8K超高清電視在北京冬奧會的應用實踐

姜文波 藺飛

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

導語

中央廣播電視總臺（下簡稱總臺）用最先進的8K超高清制作技術、最新穎的8K超高清電視傳播手段，完美呈現了北京冬奧會無與倫比的精彩，充分詮釋更高、更快、更強、更團結的奧林匹克創新精神，為世界奉獻了一屆精彩、非凡、卓越的冬奧會。8K超高清電視直播和重播覆蓋北京冬奧會開閉幕式及重點賽事，如此大規模8K超高清電視技術應用在全球范圍內也屬首次，開啟了重大體育賽事8K超高清電視轉播和傳播的先河，得到國際奧委會和奧林匹克廣播服務公司（OBS）的高度贊譽，OBS首席執行官伊阿尼斯指出：“在總臺的支持下，我們也使用了8K技術，這是未來的轉播方式。”

1.總臺8K超高清電視公共信號制作

總臺與OBS深入合作，采用世界最高8K技術標準，使用新建的A級4K/8K超高清轉播車（A6）承擔北京冬奧會開/閉幕式8K公共信號制作任務；使用2套大型4K/8K超高清箱載式EFP系統，分別承擔速度滑冰和自由式滑雪/單板滑雪大跳臺8K公共信號制作任務。

北京冬奧會8K公共信號制作，打破了國外團隊冬奧會冰雪項目轉播長期的技術壟斷，是參與國際傳媒市場競爭與合作的重要實踐，同時也體現了總臺全球領先的超高清技術能力，成為世界8K超高清產業發展的里程碑。

1.1 開幕式與閉幕式

2022年2月4 日晚8時，舉世矚目的北京第二十四屆冬季奧林匹克運動會開幕式在國家體育場隆重舉行。2月20日北京冬奧會隆重落幕，讓世界再一次見證了“中國式浪漫”。

受OBS邀請，總臺新建成的UHD A6超高清轉播車承擔開閉幕式8K公共信號制作任務，向全世界各媒體進行8K信號轉播。UHD-A6超高清轉播車采用全IP架構，使用專業領域國際最新的SMPTE2110-20/30標準作為視音頻信號的IP傳輸協議，轉播車調音臺采用主、備調音臺設計，可實現最高標準的8K HDR和5.1.4全景聲制作。

開閉幕式現場參與8K節目制作共16路信號，包括7個有線8K超高清訊道攝像機，其中國家體育場內6個機位、TVS（外景演播室）樓頂1個景觀機位；接入由OBS提供的6路4K信號、2路4K插播信號及1路高清字幕信號，統一變換為8K參與節目制作。轉播車主備鏈路均為IP流信號，分別是主路切換臺制作信號和備路IP網關切換信號通過主備光纖無壓縮傳送給主控機房，開/閉幕式8K公共信號轉播系統流程見圖1。

圖1 開/閉幕式8K公共信號轉播系統流程

現場的8K攝像機中，首次使用了總臺聯合國內廠家研制的8K超高清便攜ENG攝像機作為外景機位（見圖2）。該攝像機采用35mm全畫幅8K CMOS圖像傳感器，并支持現有廣電標準的BT2020廣色域與HLG曲線，采用4×12G基帶輸出，完美適配8K轉播系統。作為鳥巢外景機位，國產8K攝像機體積小、架設方便，用于景觀和焰火畫面的拍攝。

圖2 總臺聯合國內廠家自研8K超高清小型ENG攝像機

為確保8K制作的高質量，總臺技術團隊統一于1月21日進駐閉環管理，嚴格按照北京冬奧會總體技術方案要求，全面落實安全播出和網絡安全要求，全方位開展轉播系統設備架設及技術調試工作，協同各工種，積極配合OBS，有序開展轉播系統加電測試、8K轉播系統主備路視/音頻信號傳輸測試、OBS技術運行中心（TOC）預定信號路由及內容確認、字幕信號對接、攝像機參數匹配調整等一系列技術測試工作。先后完成1月27日、1月30日、2月2日三次開幕式全要素演練。

1.2 “冰絲帶”速度滑冰

速度滑冰的比賽場地位于國家速滑館“冰絲帶”，速度滑冰項目共設10個小項產生14塊金牌，是北京冬奧會產生金牌數量最多的單個場館。大道速滑8K轉播系統1月28日開始設備入場搭建。系統從2月5日至19日共運行15天，轉播大道速滑的全部賽事。

速度滑冰8K轉播系統是在與OBS和北京奧組委協調下，最后一刻才確定下轉播計劃和轉播方案。由于時間緊迫，系統的機房只能在原清廢中心搭建。經過總臺團隊的協調努力，速度滑冰8K轉播系統于2月5日，在所有8K賽事轉播中最先成功進行了8K直播。

總臺新建的一套8K超高清EFP系統完成此次公共信號制作任務。同樣基于8K IP化架構實現8K HDR和5.1.4全景聲制作。

圖3 速度滑冰8K公共信號制作機位圖

速度滑冰8K公共信號制作現場共使用6臺8K訊道攝像機，其中5號機和6號機采用國產8K超高清廣播級EFP 攝像機（見圖4）。該攝像機由總臺聯合國內廠家自主研制，全部采用國產元器件，其技術指標與技術參數符合8K國際標準。比賽現場國產8K攝像機和進口索尼8K攝像機搭配使用進行節目制作，完美地完成了8K直播任務，而且其呈現的細節豐富、美輪美奐的影像效果，得到了OBS、NHK等國際電視同行的贊揚。

圖4 總臺聯合國內廠家自研8K超高清廣播級EFP攝像機

除常規攝像機外，“獵豹”高速軌道攝像機、錐桶攝像機、“魚竿”攝像機、飛貓等特種拍攝設備也接入制作系統，同時OBS提供的HD字幕包裝信號、4K信號、系統內部的8K IP信號、8K基帶信號等眾多格式的信號需要完成上變換、2SI-SQD轉換、基帶-IP轉換等一系列歸一化處理，并精心調校各類型信號的色彩表現和亮度控制，使之呈現出統一的高質量畫面。

速度滑冰8K轉播系統在15天的轉播中，共直播了25場精彩賽事，為觀眾們提供了超高分辨、廣色域、內容精彩靚麗的賽事觀賞體驗。

1.3 自由式滑雪/單板滑雪大跳臺

總臺派出8K超高清箱載轉播系統（UHD-EFP4）作為滑雪大跳臺項目8K公共信號制作系統，轉播地點設置在石景山首鋼大跳臺。

北京冬奧會期間，自由式滑雪大跳臺/單板滑雪大跳臺賽事在北京首鋼滑雪大跳臺舉行。共13路信號參與節目制作，包括有線8K超高清訊道攝像機6路，8K慢動作插播信號2路，AI時間切片系統1路，接入OBS提供的4K外來信號4路，均通過12G光傳經過轉換網關轉換成IP流再上變換為8K信號參與制作。

圖5 滑雪大跳臺8K公共信號制作機位圖

由于攝像機及拾音話筒分布于整個賽場，氣候極寒，設備搭建及技術保障難度大。為確保極寒環境下轉播設備的正常工作，技術團隊為設備定制了防寒服。確保攝像機和鏡頭在低溫下正常使用。

大跳臺8K系統首次應用總臺研制的國產8K超高清IP凈切換交換機，作為滑雪跳臺8K轉播系統的應急切換系統。該系統是國際上首個基于交換機的8K超高清視頻凈切換系統，支持多種格式視頻凈切換和超高清4K/8K多分辨率，可實現無縫轉換，切換端到端時延一幀以內，輸出圖像不夾幀、不黑場、不卡頓。

同時為給觀眾呈現更準確的大跳臺技術分析畫面，總臺自主研發了超高清 AI時間切片系統，實時精準還原滑雪跳臺運動員技術動作（見圖6）。該系統基于4K/8K超高分辨率視頻信號，使用人工智能深度學習算法，結合視覺暫留技術、圖形學、圖像學及自動化控制技術構成AI圖像處理系統，實時將滑雪運動員技術動作從視頻背景中快速分離，通過數據分析和二次包裝，實現逐幀呈現和提煉放大的“時間切片”數據可視化呈現效果。只需15秒就能完成技術動作剝離運算和時間切片包裝渲染，充分滿足電視直播實時性需求。

圖6 AI時間切片在大跳臺賽事中的應用

2.總臺8K超高清信號交換和節目包裝編輯制作

總臺復興路辦公區建設了全IP電視信號交換調度系統，在首都體育館搭建了8K包裝轉播系統，在復興路辦公區建設8K包裝播出演播室，在光華路辦公區適配8K編輯制作，全流程全體系支撐8K超高清信號交換和節目制作?？偱_8K冬奧直播超100小時，節目總時長超過200小時。

2.1 冬奧8K IP信號調度交換系統

總臺以華為NE8000-X8系列路由器為核心交換設備，自主研發了全IP電視信號交換調度系統，并在2022年1月建成投產，有力提升了總臺在外場傳輸、信號接入及信號制作等方面的高效、高質、便捷的交互能力。該系統符合SMPTE 2110、2022-7的標準，遵循總臺8K超高清電視節目制播相關規范，全面實現了包括鳥巢開/閉幕式、國家速滑館、首鋼大跳臺、首體花滑館等4個賽場8K信號自冬奧會總臺IBC（國際廣播中心）到制作系統、播出系統全鏈路無壓縮的高帶寬IP化傳輸，完成總臺8K播出信號與光華路辦公區、北京飯店非持權轉播商新聞中心、冬奧會IBC區域的信號傳輸工作。北京冬奧會期間，該系統運行平穩，圓滿完成冬奧會8K信號傳輸與分發任務。

該系統采用全IP化傳輸技術，打通傳統制播系統間傳輸壁壘，形成全臺、跨域的全網化制播信號調度和分發體系。在信號調度交換網絡內，通過物理切片的方法，實現超高清、高清視頻、音頻、PTP同步、控制信號的混合傳輸，實現全媒體一網化全臺信號調度分發。同時引入SDN的系統架構，使用自主研發基于國產NP芯片的媒體制播網IP路由交換設備和自主開發的SDN控管監軟件系統實現跨域、跨系統的IP級聯。系統采用精確的調度流表控制、無阻塞調度、組播NAT（組播地址轉換）、資源占用動態預測技術、可定制的細分類運行策略技術，實現了全系統、全流程信號的可管、可控、可監。

這是世界首套8K/4K/HD全IP電視信號交換及調度系統，也是中央電視臺自成立以來使用的首套國產電視信號交換及調度系統，填補了我國在超高清電視制播關鍵裝備的空白，標志著我國在世界超高清電視裝備制造取得重大突破。

圖7 總臺電視總控（8K/4K/HD IP信號交換及調度系統）

2.2 花樣滑冰及短道速滑包裝轉播系統

短道速滑/花樣滑冰項目在首都體育館舉辦。8K公共信號由NHK（日本放送協會）承擔制作，總臺技術團隊派出一輛8K轉播車（由北京超高清協同中心提供）完成8K的節目包裝和PGM信號制作。此種方式是在NHK制作的8K公共信號的基礎上進行字幕和慢動作精彩回放等操作來完成節目包裝并制作最終PGM信號，用8K等新技術載體盡力呈現我國運動健兒的精彩表現。

現場設置2臺8K訊道攝像機，配置2個8K廣角鏡頭；系統接收2路外來信號，來自TOC的8K dirty PGM（主備路）；再配合國產8K慢動作回放系統，做到全流程8K制作；音頻部分采用收取NHK 8K PGM的22.2三維聲下混到5.1.4全景聲來進行制作。

除現場2臺8K訊道攝像機外，系統內還接入了2路由TOC提供的8K dirty PGM信號。為了不損失8K信號質量，使用8K光信號傳輸和光電轉換設備，部署在NHK EFP機房，將4x12G基帶信號轉換成光信號，傳輸至TOC，最后傳輸到轉播車光端收。由于NHK提供的信號為59.94p，在50p系統中運動鏡頭會出現拖影現象，所以特別采用具備運動補償功能的幀率轉換設備，有效降低最終節目信號中運動鏡頭的卡頓延遲，提高畫面質量。慢動作回放也采用國產廠商的原生8K慢動作回放設備。在比賽當中出色地完成了實時慢動作和賽后集錦的播放任務。

圖8 首都體育館TV Compound 8K包裝系統機位圖

由于首都體育館光纜資源有限，采用JPEG XS壓縮編碼格式對8K信號進行淺壓縮處理，減小視頻流帶寬占用。視頻信號編碼壓縮成XS流，音頻信號不壓縮重新封裝成SMPTE 2110-30的音頻IP流，主備IP流經光纖輸出到前端主控的路由器和信號聚合設備，經TOC傳送回總臺電視總控8K/4K/HD IP信號交換及調度系統，為CCTV-8K頻道包裝的播出演播室提供信號。

圖9 首都體育館8K包裝轉播車及技術保障

2.3 冬奧8K編輯制作系統

為完成8K冬奧各類型節目制作，總臺將網絡制播系統的采集、存儲、編輯、合成、傳輸、歸檔等經典流程與8K進行適配，同時與節目生產系統、內審系統、UQC系統、媒資系統、播出系統等上下游系統逐一進行適配和調試，將8K節目制作流程常規化，為本次冬奧會的8K節目制作做好了充足的技術準備。

冬奧8K編輯制作全流程采用了JPEG XS編碼、2Gbps碼率、MXF封裝、16軌音頻，相較于4×XAVC的編碼格式而言，在同等觀看質量下具有延遲低、計算復雜度低等優點，同時JPEG XS對一段視頻只有一個物理文件，可以降低素材文件存儲、傳輸和管理的復雜度，提高收錄及編輯的穩定性和可靠性。

超高清編輯制作系統的8K素材來源主要有兩個方面，一是，在總臺復興路辦公區的8K頻道包裝播出演播室部署了2通道的8K收錄系統，通過與光華路辦公區之間的專線直接回傳至核心存儲系統；二是，前方IBC移動外場系統，將前方5路8K收錄素材通過文件同步服務器經前后方40G專線擺渡至光華路辦公區存儲池。在多路收錄信號的支持下，保證了比賽內容的完整性，節目編輯人員在素材挑選上也有了更多的選擇。

本次冬奧會相關的8K制作任務共82條，分配在《頂級賽事》和《8K超高清萬象》兩個8K欄目之中，其中《頂級賽事》分配62個制作任務，《8K超高清萬象》欄目分配20個任務，包括9個中國隊獲得金牌的頒獎儀式。北京冬奧會期間，根據每天的賽事內容，對應相應的節目代碼進行制作。使用收錄的8K比賽畫面和現場聲音，配合4K的解說聲音，完成賽事重播節目制作。頒獎儀式的制作，使用ENG拍攝的8K單機素材，通過前場系統將素材傳入后場存儲池中進行上載和編輯。

圖10 8K編輯制作界面

北京冬奧會前場回傳至總臺超高清制作系統收錄的8K素材約262小時，冬奧直播和錄播節目總時長超過200小時。

3.8K超高清電視創新傳播分發體系

2022年1月26 日，總臺正式開播了CCTV-8K超高清電視頻道，CCTV-8K信號通過中國廣播電視干線網接入北京歌華有線電視網和廣東有線電視網，面向家庭用戶提供8K超高清電視服務；與此同時，為讓更多的人看到8K冬奧盛況，總臺啟動“百城千屏”推廣活動，在全國120多塊8K大屏同步播出CCTV-8K信號，廣大人民群眾能真正看到纖毫畢現、絢麗多彩的北京冬奧會。

圖11 8K冬奧全國戶外大屏展播

3.1 8K超高清電視頻道播出

CCTV-8K電視頻道作為全球首個通過網絡播出的8K超高清綜合性頻道，目前每天播出16個小時。該頻道播出的主要內容包括紀錄片、體育、文藝等類型的超高清電視節目，同時承擔國內外重大活動、賽事轉播的超高清信號播出。該頻道在2022北京冬奧會期間總播出時長451小時，其中，北京冬奧會開閉幕式、短道速滑、花樣滑冰、速度滑冰、自由式滑雪大跳臺、單板滑雪大跳臺等賽事直播95小時，精編賽事、頒獎典禮等冬奧節目錄播356小時。

新建的8K超高清電視播出系統采用全IP架構，具備1個主頻道、1個個性化頻道（2022年年底將擴建到10個性化頻道）和1個虛擬頻道的播出能力。該系統的建成推動了8K超高清技術標準的落地，攻克了8K高幀精度控制、IP信號調度監管等難點問題，實現了核心設備和系統軟件國產化。

圖12 8K超高清電視播出系統

8K超高清節目播出平臺支持8K超高清文件錄播和8K超高清信號直播，具備多通道并行的節目播出能力，可支持多地的個性化播出。8K超高清節目播出平臺包括業務應用服務系統、IT支撐系統和視音頻支撐系統。

播出業務應用服務系統包括播出編排、播出整備、播出控制等應用程序，可依照播出單據實現8K超高清節目文件的自動化備播流程，實現對8K超高清播出視頻服務器的文件解碼播出、信號切換與圖文包裝疊加等功能的自動化控制，完成對視音頻信號系統的調度控制。

播出IT基礎支撐平臺主要由存儲、服務器、工作站、虛擬化平臺、安全設備、基礎網絡等模塊組成。播出系統信息安全按照相關等保要求進行建設，在邊界安全、網絡安全、主機安全、應用安全、數據安全等方面實施管控，確保系統在安全可信的環境中穩定運行。

播出視音頻支撐系統可實現外來信號歸一化處理、播出文件解碼播放、信號技術監看、系統集中監看等信號處理和監看能力；系統配置末級切換設備，可用于系統末級信號的應急切換；系統配置統一的精準時間基準。系統具備IP化播出能力，支持8K超高清電視實時信號的播出。

3.2 8K超高清電視IP集成分發系統

8K超高清電視IP集成分發平臺面向公共8K大屏幕提供8K超高清電視節目的個性化發布及大屏端的解碼終端管理。

圖13 8K超高清電視IP集成分發系統

該平臺基于IP信號構建多級播出管控分發框架，平臺全部基于國產自研軟硬件實現，在中心端實現8K主頻道信號和個性化頻道信號的分發調度，在邊緣端實現終端管理和數據采集。8K超高清電視IP集成分發平臺可支持8K AVS3節目流的調度分發，實現8K超高清電視節目在各省個性化分發及大屏端解碼播放，視頻編碼碼率為120Mbps。

節目流調度系統為IP化主備鏈路，可實現應急選切功能。節目流監聽監看可對媒體調度矩陣的所有節目流信號進行碼流分析及報警。節目流經調度后，通過運營商光纜專線進行傳輸分發。提供光纜專線傳輸服務的運營商負責該專線的日常運行維護，確保信號的全程安全傳輸。

專業解碼終端支持雙路8K IP流接入。自動檢測主路視頻流中斷時切換備路輸出；自動檢測主備路視頻流同時中斷時輸出本機預存測試畫面。專業解碼終端主要應用于連接室外及室內的8K大屏幕或8K電視機等顯示設備。解碼終端支持將本機的實時運行數據、安全認證信息、流監控數據、抽幀畫面通過運營商專線回傳綜合管控系統。

綜合管控系統完成與專業解碼終端的數據交互以及系統的監控匯聚展示。通過將IP地址和專業解碼終端MAC地址綁定，實現對專業解碼終端的可控授權。系統具備抽幀比對功能，將回傳抽幀圖片和平臺內輸出信號的抽幀圖片進行比對，保證播出內容的一致性。系統具備集中監看功能，依據平臺策略和大數據分析，實現人機交互的智能化運維管理。

3.3 8K AVS3超高清電視編碼系統

8K超高清節目AVS3編碼壓縮平臺支持多路8K超高清節目的編碼壓縮，該系統包含多個獨立的AVS3編碼通道。編碼壓縮后輸出TS/IP節目流經8K超高清電視IP集成發布平臺調度后送下游用戶。該編碼平臺采用我國自主技術、國內獨立研發、面向8K超高清應用的全新一代AVS3視頻編碼標準，遵循《信息技術 智能媒體編碼 第2部分：視頻》（T/AI 109.2—2020）的技術要求；音頻采用5.1環繞聲編碼。這一創新應用也將全面帶動我國自主技術AVS3編碼標準的產業化發展。

圖14 8K超高清編碼壓縮及節目流分發

3.4 CCTV-8K進網入戶和“百城千屏”推廣應用

CCTV-8K頻道通過中國有線電視干線網送至全國各地有線電視網，并接入北京歌華和廣東有線電視網，為用戶提供8K超高清電視頻道服務，CCTV-8K在總臺前端編碼、網絡運營商傳輸和用戶終端解碼均采用AVS3編解碼標準，首次實現了我國自主視頻編碼標準端到端全鏈路傳輸。

為滿足廣大人民群眾通過8K超高清電視看冬奧的要求，總臺啟動 “百城千屏”超高清公共服務平臺建設，將CCTV-8K超高清頻道傳送到北京、上海、廣州、深圳、天津等全國30多個城市，以及冬奧高鐵專列上的清河、延慶、太子城、崇禮4個車站120多塊超高清大屏，進行了冬奧賽事展播。8K超高清技術帶來的細膩清晰的賽場精美畫質，為廣大人民群眾奉獻視覺上的極致感受。

針對在公共場所看大屏電視聽不到伴音這個難題，總臺研發了“百城千屏隨身聽”電視伴音傳播系統，觀眾可通過下載“百城千屏隨身聽”小程序，通過手機收聽到CCTV-8K超高清頻道伴音。該系統通過手機定位信息確定大屏，手機收聽到的伴音與大屏播放的8K超高清視頻時延控制在120ms，如果由于手機播放造成聲畫不同步，可通過小程序進行微調。“百城千屏隨身聽”業務場景見圖15。

圖15 “百城千屏隨身聽”應用場景

作為“技術+賽事”的創新，“百城千屏”推廣應用是全球首次規?；瘧?K技術進行開幕式直播和賽事轉播，讓“8K看冬奧”走近大眾，“零距離”向公眾展示8K冬奧精彩，開辟共享科技冬奧的新場景。

總結

通過2022年北京冬奧會的8K超高清應用與實踐，中央廣播電視總臺依托超高清視音頻制播呈現國家重點實驗室，在超高清節目制作、信號交換、編碼傳輸、用戶服務全鏈路開展技術攻關取得突破，并成功地推進核心設備國產化，構建了國際領先的8K超高清電視制播平臺。采用8K超高清電視頻道進網入戶和“百城千屏”超高清大屏推廣落地相結合的方式，創新了8K超高清電視的傳播服務體系，探索建立全新的超高清電視傳播模式，引領世界超高清電視快速發展。