5G技術下的4K/8K超高清直播系統建設的探索

杜沛瑤

（天津市廣播電視臺，天津 300221）

導語

隨著我國科學技術的不斷發展，我國的視頻行業發展迅速。由于新冠疫情的影響，我國的網絡授課模式得到廣泛應用，同時直播帶貨這種新的傳播形式也受到了群眾的普遍歡迎。在這種新媒體背景之下，我國的廣播電視行業應重視對5G技術的研究與應用，加快4K/8K超高清直播系統建設，為受眾帶來更好的觀看體驗。

1.5G技術的特點

首先，5G技術在應用的過程中展現出超強的連接能力，且5G技術的連接過程不僅流暢，而且其能夠同時實現連接的數量也非常多，根據實際的調查數據顯示，5G技術能夠實現1平方千米以內連接近100萬個物體。這一技術的使用為人們生活帶來了極大的便利，5G技術不僅能夠覆蓋到區域內的各類電子設備，還能夠通過5G芯片實現互聯網連接，使互聯網網絡實現高效連接。其次，5G技術相較于傳統的傳輸技術來說擁有更快的傳輸速度，5G技術理論上能夠實現20bps以上的傳輸速度。這一傳輸速度給人們的生活帶來改變，以往的4G環境之下，由于受到網絡傳輸速度的局限，導致人們根本無法實現對4K超高清視頻的觀看。由于5G技術逐漸趨于成熟，在人們日常生活中的應用也愈加廣泛，不僅能夠滿足現代人們的審美需求，還能夠提供更好的生活體驗。最后，傳統的傳輸技術之下，受眾在進行視頻觀看時，經常會出現網絡不穩定的現象，對人們的觀賞體驗產生了極大的影響，但是5G技術下超低延時解決了這一觀看問題，也使得4K/8K超高清直播系統建設得以實現。[1]

2.廣電在5G應用上的優勢

新時代背景之下，廣電行業對5G技術的應用越來越重視。相較于其他行業來說，廣電行業在實現對5G技術的應用過程之中呈現出特有優勢。首先，廣電行業在應用5G技術的過程中具有頻段優勢，我國廣電行業的頻段為700MHz，這一頻段在所有頻段中最具優勢。因為這一頻段呈現出信號穿透能力強、傳播距離遠、消耗成本低等多方面的特點，且由于廣電的這一頻段優勢突出，也使得廣電行業只需要建立一個5G基站。反觀其他的運營商，由于不具備頻段優勢，導致需要建立多個5G基站才能夠實現與廣電相同的覆蓋率。由于廣電行業在5G技術應用過程中具有低成本的特點，在5G技術的建設和推進過程中占據極大優勢。其次，廣電行業擁有寬帶優勢，其所使用的是100M的寬帶，能夠在電視節目傳輸過程中擁有非常快的速度，更能夠與5G技術的應用相匹配。最后，廣電行業擁有非常強的視頻內容制作能力。由于廣電行業發展歷史較長，且其在發展的過程中需要與社會各界的企業進行溝通與合作，具有非常強的社會企業號召力。內容優勢和企業號召力兩項優勢相結合，能夠使得廣電行業未來在5G技術的應用上更具優勢。[2]

3.5G技術下的4K/8K超高清直播系統建設

3.1 超高清采編系統建設

之所以要實現超高清直播采編系統建設，是因為希望能夠利用新型的5G傳輸技術，來實現采編模式以及流程的優化與改造。在全新的采編系統建設過程中，系統主要包含的因素有4K/8K超高清攝像機，這一攝像機的應用能夠為超高清直播系統的建設提供技術基礎，除此之外還包含有視頻編碼和可靠傳輸子系統，這兩個元素都是在5G傳輸技術的基礎之上實現的。同時需要注意視頻編碼一定要是高質量的，以上的系統建設邏輯如圖1所示。[3]該方案具有能夠支持云融合架構下的超高清采編系統建設的特點，除此之外，還能夠對輸入、輸出以及與其相對應的相關協議實現有效支持。對系統中云融合架構下的超高清采編系統建設來說，其能夠實現邊緣計算。這一特點的含義是指在5G技術所覆蓋的區域之內，云融合架構下的采編系統不僅能夠實現邊緣計算，還能夠實現以Container和VM為基礎的部署方式。對新時代的視頻行業來說，其部署方式應該同時囊括私有云部署和公有云部署，這兩種部署方式能夠實現整個采編過程的迅速、良好部署。若在部署的過程之中，由于外部條件影響或由于現場并不具備實現部署的充足條件，現場的技術人員可以針對這種情況利用標準服務器實現快速解決。這一環節的落實，實現了部署工作的可調整性的提升，且這種方式所利用的是租用資源的方式，能夠高質量、高效率完成，還能夠進一步節省經濟成本。同時，由于采編制作的方式具有多樣化的呈現特點，導致采編系統在建設過程中要保證能夠與整體市場中的主流協議與接口實現匹配，才能夠正常使用。為了滿足采編系統未來的發展，還需要將采編系統所配置的接口普適性進一步加強。對采編系統編碼協議來說，需要注意以下幾個方面。首先，采編系統建設過程中應該盡量使其具有能夠實現4K/8K超高清直播系統建設的編碼處理能力。其次，采編系統需要能夠實現對25-60之間幀數的視頻進行相關處理。基于此，可以實現對超高清采編系統的良好建設。[4]

圖1 高質量視頻編碼及基于5G的可靠傳輸子系統邏輯結構

3.2 超高清傳輸系統建設

對超高清傳輸系統的建設來說，實現傳輸系統的安全和流暢是傳輸協議選擇的關鍵所在。由于5G技術的逐漸成熟，使得其能夠為傳輸系統建設提供最高為340Mbps的上行帶寬，這一傳輸速度是4K/8K超高清直播系統建設得以完成的重要基礎，也能夠進一步實現移動網絡中4K/8K的傳輸。雖然5G技術所帶來的帶寬較大，但是在實際的操作過程中，需要在傳輸系統工作時，將碼率進行壓縮，壓縮到50Mbps為最佳。在傳輸協議的選擇過程中，要保證選用較為可靠的傳輸協議，才能夠實現傳輸系統工作的穩定性。市場中現存的傳輸協議應用最為廣泛的主要有SRT、RTMP、RIST三種，為從中選擇出最為可靠的傳輸協議，將其均經過5G的空口測試。在測試中發現SRT這一傳輸協議在測試過程中的各項數據相較于其他兩種協議具有明顯優勢，其中最為明顯的優勢集中在傳輸系統的安全性和延時之中。在測試過程之中，逐漸將丟包率增大，發現SRT傳輸協議具有很強的恢復能力，而RTMP傳輸協議的恢復能力遠不及SRT。由于在實際的采編過程之中，延時這一因素所產生的影響是非常大的，尤其是針對一些時效性較強的節目，需要較低的延時才能夠滿足實際需求。基于此，在測試過程中針對傳輸協議的延時進行了比較分析，分析過程中發現SRT傳輸協議的傳輸延時依然明顯小于RTMP，同時針對保密性的測試過程中，也發現SRT的保密程度也要明顯高于RTMP。基于此可以發現，5G技術之下應用SRT作為傳輸系統的傳輸協議是具有必要性的。但是在實際操作過程中，SRT協議具有一個較為致命的缺點，那就是其存在一定的專利風險，雖然這一協議已經開始實現開源，但是在專利風險這方面并沒有落實任何的保證措施。綜合考量后，在傳輸系統建設的過程之中，可以將RIST協議作為實際應用的傳輸協議，這樣既能在一定程度上保證傳輸效果，又能夠避免專利風險的產生。[5]

3.3 超高清播出系統建設

要想在5G技術的基礎上實現4K/8K超高清直播系統建設，就需要在超高清播出系統建設的過程中強化自身視頻處理能力。這不僅需要對視頻內容進行收錄和轉碼，還需要視頻播出系統具有一定的播出能力，才能夠實現對于直播節目的收錄以及節目的延遲播出。在超高清播出系統建設過程中，主要的建設需要分為以下幾點來細致討論。[6]首先，針對內容收錄以及媒資管理方面，超高清播出平臺的建設需要能夠將直播頻道和離線文件進行收入支持和收錄支持，在這一過程之中播出系統還需要對前文中所提到的SRT、RTMP等傳輸協議做出相應的格式支持。收錄方面需要播出系統能夠實現對于4K/8K等系統的支持，同時保證編碼格式一直處于最新狀態，以實現對于相應視頻素材的良好保存。播出系統中的收錄系統建設過程中，需要保證其能夠具有自定義工作流引擎，這一引擎能夠進入到第三方平臺之中，實現對轉碼過后視頻的高質量儲存。由于5G技術的廣泛使用，導致現如今的收錄與儲存工作相較于傳統的收錄方式來說更為便捷，因為其在實現收錄與儲存的過程中，能夠實現視頻內容的云儲存，這一儲存方式為后續的視頻處理與調取提供了極大的方便。在收錄系統建設過程中，還需要注意建設過程中應將公有云儲存與私有云儲存實現聯合，以保證實現高質量、高效率的內容收錄和媒資管理。其次，針對頻道播出工廠來說，播出工廠存在的主要作用，是實現入庫內容的有效編排，通過高質量的編排與處理，將視頻內容傳遞給下一環節。在這一環節的播出格式攝制過程中，不僅要對傳統的播出工廠進行業務支持，同時還需要對4K/8K、高清、標清以及相應的傳輸協議提供支持。針對于被壓縮過的音頻信息，需要播出工廠能夠擴充自身音頻編碼格式，以實現對不同格式音頻的有效接收和傳遞。對TS over IP、SRT、RTMP這三者來說，在實際應用中盡量選取前兩種進行應用，因為TS over IP和SRT這兩種格式能夠實現對多種音軌的有效支持，RTMP只能夠支持單音軌，不具有實用性。[7]最后，節目編排中心。節目編排中心能夠實現個性化的編排需求，以此能夠幫助特定的群體設定特定的節目，也能夠實現對節目突發性需求的充分滿足。針對以上所提到的三個部分來說，這三個部分處于相互之間獨立的狀態，這三者通過不同的關聯和組合形成了不同的業務模式，在5G技術的應用過程中，這三個模塊為4K/8K超高清直播系統建設提供了動力。在新媒體時代，各地方臺也應該加速對5G技術的研究與應用，實現未來的穩定、健康、可持續發展。

3.4 超高清監測系統建設

在4K/8K超高清直播系統建設的過程之中，我國也更加重視這一科技變革過程中的安全性和合理性，為保證超高清直播系統能夠規避風險，實現未來的安全發展，需要相關廣電行業能夠提起對超高清監測系統的重視度，建立風險評估機制。基于此，監播系統應運而生，這一系統能夠支持公有云和私有云兩個直播頻道的有效監測。首先，針對基于多畫面的主觀質量監測來說，5G技術在這一監測過程中應該充分發揮其作用，對公有云和私有云兩個直播頻道均進行實時監測，通過對相應直播頻道進行解碼或預處理工作，能夠高效產出監測結果。其次，對基于音視頻指標的客觀質量監測來說，前文中所闡述的監測模式為主觀監測，但客觀質量監測也有引進的必要，相對主觀監測過程，客觀監測更能夠實現對風險的管理與規避。如圖2超高清直播監測系統圖所示。實現超高清監測系統的良好建設，需要在視頻流之下引入RTMP、SRT、RIST三個傳輸協議，通過SRT實現多畫面內容的有效傳輸，傳輸至監控中心之后，即可實現對多畫面內容的有效監測。除此之外，監測系統也應該實現互聯網內容分發的支持，這種支持不僅能夠實現機構與廣電總臺之間的傳輸，還能夠實現與用戶之間的傳輸。超高清監測系統建設的第二個原因，是為了能夠實現對于音視頻質量的客觀監測，這種客觀監測過程能夠為主觀監測過程提供更為詳盡的數據支持，幫助相關技術和監測人員實現高效監測工作的完成。[8]其中的數據包括，第一，正確的解碼參數、連續工作參數以及周期監測參數。第二，音視頻指標，其中包括總碼率、幀率、分辨率等多項指標。以上所有的指標，在監控中心都能夠隨意進行瀏覽與查詢。在大數據技術之下，這些指標會得到良好的儲存，并能夠通過數據建模的形式實現對以上指標的良好機器學習，根據這一學習過程，若在監測的過程之中，發現部分指標存在問題，系統就會彈出警報，實現風險的有效防范。

圖2 超高清直播監測系統

3.5 超高清直播傳輸多屏協同分發系統建設

之所以要進行超高清直播傳輸多屏協同分發系統建設，是想要建立一個與5G技術相融合的超高清直播傳輸多屏協同分發系統。這一系統的建立能夠有效實現在超高清直播的過程之中，實現對各種格式的視頻進行接收。同時可以相應建立融合分發平臺，這一平臺的建立能夠幫助系統實現視頻處理過后的多次利用，進而能夠有效避免在傳統的視頻處理過程中，由于一段視頻進行過多次處理而出現的視頻清晰度降低的問題。進而使得資源的消耗大大減少，以實現系統故障出現的概率，如圖3所示的超高清直播傳輸多屏協同分發系統。顧名思義這一系統的建設是為了建立一個能夠實現多屏分發的平臺，在這一平臺的建設過程之中，需要支持多種協議與格式才能夠實現這一平臺構建的基礎，進而實現自身平臺特殊性的建立。在5G技術的利用之下，需要系統對CMAF格式的支持，進而能夠實現5G技術之下的高質量、高效率分發工作。在超高清直播系統建設的過程中，還有一項技術在建設過程中具有重要意義，5G廣播技術投入使用，能夠實現視頻分發過程中對于5G帶寬使用量的良好控制，實現高質量超高清直播系統的建設，同時5G廣播技術的使用還能夠實現對于系統建設成本的有效控制。由5G廣播技術所節省下來的帶寬可以分發給其他的視頻播放進行應用，進而能夠實現受眾用戶體驗的增強，實現超高清直播系統的良好建設。基于以上的各項信息，可以明確，超高清直播傳輸多屏協同分發系統的良好建設，可以使得分發平臺實現多樣化的組合形式，進而在實際的使用過程中能夠滿足不同業務場景的實際需求，實現高效率、高質量的分發工作。通過一個分發平臺來實現多種業務場景的工作，能夠有效提升用戶操作過程中的難易程度，也能夠在系統建設完畢后的運行與維護工作中，實現高效運行和維護。

圖3 超高清直播傳輸多屏協同分發系統

結語

綜上所述，本文通過對5G技術在4K/8K超高清直播系統建設過程中的特點、優勢以及各環節的分析與探討，提出了實現這一系統建設需要達成的標準與所要面臨的挑戰，旨在希望超高清直播系統能夠增加自身應用場景，進而提升受眾觀賞體驗，滿足當前社會中人們的審美需求。