廣播電視臺(tái)中的4K 超高清播出系統(tǒng)應(yīng)用

李嘉林

（電影衛(wèi)星頻道節(jié)目制作中心，北京 100088）

0 引言

當(dāng)前，4K 超高清電視迅速發(fā)展，廣播電視臺(tái)要深刻認(rèn)識(shí)到4K 超高清播出系統(tǒng)的優(yōu)勢，并加強(qiáng)相關(guān)建設(shè)和應(yīng)用，提高廣播電視臺(tái)的技術(shù)水平，為觀眾提供高度清晰的觀看體驗(yàn)。

1 4K 超高清音視頻的技術(shù)要求

1.1 更高清晰度和幀頻

4K 超高清視音頻要求3 840×2 160 的分辨率，要求顯示點(diǎn)數(shù)是高清視頻的4 倍。同時(shí)，4K 要求50 幀以上的逐行掃描，最高幀頻保持為100～120幀。超高幀頻能形成更流暢細(xì)膩的畫面，但對寬帶和存儲(chǔ)也提出了更高的要求[1]。

1.2 寬色域

從色域范圍來看，標(biāo)準(zhǔn)清晰度（Standard Definition，SD）和高清晰度（High Definition，HD）相同，均為Rec.709 以內(nèi)，但4K 要求的色域范圍為Rec.2020。與高清電視相比，4K 超高清電視具有更寬廣的色域和更豐富的顏色種類，能實(shí)現(xiàn)更為真實(shí)的圖像還原[2]。

1.3 高動(dòng)態(tài)范圍

高清電視的動(dòng)態(tài)范圍遵循標(biāo)準(zhǔn)尺寸比（Standard Dimension Ratio，SDR）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)1 000 ∶1 的對比度，最高亮度為100 nit。高動(dòng)態(tài)范圍（High-Dynamic Range，HDR）電視的主要目標(biāo)是對瞳孔保持原有狀態(tài)時(shí)相應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍具備的特性進(jìn)行再現(xiàn)。與SDR 電視相比，HDR 電視的峰值亮度發(fā)生了較大改變，要高于100 nit，能再現(xiàn)大部分高亮度范圍區(qū)域相應(yīng)的彩色層次和灰度。

1.4 三維音頻

4K 超高清電視節(jié)目播出應(yīng)支持立體聲或5.1環(huán)繞聲，有條件的可支持三維聲。三維音頻制作播出格式采用5.1.4 聲道的揚(yáng)聲器布局，包含10 個(gè)聲道信號(hào)、4 個(gè)對象信號(hào)以及2 個(gè)用于自由使用或者元數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆暤馈?/p>

2 廣播電視臺(tái)中的4K 超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 時(shí)碼控制技術(shù)

廣播電視臺(tái)在構(gòu)建4K 超高清播出系統(tǒng)的實(shí)踐過程中，以《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和交換參數(shù)值》（GY/T307-2017）具體要求為依據(jù)合理選用頻率，以50 Hz 為宜，對系統(tǒng)開展幀頻掃描。相關(guān)技術(shù)人員在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮系統(tǒng)適配要求，選用50P 相關(guān)技術(shù)，對播出控制相應(yīng)邏輯實(shí)施優(yōu)化改進(jìn)，確保系統(tǒng)所含的播控軟件能準(zhǔn)確地對播出單中的50P 文件進(jìn)行識(shí)別，而且形成的操作指令具有正確性。通過視頻數(shù)據(jù)采集程序（Video Data Collection Program，VDCP）協(xié)議，向服務(wù)器傳輸生成的具體指令，有效保障播出控制邏輯的正確性。相關(guān)指令被服務(wù)器正常接收后，實(shí)施映射轉(zhuǎn)換。在此過程中，運(yùn)用操作指令所含的的幀位置，以縱向時(shí)間碼（Longitudinal Time Code，LTC）+垂直間隔時(shí)間編碼（Vertical Interval Time Code,VITC）的格式進(jìn)行呈現(xiàn)。與此同時(shí)，系統(tǒng)將對應(yīng)于文件時(shí)碼軌的VITC和LTC 數(shù)據(jù)作為依據(jù)對幀精度進(jìn)行準(zhǔn)確定位[3]。

2.2 4K 畫面一致性比對技術(shù)

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控和音頻監(jiān)控一般只通過內(nèi)核編程接口（Kernel Programming Interface，KPI）對畫面存在的問題進(jìn)行分析，KPI 報(bào)警通常會(huì)對時(shí)間閾值造成延長，進(jìn)而影響報(bào)警的及時(shí)性。對此，相關(guān)技術(shù)人員展開設(shè)計(jì)時(shí)要應(yīng)用4K 畫面一致性比對技術(shù)分析KPI 報(bào)警固有的缺陷，并對其加以彌補(bǔ)。及時(shí)準(zhǔn)確地采集4 路不同的4K 信號(hào)，結(jié)合相應(yīng)的真值邏輯增強(qiáng)對4K 信號(hào)的精準(zhǔn)監(jiān)控，并形成有效的判斷，保障4K 信號(hào)與服務(wù)器對4K 畫面相應(yīng)的輸入需求相符[4]。連接信號(hào)一致性對比儀，同時(shí)連接12個(gè)3G-SDI 輸入端口，并標(biāo)記4 路數(shù)字分量串行接口（serial digital interface，SDI）信號(hào)，提升信號(hào)傳輸相應(yīng)邏輯的完整性。在對比過程中，對于兩路信號(hào)中相同位置的1/4 畫面，設(shè)備會(huì)實(shí)施兩兩比對。當(dāng)比對發(fā)現(xiàn)1/4 畫面存在較大差異時(shí)，可作出正確判斷，即兩路不同4K 信號(hào)存在一定的差異。對于3 路不同信號(hào)來說，要兩兩展開比對。通過對各類4K 信號(hào)的具體參數(shù)加以分析，為操作人員提供必要的參考[5]。

應(yīng)用畫面一致性比對技術(shù)時(shí)，所遵循的運(yùn)行邏輯如下。當(dāng)畫面表現(xiàn)為單路信號(hào)內(nèi)容不一致、無KPI 報(bào)警且當(dāng)前輸出信號(hào)與某路備選畫面一致時(shí)，建議操作為不切換；當(dāng)畫面表現(xiàn)為單路信號(hào)內(nèi)容不一致、當(dāng)前輸出信號(hào)與其他兩路畫面不一致但無KPI 報(bào)警時(shí)，建議操作為不切換；當(dāng)畫面表現(xiàn)為三路畫面均不一致、當(dāng)前輸出信號(hào)無KPI 報(bào)警時(shí)，建議操作為不切換；當(dāng)畫面表現(xiàn)為三路畫面均不一致，當(dāng)前輸出信號(hào)有KPI 報(bào)警時(shí)，建議操作為根據(jù)規(guī)定的優(yōu)先級(jí)自動(dòng)切換另一路畫面[6]。

3 廣播電視臺(tái)中4K 超高清播出系統(tǒng)實(shí)踐分析

廣播電視臺(tái)4K 超高清播出系統(tǒng)采用4 路3G SDI 基帶架構(gòu)，核心視頻服務(wù)器采用all in one 結(jié)構(gòu)，為IP 播出提供支持，并能實(shí)現(xiàn)對4K 超高清IP 播出方式的無縫升級(jí)，對全部核心設(shè)備實(shí)施冗余備份，并配備完備的監(jiān)管系統(tǒng)。依托該播出系統(tǒng)，能有效上載、傳輸或播出4K 節(jié)目，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽、監(jiān)看。整體播出系統(tǒng)架構(gòu)主要包括總控系統(tǒng)、播出控制系統(tǒng)、整備系統(tǒng)、編單系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及監(jiān)管系統(tǒng)等。通過采用具有完全異構(gòu)特點(diǎn)的all in one 視頻服務(wù)器，顛覆了傳統(tǒng)播控軟件對多個(gè)播出設(shè)備同時(shí)控制的設(shè)計(jì)，播控軟件僅需對末端倒換器和all in one 視頻服務(wù)器進(jìn)行控制，既能實(shí)現(xiàn)圖文疊加、硬盤播出以及線路直播等功能，還能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急切換[7]。

3.1 音視頻鏈路設(shè)計(jì)

核心視頻服務(wù)器依托all in one 結(jié)構(gòu)，按照節(jié)目單完成自動(dòng)播出，并精準(zhǔn)按照時(shí)間安排插入廣告，將圖文、字幕、臺(tái)標(biāo)加入其中，對音頻信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對音視頻鏈路結(jié)構(gòu)的有效簡化。播出系統(tǒng)依托SDI 架構(gòu)，結(jié)合標(biāo)清黑場（Black Burst，BB）同步，與高標(biāo)清播出的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。系統(tǒng)綜合采用同構(gòu)主備播出和異構(gòu)二備播出兩類視頻服務(wù)器，主備通道通過對視頻服務(wù)器實(shí)施集群處理完成構(gòu)建，二備通道則采用單機(jī)視頻服務(wù)器，每個(gè)通道均能實(shí)現(xiàn)圖文疊加、硬盤播出以及線路直播。系統(tǒng)還對墊片播放器進(jìn)行配置，保障帶臺(tái)標(biāo)緊急墊播信號(hào)保持24 h正常播出，為應(yīng)急播出提供信號(hào)源。將主備4×1 倒換器配置于鏈路末端。4×3G SDI 信號(hào)對此類倒換器具有適用性，能通過一鍵操作完成對換幀級(jí)別的切換，且對遠(yuǎn)程面板控制和斷電旁通主路提供支持。

在播出正常時(shí)，播出控制機(jī)控制倒換器和視頻服務(wù)器，并根據(jù)播出串聯(lián)單完成自動(dòng)播出。當(dāng)信號(hào)中斷、無聲、靜幀或黑場等故障被同構(gòu)主、備路檢測到時(shí)，即自動(dòng)倒換。在應(yīng)急播出時(shí)，通過人工操作實(shí)現(xiàn)對各類信號(hào)的一鍵倒換。播出安全監(jiān)控模塊不僅設(shè)置有多畫面分割器，還包括在線監(jiān)測視音頻的設(shè)備。通過多畫面分割器結(jié)合4K 大屏，對總控視頻實(shí)施分配處理后形成的4×3G SDI 信號(hào)、二備視頻服務(wù)器和主備倒換器各自輸出的信號(hào)以及墊片信號(hào)展開實(shí)時(shí)監(jiān)看。在線檢測設(shè)備從技術(shù)層面對系統(tǒng)所含各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的音視頻信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行檢測分析，并對主備路呈現(xiàn)的一致性實(shí)施比對監(jiān)測，對于各類信號(hào)呈現(xiàn)的異常情況及時(shí)發(fā)出報(bào)警[8]。

3.2 播出業(yè)務(wù)流程

4K 超高清頻道播出業(yè)務(wù)流程部分主要包括5大模塊，分別是節(jié)目單編排模塊、節(jié)目文件整備模塊、圖文包裝模塊、總控信號(hào)調(diào)度模塊以及播出控制模塊。

節(jié)目單編排系統(tǒng)不僅能編輯節(jié)目單，還能對其進(jìn)行審核、發(fā)送。以節(jié)目單編排系統(tǒng)發(fā)送的節(jié)目單作為依據(jù)，結(jié)合圖文字幕單，整合形成最終的播出節(jié)目單。播出控制系統(tǒng)將此節(jié)目單作為依據(jù)，疊加臺(tái)標(biāo)、圖文，并自動(dòng)切換外來信號(hào)。文件整備系統(tǒng)能將格式不同的各類素材有效加入播出鏈路中，對外來文件、素材文件實(shí)施內(nèi)容審片處理后直接對其展開導(dǎo)入、轉(zhuǎn)碼處理。通過自動(dòng)技審，結(jié)合人工復(fù)審對素材的正確性進(jìn)行確認(rèn)。將播出節(jié)目單作為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對遷移任務(wù)的自動(dòng)發(fā)起，完成對播出服務(wù)器的提前遷移，做好待播。在節(jié)目播出過程中，播控軟件會(huì)對服務(wù)器呈現(xiàn)的工作狀態(tài)、待播節(jié)目和正播節(jié)目呈現(xiàn)的狀態(tài)進(jìn)行檢測，一旦檢測出異常，會(huì)及時(shí)報(bào)警并觸發(fā)倒換器實(shí)施應(yīng)急倒換或提醒值班人員通過人工手段進(jìn)行干預(yù)，確保節(jié)目播出恢復(fù)正常。

從實(shí)踐出發(fā)，4K 超高清播出業(yè)務(wù)整體流程中，最重要的兩個(gè)工作項(xiàng)目為“節(jié)目單編排模塊”以及“播出控制模塊”。4K 超高清電視節(jié)目在進(jìn)行采編工作時(shí)，所涉及到的編碼格式以及碼率能夠統(tǒng)一，可以降低信息丟失的概率，也可以避免圖像質(zhì)量下降。同時(shí)，為了保障4K 超高清節(jié)目全部素材能夠安全輸入播控系統(tǒng)，還需要對素材文件進(jìn)行全面的導(dǎo)入、轉(zhuǎn)碼、審編等各項(xiàng)處理，首先采用自動(dòng)技審的方式將文件由服務(wù)器遷出，再存儲(chǔ)至近線之中，之后進(jìn)行人工復(fù)審，對近線中進(jìn)行存儲(chǔ)的文件進(jìn)行讀取，解碼后即可由技監(jiān)設(shè)備觀看素材，接著由編播人員負(fù)責(zé)針對節(jié)目端進(jìn)行編輯，將使已經(jīng)準(zhǔn)備完成的節(jié)目材料能夠完全符合頻道版面，需要將字幕單、廣告單以及節(jié)目單進(jìn)行整合，呈現(xiàn)出“串聯(lián)單”的模式，再進(jìn)行復(fù)核，確認(rèn)無誤即可將其輸入到編單系統(tǒng)并進(jìn)行備播。在播出控制模塊中，需要首先確認(rèn)串聯(lián)單已于備播狀態(tài)，之后再一次檢查節(jié)目所需的各項(xiàng)素材是否完整存在，確認(rèn)無誤之后，播控系統(tǒng)能夠以串聯(lián)單中已經(jīng)設(shè)置完成的節(jié)目視源為基礎(chǔ)，合理切換信號(hào)以及進(jìn)行圖文掛角、臺(tái)標(biāo)疊加、字幕走馬等自動(dòng)控制工作，且在節(jié)目播放過程中，全部視頻服務(wù)器均受播出系統(tǒng)控制，可以保障各個(gè)節(jié)目能夠?qū)?yīng)的時(shí)間準(zhǔn)時(shí)播出，且其中的臺(tái)標(biāo)字幕、圖文內(nèi)容等可以進(jìn)行全面有效的配合，也就可以為電視節(jié)目的播出質(zhì)量提供良好保障。

4 結(jié)語

4K 超高清音視頻的技術(shù)要求體現(xiàn)在更高清晰度和幀頻、寬色域、高動(dòng)態(tài)范圍以及三維音頻等方面，對于廣播電視臺(tái)而言，其4K 超高清播出系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括時(shí)碼控制技術(shù)與4K畫面一致性比對技術(shù)。對此，廣播電視臺(tái)要通過視音頻鏈路設(shè)計(jì)、播出業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)加強(qiáng)4K 超高清播出系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用。