廣播電視臺4K超高清播出系統關鍵技術研究

李亞珩

（赤峰廣播電視臺，內蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

2019年，工業和信息化部、國家廣播電視總局等部門聯合發布了超高清視頻產業發展行動計劃，明確提出了4K先行、兼顧8K的總體技術路線，要求各省市要大力開展超高清播出系統建設[1-3]。4K超高清視頻技術的成熟發展和應用，為廣播電視行業采編和制作播出提供了更為廣闊的發展前景[4-5]。隨著技術的進步、政策的實施以及相關標準的出臺，各地市相繼實施了一系列4K電視產業應用[6]。赤峰廣播電視臺認真貫徹落實國家超高清視頻產業發展戰略，積極推動電視臺超高清視頻發展，早在2019年5月就投資4 500萬元，開始實施全臺電視高清化發展項目，對電視節目演播室、播出系統等采編播設備進行改造升級，正式開播赤峰高清頻道、赤峰4K超高清頻道，之后又購置了超高清視頻設備。經過兩年多的升級改造，赤峰廣播電視臺三個電視頻道的高清改造順利完成，使電視節目的可視度進一步提升，為觀眾帶來了全新的觀看體驗，播出效果令人滿意。本文提出赤峰廣播電視臺4K超高清播出系統總體架構，對4K超高清頻道設計和播出技術進行探討，對于其他地市廣播電視臺4K超高清播出系統的設計具有借鑒作用。

1 4K超高清視頻播出系統架構

1.1 建設思路

為確保電視臺高標清節目畫面播出質量[7]，赤峰廣播電視臺嚴格遵照國家相關技術標準，加大超高清電視采集制作、總控播出、互動分發等系統建設，推動超高清電視在有線電視、IPTV及互聯網電視的應用，采購廣電級攝像機、導播臺、手持穩定器等設備，建設一套完整的、支持4K高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）全流程節目制作和直播的演播室，如圖1所示。HDR采用更高的碼率和編碼量化值，可有效消除編碼塊效應，表現出視頻圖像高分辨率、高幀率、寬色域、高動態范圍及高碼率的優勢[8]。

圖1 赤峰廣播電視臺高清演播廳

1.2 總體框架

該電視臺超高清播出系統以簡潔、可行、高效為設計原則，4K超高清播出系統架構總體上由播出控制系統、總控系統、整備系統、編單系統、傳輸系統、監控系統以及輔助系統等七個系統組成，滿足上載、傳輸、調取、播出即監控等功能需求，使播出系統更具安全性、可靠性、便捷性[9]。

播出控制系統是電視臺所有系統的核心部分，承擔著臺內外各類信號的交換、調度及監控工作，與其他六個子系統進行業務交互。

總控子系統是電視頻道信號傳輸的中心樞紐，向播控系統傳輸符合條件的視音頻命令，提供時鐘信號和同步信號，以此保障超高清視頻的順利播出。

整備子系統具有遷移、上載、緩存、縮編等業務功能，為電視臺各業務模塊提供文件化的素材交互和處理功能，支持臺標、掛角、跑馬、動畫及倒計時等圖文處理功能，通過電臺對素材進行編碼命名，然后生成素材節目單，將節目單提前遷移到主備和二備播出視頻服務器，由此實現整個備播過程[10]。

編單子系統處于各子系統的中間流程位置，發揮著承上啟下的橋梁和信息樞紐的作用，對節目單、廣告信息等素材可有效進行編排、校驗、審核發送，可支持50幀幀精度。該子系統以清單的形式推送給播出控制系統。控制系統根據最終接收的節目單，完成各類信號的自動切換。

傳輸子系統可與編單系統進行信號交互，是負責對外聯系的關鍵環節。播控系統將信號傳輸到傳輸系統，再由傳輸系統輸出給下游單元。

監控子系統能夠實時監測設備運行、信號交換、播出狀態等數據，以視音頻監控系統圖的形式，顯示各信號檢測點的實時4K圖像畫面，對各種信號異常情況設定閾值，發現異常運行，及時將報警數據寫入數據庫，發出提示指令。

輔助子系統主要負責日志交互，提供故障、日志信息，用來體現系統的運行狀況，發現系統存在異常，及時將故障報告給監控系統。

1.3 視音頻鏈路

視音頻架構方面，該系統采用4路3G-SDI基帶系統架構。播出控制系統根據播出串聯單控制All in One視頻服務器和末端4×1倒換器，自動實現規定順序的硬盤播出、線路直播、圖文混合疊加以及應急切換等功能[11]。

2 廣播電視臺4K超高清播出系統關鍵技術

2.1 時碼控制技術

赤峰廣播電視臺4K超高清播出系統依據廣播電影電視行業標準《4K超高清視頻圖像質量主觀評價用測試圖像》（GY/T 329—2020），采用3 840×2 160 50p的4K超高清視頻圖像進行逐幀掃描[12]，適用于4K超高清視頻系統和設備的圖像質量主觀評價[5]。由于傳統的25p的播控技術無法滿足現有需求，需要對控制邏輯開展50p適配改造。文件格式采用XAVC 500 Mb·s-1碼率格式，確保播控軟件可有效識別節目單中的50p文件的相關入出點。該技術定位更加精準，生成的指令更為有效，可采取VDCP協議傳送到服務器端口。服務器收到播控軟件發出的信號后，對播控軟件信號中的幀位置進行轉換，轉換后以LTC+VITC的格式呈現出來，再根據節目時碼軌道的LTC碼和VITC碼，按照播控軟件下達的命令開始幀精度定位。

2.2 4K凈切換

本系統鏈路設計了4路4K信號，采用4線3G-SDI基帶信號的設備，以Qua-link方式進行4K信號的傳輸，由此解決4線信號凈切換問題，如圖2所示。實際配置過程中，在鏈路的末端選擇的是4臺雙路二選一倒換器，共計輸出4路4K信號，共有16個3G-SDI輸入端口，8個3G-SDI輸出端口，由4臺3G四選一切換設備組成，本身自帶幀同步，支持凈切換，控制系統通過GPI技術能夠實現4路信號幀精度凈切換。在下達GPI切換信號時，視頻能夠自由快速切換，具有強大的網絡鏈路處理功能和先進的凈切換算法，音視頻調度切換畫面無損、即切即得、標準兼容，所有切換的信號都可以實現幀精度同步，解決了通用交換矩陣無法實現凈切換的技術問題。

圖2 4K凈切換圖

2.3 4K畫面一致性比對

在4K音視頻系統監控中，如果僅通過關鍵性能指標（Key Performance Indicator，KPI）對畫面開展問題分析，是無法滿足高清晰畫面播放需求的。傳統KPI報警時間閾值過長，極容易出現報警延遲問題。針對這一問題，系統可采取4K畫面一致性比對技術進行修正，需技術人員全面采集4路4K信號，制定相關監控KPI的標準，并結合真值邏輯開展精準監控。當通過檢測系統發現視頻出現丟失、黑場、靜幀、綠場、藍場等各類純色問題時，當音頻出現靜音、雜音、音調過高、音調過低等問題時，技術人員使用信號一致性比對儀將設備連接3G-SDI BNC輸入端口，配置數量選擇12個，能夠有效對音視頻信號進行全面采集和提取，滿足主備和二備播出視頻服務器Qua-Link 4K畫面的輸入需求。通過引入內容一致性比對，可精準實現對播放信號及網絡鏈路的實時監控，快速找出發生故障的設備，根據系統的綜合分析，確定最終完成主備和二備及墊片4路信號的應急切換。

3 結 語

自新系統運行以來，赤峰電視臺提高了素材整備的效率，實現了每天24小時無間斷播出，節目制作播出實現了高效化，電視頻道畫面更加清晰，節目質量更加優質，無論是播出業務還是視頻質量，都達到了既定的目標，為廣大電視觀眾提供了一場場視聽盛宴，為講好赤峰故事、傳播赤峰聲音，充分發揮了電視臺媒體的作用，同時也驗證了4K超高清電視播出系統從建設到運營的合理性。今后，赤峰電視臺還需要借助信息技術升級的浪潮，不斷開拓創新，努力為廣大用戶提供更加清晰、更為流暢、更高畫質的超高清視覺體驗。