國產8K廣播級EFP攝像機制造及冬奧應用

丁雪玲，石亮，周毅

（1.中央廣播電視總臺，北京 100045；2.國家廣播電視總局廣播電視科學研究院，北京 100086；3.中國新聞技術工作者聯合會，北京 100037）

1 8K超高清攝像機市場現狀與問題

1.1 8K超高清及其產業鏈

超高清視頻是視頻技術繼模擬、標清、高清后的新一輪代際演進，與5G、人工智能等同為當前新一代信息技術的重要發展方向。8K超高清（8K UHD）分辨率7680×4320像素，單幀畫面的像素數為高清的16倍，清晰度可達到4320電視線，理論清晰度為高清的4倍。8K超高清視頻全方位大幅提升視頻畫質和音效，能給觀眾提供身臨其境般的收視體驗；最直觀的體現，視頻呈現在相同尺寸的顯示屏上更加清晰，畫質更加出色，具有更豐富的畫面細節。

超高清視頻的產業鏈總體可分為核心層、服務層和應用層三個層次。核心層提供硬件設備的生產制造，包括視頻生產設備、網絡傳輸設備、終端呈現設備和相關核心元器件，覆蓋了超高清視頻產業鏈的上中下游。上游是核心元器件，包括感光器件、儲存芯片、編解碼芯片、圖像芯片、處理器芯片和顯示面板。中游是視頻生產設備（包括采集、制作、編碼和儲存）和網絡傳輸設備（衛星傳輸、有線電視傳輸、地面廣播和互聯網傳輸）。下游是終端呈現設備、平臺服務及應用層。

1.2 8K攝像系統的特點與能力

8K攝像機是超高清視頻產業的開端，攝像機的能力直接決定了8K超高清視頻采集環節源視頻的質量。從目前的應用來看，8K攝像機主要分為專業廣播級攝像機和非廣播級攝像機。8K專業廣播級攝像機對硬件處理能力要求極高，對數據處理時的散熱能力、感光元件尺寸等具有較高要求。同時，8K攝像機需要對高動態、寬色域等提供較好的支持，最大程度記錄及還原現場的場景。對于機內錄制，需要為后期專業制作和保存提供更豐富的有效信息，錄制視頻文件的碼率會達到數G，使得實時錄制需要極高的I/O性能。廣播級制作場景的重要性毋庸置疑，對設備及相關系統的穩定性、可靠性要求較高，這些都是非專業廣播級設備很難達到的。

1.3 外企高度壟斷，國產設備正在追趕

在國際范圍內，8K產業鏈的廣播級攝錄編制作環節，目前現有的設備品種較少，產品寥寥無幾。在我國尚未誕生自己的廣播級8K攝像機與攝像系統之前，市場幾乎被美國、日本個別企業全部壟斷。國內某企業的8K廣播級EFP超高清攝像系統率先填補了國內該領域的空白，據調查，受全球疫情與國際標準等因素影響，現狀是8K EFP攝像系統難以進行批量生產，市場上形成“無貨可交”的局面。

長久以來，我國廣播電視行業的基礎設施與設備，一直被美國、歐洲、日本等發達國家壟斷，外國企業除在廣電行業銷售設備外，每年還需向各大電視臺收取數目不小的設備升級維護費。在我國電視事業發展的近70年歷程里，我國除了付出超級昂貴的設備購買費以及維護費用以外，節目制作端的國家信息科技安全也存在較大的隱患。

目前，我國已有企業切入8K超高清攝像機行業，國產8K廣播級攝像機的研制及商業化應用意義重大。目前索尼在電影級攝像機、廣播級攝像機領域的全球占有率分別高達68%和85%。

2 國產8K超高清攝像系統技術架構與設計方案

8K超高清攝像系統融合了半導體感光技術、集成電子電路技術、精密機加工技術、大規模軟件系統控制、智能控制和光學傳輸技術等多項前沿科技，是全球攝像機制造行業的巔峰技術。一套攝像機系統接近20萬個零部件，組成整個一訊道的8K超高清系統，其創新難度不言而喻。一個8K訊道攝像機內除了鏡頭和感光芯片（自主設計，辰芯光制作）是外購和定制之外，本攝像機的成像系統、圖像處理系統、聲音系統，Tally系統，主控系統、傳輸系統、同步系統的硬件板件和軟件全部為自主研發。

2.1 技術架構

國產8K廣播級攝像機主要由光學鏡頭、光電轉換系統、圖像信號處理（Image Signal Process，ISP）單元、輸入輸出單元及附件構成。其中光電轉換系統和圖像信號處理單元為攝像機的核心部件，如圖1所示。

圖1 國產8K超高清攝像機技術架構圖

（1）光電轉換系統國產8K CMOS 芯片。芯片分辨率高達6500 萬像素以上，具備低讀出噪聲、高動態范圍特性和優異的快門效率以及角度響應，可有效替代日本、歐美廠商的CMOS感光芯片。相較于傳統的CCD芯片，CMOS還擁有成像速度快、器件結構簡單、體積小、功耗低、性價比高、易于控制的特點。

（2）圖像信號處理單元。廣播級攝像機的圖像信號處理過程涉及到幾十個電視標準，如果沒有長期的廣電技術經驗，很難做到標準的完整覆蓋，國產8K 超高清系統是基于研發者對廣電行業專業用戶需求和使用習慣的深入了解在軟件部分實現全自主研發的。

（3）其它主要技術環節：①串并轉換，把掃描到的串行信號轉變為計算機可識別的并行信號，同時降低由于瞬時大量數據、超高速率處理和傳輸導致的IC芯片處理壓力；②整形，加入信號索引、編號信息（例如ID、信號來源、信號屬性等）等，將數值變為地址，便于后續進行圖像信號處理；③串行數字接口，圖像信號和音視頻信號的遠距離傳輸。［1］

2.2 系統組成

一套國產廣播級8K EFP 攝像機主要包含四部分：感光與光電轉換系統、信號與圖像處理系統、信號打包傳輸和無壓縮光電傳輸系統、攝像機控制單元（Camera Control Unit，CCU）機站。

（1）感光與光電轉換系統

感光芯片方面，國產8K 攝像機定制了有微棱鏡設計的CMOS感光芯片，如圖2所示。

圖2 帶有微棱鏡設計的CMOS感光芯片

按照業界經驗，棱鏡方式多片傳感器，畫質會更好。因此國產8K 攝像機傳感器采用了微棱鏡分光技術，兼顧了圖像的高分辨率、高畫質，同時也提高了圖像分光的準確性和色彩還原度。采用微棱鏡技術的傳感器，大大提高了三基色的隔離度，一定程度上解決了串色的問題，這種不使用渲染方式而提高圖像色還原的技術，也是該攝像機的特點。

為了提高畫質，結合微棱鏡帶來的色分離優勢，該系統沒有采用傳統BAYER 分光掃描模式，直接采用像素點掃描模式，經過圖像處理后，直接進行YUV 編碼。如圖3 所示，給出了FPGA 內部轉換示意圖。

圖3 FPGA內部轉換示意圖

（2）信號與圖像處理系統

攝像機圖像處理是整個系統中最重要的部分，國產8K 攝像機系統最大的特點是采用了四路實時并行處理的運算方案，其邏輯框圖如圖4所示。

圖4 攝像機圖像處理示意圖

在這部分，完成了攝像機所需的高動態、色域、彩色矩陣、波分等處理。

（3）信號打包傳輸和無壓縮光電傳輸系統

在本系統中，利用自研的微小型密集波分復用技術，完成8K無損、無壓縮信號傳輸。

（4）CCU機站：解碼、處理、信號輸出接口系統

CCU機站作為EFP系統主要信號端口，在本環節完成各路信號的解碼、光電轉換、和信號恢復等功能，是整個EFP 系統最重要的部分之一。圖5 為CCU 機站前后面板設計圖。

圖5 CCU前后面板設計圖

3 技術優勢、特點與性能指標

3.1 核心技術優勢

（1）圖像采集技術優勢

日本某品牌8K 攝像系統采用的為棱鏡技術，該技術需要3 片單色CMOS 來分別識別紅光、綠光和藍光，之后再將三種單色光合成來實現8K 級9000 萬像素，圖片放大會有邊緣模糊的現象，黑暗環境下拍攝效果非常不理想。由于三塊濾鏡都必須保證對齊到同一點，因此需要反復校準，對機械加工工藝的要求極高，導致攝像機的生產速度緩慢，且價格昂貴。

國產8K 攝像機系統采用點掃描技術（POV），點掃描是在拜耳濾色陣列的基礎上面向廣電行業更高色彩采集需求下的一種創新，不同于拜耳濾鏡陣列為像素掃描且通過插值計算得到像素點的值，點掃描將全部色彩的信息全部存儲并還原，因此能夠最大限度減少色度的損失。國產8K 攝像機拍攝的圖像分辨率更高、色彩更鮮艷更豐富、噪點更少，不會有失真、邊緣模糊的現象出現，且在黑暗環境下拍攝效果遠超其他8K攝像機。

（2）圖像信號處理優勢

圖像信號處理用來處理圖像傳感器的輸出數據，包括：自動白平衡、色彩校正、伽瑪校正、噪聲去除、色彩空間轉換、邊緣加強、色彩與對比度加強等70 多項功能的處理。圖像信號處理的硬件部分主要為DSP+FPGA，同時通過大量的軟件來實現。在計算處理過程中使用了160張（未來會更多）映射表來保證計算的高效性，基于系列映射表的邏輯和映射關系構造的核心算法是一項核心技術壁壘。映射表理論是比較成熟的，技術難點在于如何構建正確的映射關系來得到正確的計算結果，需要前期的持續大量調試積累，需要豐富的行業經驗、實踐經驗和研發經驗的積累。

映射表的優勢在于，經過串并轉換和整形之后的圖像信號，其每一個數值都唯一對應著一個地址。之后的計算如果把數值按照地址送入DSP計算，DSP做完一個乘數計算最快需要十幾個時鐘節拍，加減計算需要4-5個時鐘節拍，如果連續做多個加減乘除計算，整個計算的延時就非常嚴重。8K 圖像本身數據量非常大，點掃描把全部的圖像數據全部存儲，因此計算量非常大，如果使用DSP 直接計算，理論上可以得出同樣的結果，但是實際上延時非常高，很難做到實時高效，在一個時鐘節拍內完成一組計算是不可能的。使用映射表則可以實現一個時鐘完成一組計算，做到計算處理的實時高效。

3.2 十大技術亮點

國產8K 廣播級EFP 創新采用內模塊式的廣播級8K 超高清攝像機硬件結構和基于高速算法的軟件定義圖像恢復流程體系，自主開發了應用大規模可編程門陣列（FPGA），實現攝像多路串行轉并行的信號實時轉換處理，研制了CMOS 高速數據控制與驅動軟件、數字圖像處理功能軟件和攝像機控制軟件，設計并生產了適配不同鏡頭的高精度卡口轉接環，使得攝像機可使用各類專業鏡頭；研發并生產了便于靈活操作的視頻錄制控制處理單元。在該系統100多項自主創新、自主研發制造的基礎上，概要匯總出以下十項亮點：

（1）首創內模塊式（含FPGA 全套IC）的攝像機集成結構

過去的攝像機是一體化設計，在模擬電路時代，一體化是為了充分降噪而設計，一體化的設備整個設計從零開始，各個環節環環相扣，對廠家的綜合性要求特別強，在中國的傳統研發環境下達不到廣播級的要求。與此同時，一體化最大的問題在于后續的維修、功能變更、固件升級與軟件調度都很困難，8K 級產品（例如索尼）批量量產的難度也大大增加。

模塊式設計的優勢在于設計更加靈活，是未來發展的趨勢。模塊式設計最大的優勢在于插拔式的設計可以快速拆卸和拼接，且可以根據客戶的需求做更換，維修更方便，功耗也易于控制，同時為以后做輕量級/小型化攝像機提供了先決條件。

（2）三款自主研發實時圖像處理、彩色處理IP核

三款IP 核解決核心軟件與硬件的結合問題。三個IP 核一個為JP2000，一個專門做數據整合和規范，一個為ISP（圖像信號處理）。ISP處理主要包括：白平衡、伽馬處理、消刺邊、PQ 處理、顏色加寬、色彩處理等。IP 核是核心能力與技術壁壘所在，每家廠商都有自己獨特的算法，這些算法是國際巨頭一直保持領先的重要壁壘之一。

（3）自主研發的全套AI圖像處理系統軟件

AI圖像處理系統可以明顯提升用戶使用體驗，可以通過學習掌握攝影師的使用習慣，會把不同攝影師和用戶的使用習慣智能存儲在特定用戶區，在底層會把用戶使用較多的功能和比較通用的功能加以歸納和提煉，自動做出按鍵板常用功能的判別與調整，在按鍵板上呈現，增加使用者的便捷度。

（4）首創基于密集波分系統的CCU 無損傳輸設備

CCU用于控制攝像機拍攝的畫面，并傳給電視臺供其使用切換臺來做實況轉播。相比索尼公司的CCU機箱，機箱集成度高、尺寸小，使用起來更加輕便靈活。CCU 的線性電源還可以做到雜波和紋波低于1 毫伏，保證在線性電源瞬間電流非常大的情況下，CCU設備在直播的過程中仍然不會中斷或者斷電，提升CCU的高可靠性。

圖6 CCU示意圖

（5）國產超小型密集波分合波器與分波器

超小型密集波分合波器與分波器，解決了大容量、高速度和多業務同時傳輸時外國同行無法解決的傳輸問題，密集波分系統可以做到最大64 路并行，合波器與分波器的尺寸僅有50 mm左右。

圖7 合波器與分波器

（6）創新制作成功基于密集波分的傳輸系統

8K視頻因為數據量巨大，傳輸過程需要壓縮和解壓，在廣電節目制作過程中，會有多臺攝像機同時記錄并傳輸數據，在這種制作背景下，需要保障視頻數據傳輸的完整性和實時性，不能出現非常嚴重的卡頓和延時現象，8K視頻對傳輸質量和帶寬有非常高的要求。

圖8 密集波分系統示意圖

波分復用WDM 是把攜帶不同信息的多個波長的光信號復用到一根光纖中進行傳送的方式。密集波分復用系統優勢在于，相較于傳統WDM，相鄰波長間隔更窄，可以實現超大容量、超長距離傳輸，實現數據的透明傳輸，節約光纖資源。

（7）全新的在板攝像機控制面板（含遠程控制單元OCP）

國產8K 攝像機采用更低功耗的墨水屏作為顯示屏。墨水屏是低功耗、性能優、可靠性高的顯示屏產品之一，并且即使操作失誤、斷電，屏幕上的顯示資料依然存在，不會丟失，可以保留證據。目前墨水屏內部的軟件和顯示均為自主研發，能夠局域刷新，刷新速度超過0.3秒/次。結合用戶界面智能定義和推薦，可以提高用戶的使用感和操作流暢度。

（8）首創可適配各種攝像機鏡頭卡口的轉接環

自主設計鏡頭卡口的優勢：①穩定性好。廣播級攝像機使用的螺絲不允許有微米級的晃動，否則攝像機的法蘭距會改變，導致圖像模糊，因此對于轉接口的設計有著嚴格要求。8K 廣播級攝像機鏡頭卡口由自主設計，由上海的廠商定制，使用時不會產生微米級晃動；②適配范圍大，可應用場合多。8K 廣播級攝像機鏡頭卡口支持EF 卡口、PL 卡口及B4 卡口等，而目前索尼的8K 廣播級攝像機鏡頭卡口只能適配自家鏡頭，如果想要使用其他品牌的鏡頭需要用轉接口。

（9）設計制作航空鋁機殼、廣播級專用EFP、ENG機殼

國產8KEFP 攝像機目前使用的是航空鋁材質機殼，為國內首款使用航空鋁材質的國產EFP 攝像機，符合未來EFP 攝像機機殼發展的趨勢。而在研的ENG 攝像機外殼選擇了碳纖維，碳纖維具有輕便靈活、結實可靠的優點，非常適用于外景拍攝的要求。

（10）研制大功率超低噪波線性電源系統

研制的線性電源系統，相比其他品牌的開關電源，具有電磁干擾較小、紋波系數低；穩壓率較高、瞬態電流跟進能力強；設計簡單、維修成本低、抗雷擊性能好的優點。

3.3 實現的六大性能指標

（1）高清晰度：7680×4320、8192×4320（電影機使用）

（2）高幀率：50p、60p、59.94p

（3）高動態：SDR:11；HDR：HLG-1000/PQ

（4）寬色域：BT.2020及REC.709

（5）高信噪比：65dB以上

（6）增益：模/數雙增益（解決亮暗場的不同增益特點）

4 國產8K廣播級EFP攝像機的冬奧應用

2022年1月，《中央廣播電視總臺8K 超高清電視節目制播技術要求（暫行）》正式發布，文件為總臺在8K 超高清電視節目制作與播出方面的工作提供了技術性的規范。總臺國家重點實驗室經過多輪測試，認定國產UDCAM-9000型8K EFP 攝像機，是目前唯一一款四項關鍵技術指標（高清晰度、高幀率、高動態范圍、寬色域）全部滿足總臺8K技術規范的國產產品。

2022年2月，國產8K 廣播級EFP 攝像機經總臺超高清視音頻國家重點實驗室的主觀評價與客觀測試后，正式應用于北京冬奧國家速滑館（冰絲帶）。因各項性能指標突出，順利通過奧林匹克廣播公司（OBS）現場測試，并被允許進入國際電視公共信號系統使用。

國家速滑館“冰絲帶”是速度滑冰的比賽場地，該項目共設10個小項，產生14 塊金牌，是北京冬奧會產生金牌數量最多的單個場館。大道速滑8K 轉播系統1月28日開始設備入場搭建。系統從2月5日至19日共運行15 天，轉播大道速滑的全部賽事。速度滑冰8K 公共信號制作現場共使用6 臺8K EFP 攝像機，其中5 號機和6 號機采用國產8K 超高清廣播級EFP 攝像機。該攝像機全部采用國產元器件，其技術指標與技術參數符合8K 國際標準。比賽現場國產8K 攝像和進口8K 攝像機搭配使用進行節目制作，完美地完成了8K 直播任務，并且呈現了細節豐富、美輪美奐的影像效果，國產8K 攝像機在整個賽程期間的優異表現，得到了OBS、NHK 等國際電視同行的贊揚。北京冬奧會是奧運會歷史上首次使用8K 技術進行開幕式直播，這也是8K 超高清直播系統中，第一次出現由中國企業自主研發、生產的全國產的8K EFP 訊道攝像機系統。［2］

5 結束語

加快發展超高清視頻產業，能夠直接帶動制播設備、終端產品、顯示面板、芯片等產業鏈整體換代，拉動“雙千兆”新型基礎設施建設，促進內容繁榮和應用創新，形成萬億級新興產業集群。

《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》發布實施幾年來，我國在超高清視頻領域取得了一系列標志化成果，基本完成了階段性預設目標。8K 關鍵技術產品研發和產業化取得一定突破，4K 終端基本普及，國內已開播2個8K、8個4K 超高清電視頻道。一系列重大活動帶動8K 超高清攝像系統與攝錄編設備的爆發式增長，如：中央廣播電視總臺《2021、2022年春節聯歡晚會》已經全面實驗8K 錄制與直播（電影院線播放）、2021年中國共產黨成立100 周年相關慶祝活動、2022年卡塔爾足球世界杯以及2022年北京冬奧會等，同時在未來5G 網絡和AI 的加持下，8K將會覆蓋到消費者工作和生活中的更多領域。［3］

但是，攝錄編環節的薄弱，嚴重制約全產業鏈發展。世界廣播電視事業誕生100 多年來，我國的前端采集設備特別是攝錄系統從未真正實現國產化，長期依賴進口。廣播級攝像機一直是廣播電視大國高端科技競爭的主戰場，包括中國在內的全球數百萬個電視演播室里的攝錄編制作系統，在過去七十年一直被日本、歐美等國外公司牢牢霸占。出現這種狀況的最主要原因之一就是攝像機（系統）的研制與生產的技術門檻過高，因為它匯集了精細光學、感光器件、半導體電子技術、大規模軟件技術、數字音視頻技術、精密機加工、自動控制技術、高速存儲技術和計算機技術等尖端高新技術于一體，尤其是8K 廣播級EFP 攝像機更被譽為“皇冠上的明珠”。

目前已經研發、生產落地的中國首臺（套）8K廣播級EFP攝像機，是適用于各電視臺、影視制作機構的8K演播室專用攝像機系統。經過技術對比檢測，技術水平處于國際領先，初步解決了國產替代化問題，也成為解決困擾中國廣播電影電視行業幾十年“卡脖子”問題的表率。該系統擁有完全自主知識產權，除鏡頭外，均為國內企業自主研發生產，擁有自有商標。

作為中國高端制造的重要分支，國產8K EFP攝像系統填補了國內目前8K圖像視覺和廣播影視領域攝像產品的空白，通過研發掌握了一批8K超高清攝像機及拍攝設備的技術專利，下一步將通過推進這個項目產品的市場化和產業化，有力的促進和帶動國內光學鏡頭制作、光學精加工、CMOS芯片、鏡頭卡口設計與制作、高端監視器、精密工業設計與加工、相關軟件開發等一系列高端產業聯動發展，踐行中國創造的升級換代。