基于IP流播出的4K超高清電視播控探討

唐智廣

（安徽廣播電視臺，安徽 合肥 230000）

0 引 言

4K超高清電視相比以往的2K電視不僅分辨率更高，而且在高帶寬及先進的播控技術的加持下能夠進一步提高節目播出的流暢度，帶給觀眾更好的視聽體驗。在4K應用中，由于SDI基帶信號在電視播放方面存在不足，所以加快推進IP流播放成為現實所需。這需要充分考慮其應用需求，同時加強新技術的應用。筆者結合自身經驗作以下分析和探討，以供相關參考。

1 4K超高清電視及其技術特點

1.1 基本概念

4K是一種被廣泛應用于電視和手機等行業的高清顯示技術。4K電視配置了超高清（Ultra High Definition，UHD）顯示屏即UHDTV，其水平清晰度為3 840像素，垂直清晰度為2 160像素，物理分辨率也達到這個標準[1]。

1.2 技術特點

一是擁有更高的分辨率。4K分辨率可以細分為電影4K，標準分辨率為4 096×2 160，是高清分辨率1 920×1 080的4倍。

二是色域更寬，顏色更豐富。4K超高清電視采用ITU-R BT.2020色域，其色彩空間達到了顯示設備中最大，覆蓋了CIE1931的75.8%，白點色溫D65（6 500 K）。

三是幀率更高。電視機的幀率越高，其呈現的畫面播放流暢度和逼真度就越高。中國PAL-D/K制式的電視幀率為25 f·s-1，通常兩場為一幀，每秒50場；NTSC（美國國家電視標準委員會）的標準為30 f·s-1，每秒60場[2]。

四是高量化色彩和高保真音頻。相比于以往高清8 bit，4K超高清電視采用單通道10 bit整型數據量化，使得輸出的顏色更加豐富飽滿并且色階過渡的流暢性也更好。4K超高清電視使用5.1或7.1聲道，聲音的還原度非常高，音質效果更好。

五是高動態范圍及高帶寬。相比高清電視，4K超高清的亮度空間由標準動態范圍（Standard Dynamic Range，SDR）升級為高動態范圍（High Dynamic Range，HDR），亮度從最高100尼特升為1 000～10 000尼特。帶寬從高清的3 Gb升級為12 Gb，使得信號傳輸更具時效性。

2 IP流用于4K超高清電視播放的優勢

2.1 安裝及維護簡便

一方面，與高清SDI相比，4K超高清IP化播出系統的彈性更大，它可以直接利用通用IT基礎設施的虛擬化環境，搭建私有云播出分發平臺，借助這一平臺管理工具實現播放工作的彈性部署和集中管理，減少重復建設而保證經濟性[3]。另一方面，超高清IP化可以基于軟件定義，通過嵌入軟件來替代一些傳統設備，軟件的配置和調試也很簡單。

2.2 服務器兼容性強

基于軟件編解碼的IP化播出視頻服務器有著更好的兼容性，它支持多種類型的輸入輸出接口，可以滿足多種形式的信號傳輸需求，如基帶SDI信號、基帶SDIoverIP流、壓縮域TSoverIP流等，能夠保證這些信號及時、有效的高質量傳遞。

2.3 系統模塊化設計

模塊化設計優勢在于既便于集中處理軟件升級、設備增補等工作，也可以更加靈活地進行帶寬、存儲量及音視頻I/O端口及數據格式的調節和擴展[4]。另外，IP化播出系統通過網絡協議來實現各種控制命令，將控制網和視頻傳輸網分別組網，如此IP化播出控制無需點對點布線，也能做到有效管理。

3 基于IP流播出的4K超高清電視播控要求及技術措施

3.1 播控要求

3.1.1 要求SDI基帶信號的IP化升級

從上述分析可知，SDI基帶信號由于自身存在局限，已經不能滿足4K超高清信號的傳輸和播放要求，但可以通過對其音頻信號的IP化升級來彌補。

3.1.2 要重視信號同步及校時問題

信號不同步是影響電視節目播出質量的重要因素，在以往的基帶信號中，同步信號的主要呈現形式為數字視頻信號或模擬視頻信號[5]。然而，在IP化4K播出系統中，同步信號也是IP形式，因此在這種播放模式下就不得不同時關注校時問題。

3.1.3 要提高播出的安全保障

IP流4K超高清播出，需要有一個完整的系統設計保障，才能確保電視節目的播出質量和信息安全。進行4K超高清IP化播出平臺建設時，最好優先選用技術成熟、質量可靠的常規化標準產品，同時還要建立對應的糾錯和容錯機制，提高播出系統的容災保護能力，以便有效防控和處理某些突發性問題。

3.2 相關技術措施

基于上述要求，為滿足IP化4K超高清播出，需要采用多種技術措施，主要體現如下。

3.2.1 SDI基帶信號IP化

根據IP流的播出流程，進入播控系統后的無壓縮視音頻SDI基帶信號，也會被轉化為IP數據流，即SDI over IP。該轉化過程是一個綜合性操作過程，主要涉及實時信號處理、傳輸及網絡交換等環節工作，支持該轉化實現的設備工具和技術主要有SDI與IP化的相互轉化工具如信號轉化器、IP網關板卡、IP路由切換調度等，用以支持SDI基帶信號與IP化數據流之間的靈活轉換，實現在IP矩陣內以幀為單位的IP視頻的無縫切換；當需要進行終端輸出時，IP信號又被重新轉換為基帶信號。

3.2.2 IP系統同步鎖相

在電視系統中，信號同步是基本要求，因為任何兩個以上的信號只有保持同步才能實現信號的有效轉化和混合。以往電視播出系統為實現信號同步，多采用BB黑場信號，通過相位檢測產生加減信號，并利用這一加減信號調節同步振蕩器，以此實現同步，或使用三電平變頻器進行調控。IP流4K超高清播出系統使用的是更加先進的PTP精準時間協議。該協議基于網絡的主-從模式，主從PTP同步發送和接收信號，從而有效解決局域網內各設備之間的同步定時問題，保證播出過程中頻率、時間、視音頻幀等信號的精準同步。

3.2.3 IP流調度矩陣

為充分發揮IP流調度矩陣的優勢，必須加強其工作期間的安全保障，包括主備并行工作、從系統集群及斷電直通等。可以采用以下兩種技術措施。

其一，在正常運行狀態下，應該提前配置好用于斷電直通時輸出的對應缺省輸入流地址和端口號，如圖1所示，最初從交換機1輸入到流矩陣網口1的源節目流，在經過流矩陣調度切換后，又從網口2輸出至交換機2。

圖1 IP流調度矩陣調度圖

其二，斷電直通網卡在矩陣操作系統崩潰、設備掉電等問題出現的同時會收到系統指令，同步開啟自動檢測功能并建立斷電直通鏈路。如圖2所示，交換機1傳入的信號經過斷電直通卡被直接傳輸給了交換機2，即便發生設備崩潰或軟件故障，也不會對信號傳輸造成影響。

圖2 IP流調度矩陣在故障情況下的調度

3.2.4 SDN管理

軟件定義網絡簡稱SDN，是網絡虛擬化的實現形式之一，其技術原理是通過分離數據面和網絡設備控制面，以達到靈活控制網絡流量的目的。SDN是整個4K超高清電視IP化架構的核心組成部分，具備預警、告警、故障分析等多種功能。利用SDN管理系統，可以實現對系統內全部設備在運行過程中的狀態進行跟蹤監控，及時調整配置和實施維護等操作，讓整個運維流程變得簡單和智能化，從而切實保證播控系統運行的安全性和高效率。

4 結 語

隨著社會的發展，觀眾對廣播電視服務質量的要求越來越高，廣播電視也面諸多新的挑戰。在此背景下，廣播電視行業唯有不斷提高技術標準，優化服務供給，才能更好地適應新時代、新廣電的發展要求。就現階段技術而言，電視臺基礎架構IP化就是一個有效的突破口。當前，技術層面已經能夠支撐基于IP流的4K超高清電視播控工作，但其穩定性和先進性還需要進一步加強，后續探索的空間還比較大。