北京冬奧會8K超高清電視國際公共信號制作綜述

周磊

（中央廣播電視總臺，北京 100020）

1 引言

北京冬奧會舉國關注、舉世矚目。中央廣播電視總臺深入貫徹“5G+4K/8K+AI”戰略布局，充分踐行“科技冬奧·8K 看奧運”戰略目標，緊緊圍繞“精彩呈現、深入闡釋、全面展示”制作要求，積極推進“思想+藝術+技術”融合傳播，采用世界最高電視制播技術標準，依托最先進的4K/8K 兼容制作全IP架構超高清轉播系統及各類型高精尖特種設備，圓滿完成開閉幕式及部分重要賽事8K 公共信號制作任務，為中國乃至全球觀眾呈現了豐富多彩的奧運盛宴。在冬奧會歷史上首次實現8K 制作播出，成功實現“科技冬奧·8K 看奧運”目標，是史上最具“科技驅動力”的奧運會。

2 8K超高清電視公共信號制作

北京冬奧會期間，中央廣播電視總臺與奧林匹克廣播服務公司（OBS）深入合作，按照“整體布局，突出重點”的技術適配原則，采用世界最新電視制播技術標準，調用多套頂級8K 轉播系統完成了多項賽事的8K 公共信號制作。使用總臺為冬奧會8K 轉播項目新建造的A 級4K/8K 超高清轉播車（A6）承擔冬奧會開閉幕式8K 公共信號制作任務，使用2套大型4K/8K超高清箱載式EFP 系統，分別承擔速度滑冰和自由式滑雪/單板滑雪大跳臺8K 信號制作，與北京超高清協同中心合作調用一輛8K 轉播車，承擔花樣滑冰/短道速滑賽事8K 轉播任務。與此同時，在8K 賽事信號制作基礎上，大力增加8K 品質節目及衍生內容制作，為“百城千屏”8K 超高清推廣以及總臺8K 超高清頻道提供了珍貴的頂級賽事8K直播資源［1］。

2.1 開/閉幕式8K公共信號制作

北京冬奧會于2月4日在國家體育場隆重開幕，于2月20日落下帷幕，讓全世界見證了“中國式浪漫”。總臺調用1 輛“中國紅”A6 4K/8K 超高清轉播車及技術保障團隊，現場參與節目制作共15路，包括8K原生有線訊道7個（包括國家體育場內6個機位、TVS 樓頂1個景觀機位）；接入由 OBS 提供的 6 路 4K 信號、2 路4K插播信號及1路高清字幕信號，統一經上變換參與節目制作；創新使用1臺國產8K小型化廣播級攝像機作為外景機位參與制作，圓滿完成開/閉幕式自由式滑雪大跳臺/單板滑雪大跳臺8K公共信號制作及轉播系統技術保障任務。圖1 給出了開/閉幕式8K 公共信號制作系統結構圖，圖2 給出了開/閉幕式8K 公共信號轉播系統技術保障現場畫面。

圖2 開/閉幕式8K公共信號轉播系統技術保障

2.2 自由式滑雪/單板滑雪大跳臺8K公共信號制作

北京冬奧會期間，自由式滑雪大跳臺/單板滑雪大跳臺賽事在首鋼滑雪大跳臺舉行。總臺調用1套大型4K/8K超高清EFP系統，現場參與節目制作共13路信號，包括8K原生有線訊道6個，4K AI時間切片系統1 路，接入 OBS 提供的 4K 外來信號 4 路，均通過 12G光傳經過SNP轉換成IP流再上變換為8K信號參與制作，以及8K 慢動作插播信號2 路。創新使用8K 超高清IP 凈切換交換系統和4K AI 時間切片系統，圓滿完成自由式滑雪大跳臺/單板滑雪大跳臺8K公共信號制作及轉播系統技術保障任務。圖3 給出了自由式滑雪/單板滑雪大跳臺賽事8K 公共信號制作系統結構圖。

圖3 自由式滑雪/單板滑雪大跳臺賽事8K公共信號制作系統結構圖

2.3 速度滑冰賽事8K公共信號制作

北京冬奧會期間，速度滑冰賽事在國家速滑館“冰絲帶”舉行。總臺調用1 套大型4K/8K 超高清EFP 系統，現場參與節目制作共12 路信號，包括8K原生有線訊道6個，創新使用2 臺國產8K 廣播級攝像機和國產8K 收錄播放機進行節目制作，圓滿完成速度滑冰8K 公共信號制作及轉播系統技術保障任務。圖4 給出了速度滑冰賽事8K 公共信號制作系統結構圖。

圖4 速度滑冰賽事8K公共信號制作系統結構圖

2.4 花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作

作為冬奧會重點賽事，花樣滑冰和短道速滑落戶于北京首都體育館。總臺聯合超高清視頻（北京）制作技術協同中心，使用一輛8K 超高清轉播車，全程使用JPEG?XS編碼技術實現壓縮傳輸，共同完成花樣滑冰/短道速滑賽事8K信號單邊包裝制作任務。現場設置2臺原生8K訊道攝像機，配置2個8K長焦鏡頭，接收2路外來信號（TOC的8K dirty PGM、4K dirty PGM信號）；再配合原生8K慢動作回放系統，實現全流程8K信號制作；音頻系統采用收取NHK 8K PGM的22.2三維聲下混到5.1.4全景聲來制作。圖5給出了花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作轉播系統技術保障現場畫面。

圖5 花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作轉播系統技術保障

3 8K超高清公共信號技術創新

作為冬奧會史上最具“科技驅動力”的奧運會，北京冬奧會8K 公共信號制作取得多項技術創新，全方位打造“科技冬奧”應用創新的“中國方案”。

3.1 全面采用4K/8K 兼容制作超高清IP 架構超高清轉播系統

為適配冬奧會轉播需求，中央廣播電視總臺提前布局，全面推進4K/8K 超高清轉播系統建設。特別是新建A 類4K/8K 超高清轉播車采用全IP 架構，使用SMPTE 2110 標準作為8K 視音頻傳輸協議，支持8K分辨率輸出、10Bit 色彩深度、高動態范圍、ITU-RBT.2020 寬色域、50 幀逐行掃描，同時兼容8K和4K 制作需求，具有極強的兼容性和擴展性，完全滿足北京冬奧會8K和4K國際公共信號制作需求。

轉播車車體使用內外套大跨度雙側拉結構，創新研發了電控側拉箱和國產液壓支撐腿系統，轉播車體展開后使用面積從29.6 平米提升到66.6 平米，共設置6個工作域，節目制作和技術支持工位達50個，有效地提升了轉播車的工作效率和能力，以及轉播車現場部署便利性及安全性。圖6給出了新建A類4K/8K超高清轉播車車體及車內布局圖。

圖6 新建A類4K/8K超高清轉播車車體及車內布局圖

3.2 8K公共信號制作實現從制作到傳輸全IP架構

冬奧會期間，前方各賽事8K 公共信號轉播系統全部采用IP 架構。在開/閉幕式8K 公共信號轉播期間，技術人員搭建轉播車——IBC 機房——臺內演播室全鏈路完整IP 通路，采用ST2110 協議，將前方4K/8K 轉播系統主備核心交換機使用2個100G 端口與IBC 機房進行系統IP 直連，在IBC 端直接接入總控核心IP 調度系統中。通過4個視頻流、2個音頻流、1個輔助數據流的方式傳輸一路8K IP 信號，世界范圍內首次實現冬奧會開/閉幕式及部分重要賽事8K無壓縮IP傳輸。圖7給出了開/閉幕式8K信號無壓縮IP傳輸結構圖。

圖7 開/閉幕式8K信號無壓縮IP傳輸結構圖

在冬奧會花樣滑冰/短道速滑賽事8K包裝信號制作中，首次使用JPEG?XS編碼技術實現8K制作IP傳輸。JPEG?XS編碼技術支持多種圖像格式，原生支持8K視頻分辨率。在一定壓縮比下編碼質量接近視覺無損，多次迭代編解碼后的圖像質量高，同時其超低壓縮延時的特點可以滿足制播域內的信號處理要求，支持流化信號和文件兩種格式，可基于SMPTE 2110?22協議進行IP傳輸。轉播期間，由于首都體育館帶寬資源有限，將8K視頻信號分解為4路12G基帶SDI信號，通過10∶1的壓縮比編碼封裝為4路XS IP信號，同時符合2022?7標準，實現8K信號傳輸。圖8給出了花樣滑冰/短道速滑賽事8K JPEG?XS編碼傳輸架構圖。

圖8 花樣滑冰/短道速滑賽事8K JPEG?XS編碼傳輸架構圖

3.3 多款國產電視裝備彰顯技術優勢

為打破廣電行業長期依賴國外進口設備的局面和瓶頸，中央廣播電視總臺充分踐行科技冬奧創新理念，大力發揮國產技術優勢，不斷進行自主研發，設備國產替代進程逆勢而上，取得重要突破。

4K/8K 超高清轉播系統方面，所有“中國紅”4K/8K 超高清轉播車及配套輔助車均采用國產車體，視頻核心調度系統均使用自研集中控制系統、8K 廣播級攝像機、8K 超高清IP 凈切換交換機、4K/8K 監視器以及在線包裝系統、虛擬合成系統等，在超高清信號采集、調度、終端呈現等方面實現全產業鏈國產化應用，有力地推動了我國8K/4K電視裝備的國產化。

各類型特種設備方面，“獵豹”超高速4K軌道拍攝系統、錐桶無線傳輸攝像機、陀螺穩定系統、AI時間切片系統等高精尖特種設備均為總臺自主研發，顯著提升了4K/8K公共信號制作水平，充分彰顯了國產技術的硬核實力。

（1）自研“獵豹”超高速4K軌道拍攝系統充分展現賽事特點

為契合OBS對速度滑冰賽事轉播高速度、寬視野和多角度呈現的技術需求，總臺潛心研發多款具有自主知識產權的高精尖特種設備。而贏得全網重點關注的“獵豹”超高速4K軌道拍攝系統就是其中最具代表性的高尖端重型特種設備，全面契合速度滑冰賽事特點。該系統由高速軌道系統、圖像采集系統、4K圖像傳輸及陀螺儀遠程控制系統等部分組成，采用感應式直線電機驅動方式，搭載國產五軸陀螺穩定云臺和圖像采集系統，最高速度達25米/秒（是高于速滑運動員速度的更快速度），加減速度大于3.5米/平方秒，可滿足高速直道和彎道運動項目4K跟蹤拍攝需求。且軌道電機、陀螺減震、微波通訊等關鍵構件均采用國產設備。該系統完全契合科技冬奧創新理念，打破了歐美在高端影視直播特種拍攝設備領域的壟斷，是全世界僅有的兩套可滿足冬奧會等世界頂級賽事的超高速軌道拍攝系統之一，達到國際領先水平。

為充分契合國家速滑館賽道和OBS拍攝需求，技術人員在U型軌道上高速運行時，通過布設雙層護擋板、優化系統延時量、配置電子剎車和機械剎車雙重保險、設置終端安全系統等多重技術手段，保障設備安全運行。采用移動供電技術實現高速運行實時大功率供電；采用多軸陀螺穩定技術實現穩定畫面拍攝；采用數據打包技術將多碼率、非同步的多種雙向數據源實現單一頻點占用的數據鏈，提高信道抗干擾性；采用磁制動器牽引阻攔索方式進行終端安全保護；采用超級電容存儲技術實現軌道車自主剎車；將驅動系統的電機和變頻器分離，達到最佳的制動和響應效果。圖9給出了超高速4K軌道拍攝系統架設示意圖，圖10給出了超高速4K軌道拍攝系統參與完成速度滑冰賽事8K公共信號制作現場畫面。

圖9 超高速4K軌道拍攝系統架設示意圖

圖10 超高速4K軌道拍攝系統參與完成速度滑冰賽事8K公共信號制作

（2）自研4K AI 時間切片系統實時精準還原滑雪跳臺運動員技術動作

該系統運用運動捕捉和時間切片技術，還原和解析運動軌跡和動作細節，完成運動姿態和技術動作的三維定格回放，實時精準還原了谷愛凌、蘇翊鳴等挑戰奪冠選手的高難度技術動作。該系統基于AI深度學習算法，結合視覺暫留技術、圖形學、圖像學及自動化控制技術構成AI圖像處理系統，只需15秒就可完成技術動作剝離運算和時間切片包裝渲染，實現逐幀呈現和提煉放大的“時間切片”數據的可視化呈現效果，并結合AR技術實現多種虛擬影像呈現，具有智能化、多樣性和及時性等特點，可充分滿足電視直播實時性需求［1］。

該系統性能優異，打破了國外公司長期的技術壟斷，在系統渲染能力、數據計算時間等方面遠優于國外同類設備。顯著提升自由式滑雪/單板滑雪大跳臺4K/8K 公共信號制作水平，獲得OBS 高度贊賞和廣泛關注。圖11給出了AI時間切片系統參與完成滑雪大跳臺賽事8K公共信號制作現場畫面。

圖11 AI 時間切片系統參與完成滑雪大跳臺賽事8K公共信號制作

（3）自研多個國產8K 廣播級攝像機圓滿完成8K公共信號制作

首次使用一臺國產8K 小型化廣播級攝像機，作為外景機位參與完成冬奧會開閉幕式8K 公共信號制作；首次使用2 臺國產8K 廣播級攝像機，參與完成冬奧會速度滑冰8K公共信號制作。

各臺8K 廣播級攝像機均支持現有廣電標準的BT2020色域與HDR曲線，關鍵技術指標滿足行業8K技術規范，完美適配8K 超高清轉播系統，拍攝畫質優異。圖12給出了國產8K廣播級攝像機參與完成冬奧會多賽事8K公共信號制作現場畫面。

圖12 國產8K廣播級攝像機參與完成冬奧會多賽事8K公共信號制作

（4）試制8K 超高清IP 凈切換交換機系統圓滿完成8K公共信號制作

該系統是國際上首個基于交換機的8K 超高清視頻凈切換系統。由IP交換機和控制服務器組成，其中100G 端口可編程IP 交換機負責8K 視頻流的傳輸、調度和切換，控制服務器負責控制。圖13 給出了8K 超高清IP凈切換交換機設備圖。

圖13 8K超高清IP凈切換交換機設備圖

該系統支持多種格式視頻凈切換和超高清4K/8K 多分辨率，可實現無縫轉換，切換端到端時延一幀以內，輸出圖像不夾幀、不黑場、不卡頓。在轉播系統中與葉/脊交換機相連，接收葉/脊交換機拉取由攝像機/CCU/SNP 生成的多路8K 流，進行凈切換后轉發切換后的視頻流到葉/脊交換機，之后進行節目的播放。

北京冬奧會期間，作為新建4K/8K 超高清EFP 系統的應急切換系統，運行可靠，性能良好，圓滿完成自由式/單板滑雪大跳臺賽事8K 公共信號制作任務，充分彰顯科技冬奧創新理念。

4 結束語

中央廣播電視總臺北京冬奧會8K 公共信號制作傳播效果顯著，取得矚目成績。在冬奧會歷史上首次實現8K 制作播出，以獵豹為代表的高精尖國產特種設備的成功亮相成為了全球焦點，以國際一流新型主流媒體制播水準傾情展現了精彩、非凡、卓越的奧林匹克新篇章。同時對整個行業起到了超強的示范應用效應，極大地推動了8K 超高清電視制播體系的建設以及我國超高清全產業鏈的跨越式發展。