適用于高職院校的小型超高清虛擬演播室探索

呂米佳

（廣州城市職業學院 藝術設計學院，廣東 廣州 510405）

0 引 言

近三十年來，電視視頻技術實現了跨越式的發展，實現了從標清、全高清、4K超高清（Ultra High Definition，UHD）到8K超高清的轉變。2012年，由日本NHK電視臺提出的7 680×4 320分辨率正式被國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）認可為8K標準并對外發布。2018年，NHK電視臺正式宣布8K電視信號正式開播[1]。

在國內，2020年，新華社首次采用“5G+8K+衛星”實時報道全國兩會。2022年，北京組織建立了全球首個城市級8K播放體系，開通了國內首個8K頻道用以直播北京冬奧會。

廣州城市職業學院的虛擬演播室始建于2007年，最初是基于SDTV標清標準的演播室。2012年，演播室升級為HDTV全高清標準。近幾年，學院也在持續購入4K超高清設備。2022年，隨著新校區的建設發展，學院也開始著手探索8K超高清演播室建設。

1 超高清技術

1.1 超高清分辨率

超高清是近三十年來歷經標清、高清、全高清發展而來的最新一代的視頻技術，由國際電信聯盟ITU制定，在廣播電視領域廣泛應用。在ITU制定的BT.2020規范中，超高清共有兩個階段：第一階段稱為4K UHD，分辨率為3 840×2 160，第二階段為8K UHD，分辨率為7 680×4 320。

高分辨率是超高清最顯著的特點。8K超高清視頻顯示的像素相當于16個全高清視頻或者4個4K視頻的像素之和，7 680×4 320分辨率一幀畫面的總像素就達到了33 177 600，其物理清晰度相對4K大幅提升。但對超高清畫面的視覺感官，還應包括動態范圍、色彩空間、色彩位深度及幀速率等多重因素。

1.2 高動態范圍

動態范圍，指視頻中反映人眼所能看到的最亮白色與最暗黑色之間的顏色和對比度。傳統的動態范圍為標準動態范圍（Standard Dynamic Range，SDR），而高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）可以使視頻畫面的更具有真實感。HDR有多種形式，目前4K超高清中最常見的是HLG（混合對數伽馬），最初由英國BBC電視臺和日本NHK電視臺提出，廣泛應用于廣播電視領域，優點是兼容性較好，但由于不能提供元數據，因此在后期空間上具有一定的局限性。比HLG更佳的是依照SMPTE ST2084標準開發的HDR10，可以帶有靜態元數據。此外，還有HDR10+、高級HDR、杜比視界等標準，可帶動態元數據，可以在后期制作時靈活地在場景中更改元數據，豐富后期空間。

1.3 廣色域

色域，也就是色彩空間，指畫面中人眼可辨識的色譜中的色彩范圍。廣色域（Wide Color Gamut，WCG）能顯示更多的色彩。二十多年以來，廣色域標準一直在發展，在模擬電視的標清時代，色彩空間標準為BT.601。到了數字電視高清時代，色彩空間逐漸擴展到BT.709。到了超高清時代，色彩空間發展到了BT.2020和DCI-P3標準，支持更豐富的色彩。這兩個標準也被稱為WCG。

1.4 高色深

色彩位深度，是指數字電視中每個像素使用的位數。通常，每個像素都由紅、綠、藍三種顏色的子像素組成。實際上，8 bit色彩位深度使用的位數為8 bit×3=24 bit，三種顏色加起來則有1 600萬種色彩變化。8 bit的色彩位深度在SDR的應用場景是基本夠用的，但是在超高清HDR應用場景下，由于動態范圍變大，8 bit會略顯不足。目前的高色深（High Color Depth，HCD）指的是10 bit或者12 bit的色彩位深度。其中10 bit可以使每種顏色有1 024種顏色的變化，三種顏色可超過10億種色彩變化。

1.5 高幀率

幀速率，指的是每秒畫面的幀速度，一般電影為24 f·s-1，電視為25p/50i（PAL）或29.97p/59.94i（NTSC）。高于上述幀速率的50 f·s-1、60 f·s-1，甚至是100 f·s-1、120 f·s-1被稱為高幀率（High Frame Rate，HFR），在一些運動場景如賽車、體育比賽中具有一定的優勢。

1.6 國內標準

2021年，中央廣播電視總臺發布的《8K超高清電視節目制播技術要求（暫行）》的技術指標提出，8K超高清的分辨率為7 680×4 320，幀速率為50p，HDR為HLG/1 000nit，色彩深度為10 bit，色域為BT.2020。

2 超高清演播室的設計

廣州城市職業學院藝術設計學院的廣播影視節目制作專業群是省級高水平專業群，精準對接影視制產業鏈中后端。該演播室的設計應符合行業8K超高清標準，同時要與原有設備兼容，還應滿足教學實訓的要求。

2.1 超高清演播室系統

演播室系統可參考2021年中央廣播電視總臺發布的《8K超高清電視節目制播技術要求（暫行）》的技術指標進行設計，在滿足8K超高清UHDTV-2（7 680×4 320/50p，HLG/1 000nit，10 bit，BT.2020色域）的制作同時，能向下兼容UHDTV-1、HDTV、SDTV標準。

目前，8K超高清演播室制作流程有兩種方式，即基于SMPTE ST2110標準的IP化制作流程（以下簡稱IP方式）和基于SMPTE ST2082標準的4×12G SDI 8K基帶信號制作流程（以下簡稱SDI方式）。

IP方式是目前較為先進的方式，中央人民廣播電視總臺已經在2022年冬奧會8K超高清直播上進行了實踐。其原理是將8K超高清基帶信號轉為IP信號，以IP的形式進行信號處理，包括攝像機、切換臺、監視設備等設備均使用IP信號在系統中進行制作，實現高帶寬、低延時處理和傳輸[2]。視頻的格式也不再受限制，壓縮的JPEG XS、H.265格式，或者是無壓縮的8K、4K超高清格式都可以以IP方式在網絡中進行處理。IP方式可脫離SDI板卡，雙向傳輸更為靈活，使資源分配和共享更為方便[3]。IP方式是未來發展的主要方向，國內外主流媒體也在從SDI到IP化的方向轉型。

SDI方式是傳統演播室系統常用的方式，從標清到超高清已經發展了三十多年，主要優勢在于延遲低、簡單、可靠。電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）在2015年發布的ST2082標準中提出，12G-SDI可 提 供11.88 Gb·s-1帶 寬，通 過 四 鏈 路12G-SDI，可以實現47.52Gbp·s-1的帶寬，剛好可滿足UHDTV-2（8K）規格超高清視頻的帶寬需求。四鏈路12G-SDI的每個鏈路傳輸四分之一的8K視頻，然后將信號通過SQD（平方除法四分裂）或者2SI（兩個樣本交織）的方式組合成8K的圖像[4]。SDI方式可以兼容現有的攝像機、切換臺及字幕機等設備，但線路的布置會比較復雜，攝像機需要機身支持4路12G-SDI輸出，市面上可供選擇的型號不多。SDI方式技術成熟、維護簡單，對舊設備的兼容性好，成本較低，是一種成熟的解決方案。

上述兩種方式中，盡管IP方式的8K超高清制作系統更為先進，也是未來的發展的方向，但藝術設計學院最終還是選擇了傳統的SDI方式，主要原因如下。

（1）成本控制。IP化的成本較高，核心設備被少數幾家廠家壟斷，價格高昂。而SDI方式發展了三十多年，選擇面廣，可以有效地控制成本。

（2）設備兼容。學院原有設備如攝像機、切換臺等仍在正常使用，其都是SDI接口，若強行IP化，這些設備可能會被淘汰。

（3）人力成本。學院現有人員對傳統SDI設備更加熟悉，若改為IP方式，將增加現有人員的學習成本，以及產生人員招聘的問題。

2.2 演播室工作核心設備

8K超高清攝像機選擇國產的博冠B1 8K 50P小型化廣播級超高清攝像機。該攝像機曾在2022年北京冬奧會上進行直播信號采集，支持7 680×4 320/50p，HLG/1 000nit，10 bit，BT.2020色域的8K超高清標準，機身自帶4路12G-SDI接口，可以直接將無壓縮的8K基帶信號接入切換臺和采集工作站，從采集、制作到傳輸滿足超高清演播室制作[5]。

8K超高清切換臺選擇ATEM Constellation 8K。該切換臺搭載40路12G-SDI輸入和24路12G-SDI輸出，可以同時支持10個8K訊道，也可以將單個8K訊道靈活轉為4個4K訊道。該切換臺內置了對講、切換、色鍵及調音臺等功能并進行了整合，有效降低了成本，非常適合學院演播室的使用。

8K超高清錄像機選擇HyperDeck Extreme 8K HDR硬盤錄像機，支持四鏈路12G-SDI的8K基準信號輸入，可應對UHDTV-2（8K）、UHDTV-1（4K）、HDTV、SDTV等標準，兼容原有的所有設備，支持錄制H.265和ProRes格式的8K視頻文件。

基于以上選擇的主要設備，設計的演播室系統整體拓撲如圖1所示。

圖1 演播室系統拓撲圖

2.3 虛擬演播室

目前，市面上成熟的8K超高清虛擬演播室較少，本文推薦兩個方案。

一是采用基于4K全高清的成熟產品，通過后期升級來獲得8K的支持。比如VisionMagic、Cgangs V3D等虛擬演播室系統，這些系統可兼容無軌跟蹤和機械傳感兩種跟蹤技術。盡管這種虛擬演播室系統目前最高僅支持到4K超高清，但市場的發展速度很快，可預留升級到8K的接口。

二是采用Ulitimatte 12 8K合成處理器。該設備帶有四鏈路12G-SDI接口，可以支持8K超高清摳像。Ultimatte 12系列型號設有幀存儲功能，可以加載來自3D建模播出場景中預先渲染好的靜幀，滿足固定多機位的8K虛擬拍攝。Ulitimatte 12合成處理器還可以結合Unreal虛幻引擎進行跟蹤[6]。

2.4 演播室的布局

由于實訓樓的結構限制，該演播室布局為長25.2 m，寬8.4 m的長方形，包含了虛擬拍攝區、超高清攝像區、工作及播控區、學生觀摩區及設備間等區域，如圖2所示。

圖2 演播室總體布局

演播室右側為學生觀摩區，采用每行10個座位、共5行的階梯座位形式。在學生觀摩區前方的左右兩側設置兩臺移動式8K超高清的70英寸電視，便于學生仔細觀看和分析攝像畫面。中間區域為工作及播控區，兩側放置了切換臺、電視墻、錄像機、字幕機及工作站等設備，是進行節目制作的主要實訓區域，要預留足夠空間方便學生開展活動。

演播室最左側為虛擬拍攝區，其中藍箱規格為8 m長、4 m深、4 m高，采用阻燃聚酯玻璃鋼拼裝組合，底漆采用美國ROSCO公司生產的標準電視系統專用漆。

3 結 語

在8K超高清技術蓬勃發展時代，超高清演播室系統的全面IP化是先進的技術，是發展的趨勢，但造價高昂，并非所有高職院校都有充足的預算去對標行業高端。本文提出的小型8K超高清虛擬演播室，通過選擇四鏈路12G-SDI的技術，器材國產化、小型化，整合精簡冗余設備，符合8K超高清的標準的同時，降低了建設成本，為同類院校建設高性價比8K超高清虛擬演播室提供了思路。