電視播控系統的4K超高清改造研究

郭海紅

（吉水縣融媒體中心，江西 吉安 331600）

0 引 言

科學技術不斷發展和進步，推動我國電視制式從標清到高清的發展。相比以往的2K電視，4K超高清電視在分辨率、幀率以及聲效方面都具有顯著優勢，可提升超高清電視的可視度，利用先進的播控系統進而提高節目播出的流暢度，增進觀眾觀看體驗。當前，國家正大力度推動4K超高清電視播出的研究，目前有CCTV 4K頻道、地方衛視“4K頻道”等。從廣播電視技術現狀來看，電視系統逐步進行超高清改造，廣播電視播控系統中重視TICO編解碼硬件設備的應用，結合自身經驗分析關鍵技術，探討畫面一致性比對和凈靜切換技術設計，明確4K超高清電視信號轉發在播控系統改造中的應用，充分考慮其應用需求，以適應4K超高清的發展。因此，如何合理設計電視播控系統4K超高清改造，是當前技術人員需要著重考慮的問題。

1 TICO編解碼設備選型

近年來，多媒體視頻編解碼技術不斷進步，為降低視頻數據量，在電視播控系統4K超高清改造中，要選用TICO編解碼設備，采用輕型視頻壓縮技術，在不改變原有硬件的基礎上，利用媒體虛擬化處理平臺，實現JPEG2000編解碼功能，完成4K超高清視頻內容傳輸，從而保持質量和位速率的平衡，提高設備的適應性和使用周期，構筑大型跨域SDN媒體網絡[1]。

針對電視播控系統特點，結合技術先進性和安全性，TICO編碼器配置為1路UHD 4×3G-SDI同軸輸入，1路TICO3G-SDI同軸輸出，TICO解碼器配置為1路TICO3G-SDI同軸輸入，1路UHD 4×3G-SDI同軸輸出。編解碼器的具體配置結構如圖1所示。

圖1 TICO編解碼器配置結構圖

本系統中，電視臺依據4K超高清電視節目播控技術規范，選用TICO編解碼器完成從主控到播出的4K信號調度，實現制播域各單元間的4K信號傳輸，其中總控系統負責編碼，播出系統負責解碼。經過信號處理，TICO解碼板卡解碼TICO編碼流信號。直播信號經過TICO編碼，將4K信號淺壓縮，傳輸TICO編碼流信號至播出系統，經由TICO解碼板解出符合要求的編碼流信號之后傳送至地網。TICO編解碼板卡進行高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）的4K信號解編，保證HDR的高清圖像質量，充分保證4K信號的穩定性，提升設備的適用性，延長其使用周期。選用TICO編碼的目的是進一步架構4K超高清一致性檢測技術，提升播出系統的穩定性。

2 畫面一致性比對設計

為保證超高清視頻的視頻信號質量，需要引入畫面一致性對比檢測技術，分別采集4路分量的視頻信號，依照相應的真值邏輯進行信號完整性比對測量，明確相應的質量監控關鍵性能指標（Key Performance Indicator，KPI），保證等效的質量控制性能指標，實現4K信號的有效控制。其中，檢測算法包括視頻一致性檢測和音頻一致性檢測。一致性檢測是指在預定時間內對比音視頻信號的一致性，進而同步音視頻信號[2]。通過一致性比對檢測每路3G-SDI信號，其中4K信號的視頻檢測主要針對視頻丟失和中斷、純色彩場等現象，音頻檢測主要針對音頻反相、音頻中斷以及音量偏高或偏低等現象。音視頻信號檢測主要體現在采集線程和檢測線程兩條線程上。采集線程分別通過音視頻采集卡進行信號采集，借助回調函數處理采集數據后進入檢測數據序列等待，檢測線程通過調用采集數據，分析、比對檢測數據。

4K超高清一致性檢測架構分為四部分，分別是信號采集、信號分析、內容比對平臺管理和客戶端。信號采集主要負責采集主末路信號，檢測所采集基帶信號的合規性；信號分析負責4K超高清內容特征值的分析提取；內容比對平臺管理主要負責策略制定與管理，綜合音視頻信號的比對信息以及內容異態，判斷各路信號的一致性，依據不同場景檢測信號質量并在應急條件下給出報警提示并觸發應急切換設備；客戶端通過可視化界面展示各路信號的檢測結果，并觸發自動切換及報警提示。為保證4路3G SDI信號的一致性，各組信號兩兩對比過程中首先要做到幀對齊，接著逐幀比對。為降低誤差，技術人員使用畫面一致性比對技術，采用分段整體匹配的對齊方式，根據設定容差記錄每次對齊的偏移值，根據多次比對的偏移值是否一致判斷一致性，為下一步凈靜切換技術的應用做準備。

3 4K凈靜切換設計

在4K超高清播出系統中，視音頻架構如圖3所示，主要包括4條路徑輸出的4K視頻信號，輸出信號的傳輸方式為Qua-link形式。

圖3 視音頻架構

技術人員在設計系統時，在鏈路末端配置4臺具有靜態網絡連接和凈靜切換功能的雙路二選一主備倒換器，可提供信號輸入端口16個、輸出端口8個，有效滿足4路4K視頻信號4選1的需求。借助控制面板，實現在線視頻GPI通用接口連接，依據GPI控制傳輸切換指令，完成同步幀精度為基礎的視頻凈靜切換，實現4K基帶信號的網絡交換，確保視音頻的流暢性與高幀率。同時，技術人員在系統中引入單向信號限制裝置，確保GPI的電勢差不受倒換器故障影響，保障4K超高清電視節目的有效傳輸。實現電視播控系統4K超高清改造，需要借助TICO解編碼設備，通過畫面一致性比對以及凈靜切換技術，完成4K超高清電視信號轉發。

4 4K超高清電視信號轉發

4.1 SDI基帶信號IP化轉型

SMPTE 2110標準的發布，實現了信號的無壓縮傳輸，推動廣電制播領域的進一步發展。依照SDI與IP化的相互轉化工具，SDI基帶信號與IP化數據流借助IP路由切換調度，實現IP視頻與基帶信號間的無縫切換。利用IP化將4K超高清高碼率類型信號進行IP化轉型，實現VANC機制下視頻同步傳輸，是現行標準下行業的主流發展趨勢。視頻制作設備主要由IP核心交換機和IP切換臺組成，本系統中的IP切換臺支持4K制作字幕、在線包裝接入、DVE特效、多通道鍵控疊加、高清IP信號等[3]。無需額外的轉換設備，按需配置40 Gb·s-1光口和25 Gb·s-1光口，配置不低于2M/E的4K切換臺，同時配備相應信號切換矩陣以及多通道錄像機，滿足復雜播出應用需求。

同時，為充分結合傳統SDI鏈路與IP流鏈路，要進行基于SDI/IP信號處理的超高清（Ultra High Definition，UHD）基帶信號IP轉化，可將無壓縮的視音頻信號轉化為傳統SDI基帶信號，實現主備信號冗余切換。在此過程中，本系統增加了兩個網關處理模塊，實現超高清播出視音頻鏈路上的IP鏈路備份。

4.2 SDN架構搭建與管理

搭建軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）管理網絡，可以優化傳統視頻播出架構，逐步實現網絡虛擬化，分離數據面和網絡設備控制面，加快IP化轉型進程，進而靈活控制網絡流量，為網絡功能完善提供方便。

作為4K超高清電視IP化架構的核心組成部分，SDN在增進4K超高清視頻的信號傳輸、預警、故障分析等方面都具有重要作用。借助SDN管理系統，能夠搭建SDN密碼管理安全機制，分級管理用戶，從而提升流量管道配置的靈活性，實時跟蹤監控系統內全部設備運行狀態，根據播出業務要求選取對應傳輸通道，及時維護系統設備，從根本上規避傳輸問題，優化運維流程，保障播控系統運行的安全與高效，為電視播出系統提供強有力支撐。

4.3 IP流調度矩陣設計

電視播控系統的4K超高清改造過程中，要充分發揮IP流調度矩陣的優勢，做好工作期間的主備并行工作，可通過以下兩種技術措施強化工作期間的安全保障[4-5]。

（1）根據IP流調度，提前配置斷電直通時輸出的對應輸入流地址以及端口號，從源節目流經由流矩陣調度切換，從新的網口輸出至新的交換機。

（2）斷電直通網卡在IP流矩陣中操作系統崩潰、設備問題出現的同時收到系統指令，自動檢測功能開啟，1機信號不受設備崩潰或軟件故障的影響，經斷電直通網卡直接傳輸至2機。

通過上述步驟，完成了電視播控系統的4K超高清改造，實現了從技術層面上支持4K超高清電視播控工作的目標，保障4K播出系統整體平穩運行。播控設備聯動協調，節目制播更為便捷高效。

5 結 語

隨著社會的發展，4K超高清電視制播控系統亟待創新改造。廣電行業要不斷提高技術標準，增進播控系統的核心地位，逐步推進4K超高清電視節目發展，多措共舉，創造先進的4K超高清播控系統。就現階段技術而言，選用TICO編解碼設備、基礎架構IP化是兩個重要的突破口，在關鍵技術上踐行畫面一致性比對和4K凈靜切換技術，充分發揮4K超高清電視的特點，能夠被觀眾認可和接受。當前，電視播控系統的超高清改造還有極大的探索空間，需要大量實踐經驗的進一步總結。