體育賽事的5G+VR 電視制播技術分析

高 宇

（北京廣播電視臺，北京 100022）

0 引言

計算機仿真技術的發展讓VR 全景視頻成為觀眾進行新型賽事體驗的渠道。觀眾不僅可以觀看更具空間效果和立體效果的視頻，還能在仿真空間下體驗虛擬的現實場景，沉浸式地體驗運動的樂趣。在2016 年的里約奧運會播出平臺中，NBC、CBC及BBC 等電視臺就已經推出了體育賽事的VR 觀看客戶端，甚至在進行轉播時，專門設計了針對整個賽事流程的VR 組件，實現了對某些體育項目的VR全景播放，大大提高了觀眾的臨場體驗感。同時，伴隨VR 技術的發展和用戶數量的不斷擴大，很多移動智能終端和社交媒體平臺都推出了VR 視頻的播放功能，以適應越來越多的VR 視頻內容的發布和觀看需求。VR 全景視頻的制作和傳輸需要更先進的移動通信技術的支持，5G 技術的網絡能力能夠充分滿足VR 視頻制作和傳輸的業務場景。

1 5G 技術對VR 內容生產的主要作用

1.1 為用戶的觀看提供強大的寬帶支持

5G 通信技術可以提供超過1 Gb·s-1的帶寬，從而滿足每個用戶的VR 視頻觀看需求和體驗。理論上來說，在1 km2內，5G 技術條件下的寬帶速度能夠滿足幾萬名用戶的高清VR 視頻觀看需求。如果視頻的碼率較低，則可以支持更多用戶的觀看需要。

1.2 減少用戶觀看視頻的時空限制

盡管目前VR 視頻的主要觀看場景仍然較為固定，但隨著網絡的發展和移動智能終端功能的完善，在乘車、運動等碎片化的時間中，用戶有了越來越多的VR 視頻觀看需求。傳統網絡在行駛的車輛、偏遠的高山等地信號較差，無法滿足VR 視頻的傳輸和觀看，甚至普通視頻的觀看也會出現卡頓和延遲[1]。5G 網絡的高移動性能夠有效解決網絡信號和網速的問題，從而有效滿足不同時空中用戶的視頻觀看需求。

1.3 保障高碼率VR 視頻的直播采集

VR 視頻的采集需要使用專門的VR 攝像機。在傳統的VR 視頻制作中，為了保障視頻的高畫質和高碼率，一般采用轉播車進行視直播采集的保障。伴隨著5G 的發展和相關配套技術產品的使用，高碼率的VR 視頻采集可以通過移動攝像機、無人機等設備經5G 網絡進行數據傳輸，而且5G 網絡的高移動性和帶寬支持能夠保障視頻采集和傳輸的流暢性。這讓現代體育賽事的VR 視頻采集和傳輸變得更加快捷，也大大降低了直播的成本，提高了視頻直播的靈活性。

2 5G+VR 電視制播技術的系統設計

我國的5G技術作為一項重要的國家發展戰略，技術水平位居世界前列。根據工業和信息化部發布的《2021 年通信業統計公報》，截至2021 年年底，我國的5G 基站超過142 萬個，覆蓋了90%以上的城區和40%以上的鄉鎮，用戶規模達到4.5 億。5G技術的進步和基礎設施建設的推進，給我國體育賽事電視制播技術的更新發展提供了有利條件[2]。中央廣播電視總臺CCTV 進行了多次5G 環境下的VR 視頻信號的采集、數據的傳輸以及遠程制作的試驗，對5G+VR 在技術適配和業務流程方面進行了針對性的探究和完善。2021 年，作為第十四屆全國運動會（以下簡稱全運會）官方合作伙伴，中國電信在5G+云網技術的支撐下，能夠為觀眾提供“自由視角觀賽、多視角觀賽以及VR 直播觀賽”3 種觀賽模式。中國移動基于5G+AI+VR 等新技術，量身定制包括自由視角、VR 直播、多視角三種智慧觀賽模式，在第十四屆全國運動會期間提供了7 場比賽直播。本文將以此次體育賽事為例，系統闡述5G+VR 電視制播技術的系統方案設計。

2.1 前期準備

第十四屆全國運動會的VR 制作雖然已經有不少參考，但仍處于探索和優化階段。因此，前期進行了充分的方案設計準備工作。其中，主要是對5G+VR 視頻制播的方式進行了設計。技術團隊首先了解了本次運動會的比賽場館和項目。本次賽事共計有陜西奧體中心體育館、韓城西安交大基礎教育園區體育館、商洛市體育館等53 個場館。主會場為陜西省奧體中心體育館，位于陜西奧體中心南區，全運會的開閉幕式都在這里舉行。由于疫情防控和其他因素，第十四屆全運會場館較多，且場館和賽事多樣，要實現全景式的VR 視頻呈現難度較高，因此只能采用小型化和靈活度較高的移動設備進行數據采集單元的覆蓋。

在全運會開始之前，為了保障賽事的實時轉播，通信運營商搭建了多個5G 基站，覆蓋了主要的比賽場館和重點區域。中國移動和中國電信的VR 視頻技術小組把VR 攝像機與5G 網絡接入、綁定，組成了多個移動的VR 采集單位，實現了信號源部分的高效采集。同時，為了滿足多個場館賽事的直播需求，將VR 視頻的切換、編輯及編碼推流系統集中設置在陜西國際體育之窗的賽事指揮中心，從而保障賽事的VR 視頻直播能夠集中進行切換和編輯制作。全運會賽事指揮中心在國內大型賽會轉播中也是第一次實現在廣播電視中心搭建融媒體指揮調度中心，第一次大規模使用4K/8K 技術進行直播，第一次大規模使用云計算技術、5G 技術進行轉播。

2.2 系統方案設計

整個系統包括信號的回傳、制作協議的轉換以及直播推流等多個模塊。整個系統是以壓縮的視頻流為核心的IP 化架構。

2.2.1 VR 信號采集回傳

信號采集回傳是拍攝工作的主要任務。為了能夠靈活地在多個大型體育場館中實現盡可能多的視頻信號拍攝和傳遞，所采用的攝像機主要是便于攜帶的一體式VR 全景攝像機。這種攝像機相比于組合的獨立攝像機在體積和重量上都更具優勢，而且能夠一次性完成針對所有鏡頭的參數調校。相機內部的陀螺儀能夠有效確保畫面的穩定性，內置的拼接和變化模塊還能高效地完成高清視頻的輸出。

2.2.2 流媒體轉發服務器

一體式的VR 拍攝設備既能滿足VR 視頻制作和觀看的專業需求，也能面向一般的視頻制作和觀看需要，因此其內置的編碼模塊雖然可以進行高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）壓縮，但輸出的視頻流還是實時消息傳輸協 議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）或 者基于HTTP 的自適應碼率流媒體傳輸（HTTP Live Streaming，HLS）協議。對于廣電媒體制作機構來說，通過網絡完成高質量視頻的回傳，通常采用的是用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP），因此需要在后方專門為視頻流的中轉配置一套具有流媒體轉發功能的服務器，來實現從RTMP 協議到UDP 協議的轉換。

2.2.3 制作協議轉換服務器

在本次協議轉換服務器的制作中，為了實現在千兆級別的轉換機上進行高碼率內容的制作，VR切換制作系統設計采用的是網絡設備接口（Network Device Interface，NDI）協議。在制作協議轉換服務器上安裝的VLC 串流軟件從流媒體服務器獲取UDP 單播流，然后將其轉化成NDI 流信號[3]。

2.2.4 VR 切換制作

VR 切換制作方面采用的是切換設備。這種設備采用的是一種面向局域網進行視頻信號傳輸的開放性協議，對局域網的要求更低，視頻傳輸的質量更高，還能有效提升信號傳輸效率，也減少了布線工作的難度和強度，實現切換制作系統的快速部署，在使用中更加靈活。VR 前景視頻的分辨率一般是2 ∶1 的畫幅比例，為了能夠與廣電制作系統兼容，VR 攝像機可以采用16 ∶9 的畫幅進行高清視頻的輸出，然后在播放器端完成畫幅的調整。當前NDI協議已經能夠支持超高清的4K 信號傳輸，來降低信號傳輸的延時，并保證VR 視頻信號的清晰度。

2.2.5 編碼推流發布

NDI 切換制作系統輸出的4×3G SDI 信號接入專用的編碼器設備。編碼器壓縮編碼輸出UDP 組播流，通過專線網送到賽事指揮中心的新媒體內容集成發布平臺完成信號的分發。新媒體客戶端以及第三方直播平臺從新媒體集成發布平臺拉流，獲取VR 直播信號。

2.3 核心設備選擇

2.3.1 采集端攝像機的選擇

在視頻采集板塊，所需要的核心設備是VR 攝像機。為了方便部署和視頻采集，制播系統方案設計主要選擇的是一體化的全景攝像機。目前，隨著VR 視頻的發展和市場需求的擴大，VR 全景攝像機的品牌和種類繁多，功能和性能也各不相同。但適合體育賽事轉播需求的VR 攝像機有著更高的技術指標要求。為了方便前期調試和后期制作的統一處理，攝像機的鏡頭結構需要等距同心鑲嵌，鏡頭的感光元件也需要是同一品牌的集成。為了適應比賽中的運動需求，攝像機還需要有強大的防抖功能，拍攝視角也需要進行多樣的變化。在內置軟件和功能方面，要具備多鏡頭聯動協調曝光功能，以保證高光比環境下鏡頭間的曝光呈線性遞增或遞減，同時支持直方圖實時監看，從而讓曝光指數能夠迅速實現數據化呈現[4]。

2.3.2 制作端的IP 化視頻流切換臺

制作端的核心設備是IP 化視頻流切換臺，其中包含VR 視頻制作中多機位切換的關鍵技術。采用NDI 視頻流制作協議，可以同時融合廣電技術和新媒體技術的需求，滿足4×3G-SDI 的4K 基帶信號和IP 化的NDI 流信號的混合處理，保障電視和新媒體的VR 視頻直播需求。全運會的VR 切換系統架構包括了支持4×3G-SDI 基帶信號輸入的I/O 模塊、監看大屏、交換機以及NDI 切換臺。這一切換系統滿足了體育賽事制播的多樣功能需求，比如畫面的分割、字幕的添加以及圖文的包裝等。

3 5G+VR 電視制播技術的應用

在第十四屆全運會期間，并非所有的比賽都采取了5G+VR 電視制播技術。主要對一些適合利用VR 攝像機拍攝和觀眾比較關注的賽事進行VR 全景直播，如乒乓球、跳水、游泳等項目。在跳水比賽項目中，VR 攝像機的位置設定與傳統的攝像機機位設定有很大的差異，需要讓攝像機盡量靠近比賽區域，這樣才能讓受眾在觀看VR 視頻時產生更強的臨場感[5]。因此，技術團隊在泳池的觀眾席和泳池邊各設置了一臺VR 攝像機，呈現跳水比賽區域的俯視全景視角和近距離觀察比賽現場的近景視角。特別是近景視角的設置，結合VR 眼鏡等觀看設備，可以讓觀眾有更強的現場觀看感。

在VR 視頻的點播制作方面，采集端使用的是超高清VR 攝影機采集的全景畫面，利用編碼服務器對視頻信號進行IP 化的視頻流壓縮，通過CPE 等5G 終端設備把視頻流傳輸至視頻流切換臺，然后進行適合新媒體平臺的調色、包裝、字幕制作等程序，最終把信號傳輸到新媒體平臺進行播出。這些視頻的內容比較豐富，包括了比賽的實況、賽事的花絮等短片，通過全運會的短視頻平臺線上播出。

4 結語

信息技術革命讓互聯網和移動智能終端深入到現代社會的方方面面，并形成了多樣化的新媒體形態，對傳統的廣播電視媒體造成了強大的沖擊。新媒體在內容制作、觀看方式等方面都更能滿足現代受眾的多樣化需求。在5G 技術和VR 技術持續發展的背景下，VR 視頻的制作和播放日益成為體育賽事電視制播技術的發展方向。在5G網絡支持下，VR 視頻制作能夠同時滿足電視端和新媒體端的播放需求，對傳統媒體的現代化發展具有重要的推動意義。在我國，以中央電視臺為代表的電視制播平臺已經逐步加快了對VR 制作體系的研究和探索，并對5G+VR 的制播技術進行了有益的嘗試，這為未來體育賽事的更加快捷、高效的制作和更加靈活新穎的播放積累了豐富的經驗。5G 技術不是現代通信技術的終點，未來，更加快速穩定的技術會繼續出現，VR視頻制作和播放相關的技術與產品也將更加豐富。作為電視工作者，要不斷關注和嘗試新技術的應用，為賽事轉播帶來更流暢的觀看和交互體驗。