頻的鏈路結構進行全面優化。SDI架構是播出系統的重要基礎，根據標清黑場同步，與高標清的播出標準相同。系統中涵蓋多類視頻服務器，支持同構主備及異構二備的播出。前者可采用視頻服務器實施集群建立，后者則采用單機視頻服務器建立，不同通道中均能夠有效疊加圖文信息，實現硬盤播出、線路直播等功能。系統還能夠對墊片播放器進行合理配置，保證具備臺標的緊急墊播信號可以24小時處于穩定播出狀態，為應急播出提供信號層面的支持。主備倒換器設置于鏈路末端，SDI信號對其具有良好的適用性，可以便捷完成換幀級別的轉換。

在常規播出條件下，播出控制設備對倒換器等設備進行有效控制，根據串聯單完成自動播出。當信號出現中斷情況，發生故障問題，主備路信號檢測后及時倒換。處于應急播出狀態時，工作人員對各類信號進行倒換十分方便，可以一鍵完成相關操作，實現對視頻服務器及倒換臺輸出信號的有效監控。在線監測設備能夠實現對各節點音視頻信號的有效分析，并檢測主備路呈現是否相同，針對異常狀況實時報警。

3 廣播電視臺4K超高清播出系統關鍵技術

3.1 時碼控制技術

廣播電視臺4K超高清播出系統嚴格按照目前行業標準進行規劃建設，視頻圖像分辨率為3 840×2 160，幀頻＞50，在此基礎上進行逐幀掃描，滿足4K超高清視頻系統的設備及圖像質量要求[5]。由于過往采用的25p播控技術已無法滿足目前的要求，對控制邏輯進行適配改造十分必要，要在保證文件碼率格式合理的基礎上，保證播控軟件能夠全面識別節目單中的50p文件信息。該項技術的定位更為準確，生成指令更為可靠，通過VDCP協議便能夠有效傳輸至服務器端口。服務器完成軟件信號的接收工作后，對軟件信號中的幀位進行轉換，轉換后以標準化的文件格式呈現，之后結合節目時碼軌道的碼數以及軟件傳輸的指令進行幀精度定位，效果確切。

3.2 4K凈切換技術

4K超高清播出系統采用4路4K信號，所采用的設備具備4線3G-SDI基帶信號。4K信號的傳輸以Qua-link形式為主，因此能夠有效解決信號凈切換相關問題。具體配置階段，鏈路的末端采用4臺雙路二選一倒換器，能夠實現4路4K信號的有效輸出，且具備多個3G-SDI輸入端口和輸出端口，由4臺3G四選一切換設備構成。設備具備幀同步功能，支持凈切換，控制系統采用GPI技術能夠完成4路信號幀精度的凈切換。對GPI切換信號進行傳輸的過程中，視頻能夠自動、高效切換，具備較強的鏈路處理能力和先進的算法。音視頻的調度切換能夠確保畫面無損、隨時切換且標準兼容。全部切換信號均能夠滿足幀精度同步的要求，彌補傳統模式下交換矩陣難以進行凈切換的不足。通過對凈切換技術的合理運用，能夠有效避免系統在頻道切換過程中發生黑屏、卡頓等問題。工作人員在倒換器中采用幀同步技術，通過GPI進一步加強對切換指令的控制，實現全部信號的凈切換，確保音視頻的流暢性與高幀率。

另外，對播出系統進行設計的過程中，GPI與切換面板的連接方式為并聯，但是GPI所在設備如果出現短路等故障問題，必然會對切換面板和設備GPI的關系造成影響，導致其準確判斷電位水平困難，對凈切換效果造成不利影響。為了改善這一現狀，工作人員可以將信號限流裝置用于系統中，將其設置在面板和設備間，保證發生電路故障時不會對GPI造成影響，為4K超高清播出系統的穩定運行提供保障。

3.3 畫面一致性比對技術

過往，廣播電視臺播出系統中，視頻及音頻監控系統多采用內核編程接口（Kernel Programming Interface，KPI）對畫面存在的故障問題進行分析。通常情況下，與時間閾值相比，KPI的報警時間延長，因此時效性較差。對此，工作人員在實際設計階段，需要借助畫面一致性比對技術對KPI報警的不足進行分析，采取有效的措施進行解決，對各路不同的4K信號進行高效、實時、全方位的收集，結合現有的真值邏輯強化對信號的監控，并形成可靠的判斷依據，保證4K信號和服務器與畫面相應的輸入要求相符[6]。為了進一步保證連接信號的一致性，需要借助對比儀進行分析，同時連入多個輸入端口，對各路數字分量串行接口信號進行標記，保證信號傳輸邏輯合理、完整。對比的過程中，對于兩路信號相同位置的1/4畫面，設備可以進行兩兩對比。當對比發現差異顯著，及時進行判斷，也就是說兩路不同的4K信號有所不同。針對3路不同信號，同樣進行兩兩對比。基于對各路4K信號實際參數的全面分析，為解決相關問題提供參考依據。

使用一致性比對技術時，還需要加強對其運行邏輯的分析。比如，畫面存在單路信號，而信號不一致，不存在報警情況，而輸出信號和某路備選畫面一致，則需要進行不切換操作；而畫面為單路信號，內容不同，輸出信號與其他各路畫面不同，無報警情況，應進行不切換操作；當畫面為三路不同，且輸出信號無報警情況，需要操作為不切換；當畫面三路不同，輸出信號存在報警情況，應結合規定的優先級切換至另一路畫面。

4 結 語

4K超高清播出系統對清晰度、幀頻、三維音頻等方面提出了更高的要求，系統的設計要點繁多，整體結構復雜。廣播電視臺應加強對各類關鍵技術如時碼控制技術、4K凈切換技術以及畫面一致性比對技術等的利用，為系統的建設和應用提供技術保障，為廣大觀眾提供全新的觀看體驗。