電視臺超高清4K融媒體演播室視音頻系統 及集成部分設計研究

劉俊雄

（中山廣播電視臺，廣東 中山 528403）

0 引 言

從當前電視臺發展趨勢來看，國家廣播電視總局提出了關于4K電視發展的相關要求，這對傳統的視音頻系統提出了挑戰。為了更好地適應未來發展趨勢，中山廣播電視臺立足于技術現狀和資金籌備等情況，在經濟適用、安全可靠的基礎上開展了融媒體演播室視音頻系統的改造升級，以滿足未來一段時間內4K超高清電視節目的制作需求，值得關注。

1 項目簡介

中山廣播電視臺擬建設一套6+1訊道4K超高清演播室系統，該系統為12G-SDI基帶制作系統，建成后可滿足4K超高清電視節目虛擬制作需求。從項目建設的目標來看，改進后的電視臺要能夠滿足當前超高清制作的相關技術標準，即分辨率 3 840×2 160、幀率50P（兼容60P制作）、BT.2020色域、動態范圍符合HLG格式等。

2 關鍵設計方案

2.1 系統設計的基本需求

2.1.1 系統的基本定位

該項目中所設計的電視臺超高清4K融媒體演播室視音頻系統及集成部分包含視頻系統、同步系統、音頻系統、TALLY系統、遠程制作系統以及控制系統等若干功能模塊，整個系統為12G-SDI架構模式，能夠適應全流程下4K HDR視頻制作的功能需求，并具有良好的應急反應與控制系統。在系統運行中，根據需求設定為4K HDR與HD SDR兩種模式。

2.1.2 系統基本架構

以12G-SDI為主視頻鏈路架構構建雙切換臺核心，采用了4K工業級大屏加4K多畫面分割器為導播監視模塊，系統中的4×3G基帶信號可經過格式轉換后連接到系統中。整個系統架構兼顧了安全性、靈活性以及可拓展性的設定要求，采用了主備冗余鏈路的結構模式，并借助一體化控制系統優化完善信號狀態檢測與調度控制[1]。為全面提升整個系統架構的安全性，本次系統設計選擇無單一崩潰點的主備鏈路設計模式，并通過應急預案確保單一設備發生故障的情況不會影響系統正常的信號輸出過程，可以滿足電視臺實時直播與節目錄制的質量控制標準。

2.2 視頻系統設計方案

本次設計方案設置了6套4K超高清演播室攝像機、1套廣播級一體化4K云臺攝像機、3套有軌跟蹤混合現實演播系統、1套4K無軌虛擬演播合成系統、1套12G-4K圖文包裝字幕系統以及 4臺硬盤錄/放像機等。考慮到系統未來功能拓展的需求，設置了2套機動攝像機訊道，可以有效支持其他品牌或其他信號源的接入。除此之外，配置2M/E4K超高清切換臺為主切換，2臺1M/E4K超高清切換臺中的1臺作為備切換。基于對系統功能的考慮，設計方案中的視頻接入系統可以快速接入不同格式的信號，并且全程支持超高清HDR視頻制作，能完成超高清直播與錄播。

2.3 系統信號源設計

根據電視臺節目播出的要求，系統信號源設計應考慮到系統節目的穩定性與功能拓展。

（1）訊道規模設計采用“6＋1”模式，即4K超高清EFP攝像機匹配（6套）＋4K超高清云臺一體化攝像機（1套）。該設計方案下，4K云臺攝像機可以實時發送Free-D協議，根據虛擬系統的反饋結果運行。

（2）設置在線包裝圖文字幕系統，可以提供在線包裝與制作字幕的功能。

（3）設置有軌跟蹤混合式演播系統，能夠支持3個訊道有軌跟蹤混合合成制作要求。

（4）配置1套無軌虛擬演播合成系統，可以與云臺攝像機配合來制作營造虛擬化的節目展示 效果[2]。

（5）在視頻制作系統中設置8通道多格式處理器，其中有6個通道可以接入外來處理信號，符合4K高清處理格式與色彩校正的要求。另外兩個通道用于轉換輸出節目信號，能夠滿足從4K至D格式轉換的一般要求和從HDR至SDR的功能轉換設定要求。

2.4 切換設備設計

（1）在切換系統設備中，配置1臺4K超高清切換臺用于節目制作與切換。該切換臺有30路以上的SDI輸入接口，符合系統日常運行的功能設定 要求。

（2）配置2臺4K超高清切換臺，有不少于16路的12G-SDI輸入接口。其中一臺設備安裝在飛行箱外側，用于戶外節目錄制；另一臺放置在演播室，作為節目制作的備切換。

（3）由于4K主切換臺的功能要求標準應高于2M/E，因此配置高于2M/E的全功能切換面板。在4K模式下，切換臺每級都配置了4個以上的鍵，并且對應系統中至少設置了8通道動態畫面存儲器，可以支持8通道靜止畫面數據存儲需求。此外，該設計方案支持4通道多畫面輸出，可以作為導播監看的備份通道。

2.5 監控系統設計

（1）配置3臺16通道4K多畫面分割器，每臺分割器同時支持4通道視頻資料輸出的要求。在3臺分割器的支持下，能夠同時滿足12塊大屏觀看與監控的要求。

（2）現場配置12臺工業級4K監視器，滿足全天候無縫監控的要求。其中2臺監視器用于導播主監與預監信號監控，另外10臺用于多畫面同步 監控[3]。

（3）在技監工位設置一臺4K HDR廣播級監視器，該監視器可以隨時顯示系統信號質量信息。

（4）在工位監看位置設置4臺4K監視器，用于監看延時信號與外來信號。除此之外，增設解嵌監聽功能。

2.6 通道設計要求

根據4K超高清電視制作的相關要求，通道設計應綜合考慮整個系統功能拓展與技術可行性的要求。主備切換臺在輸出信號期間，可經倒換器處理后以12G基帶形式完成輸出。此時為避免輸出過程受到限制，在設計中同時準備兩臺倒換器，在輸出信號時可采用“二選一”的方法輸出信號，即使單個設備出現故障也不會影響通信效果。音頻PGM信號由基帶嵌入器處理后完成輸出，整個系統通道具有對加嵌的信號進行監視與監聽的功能[4]。此外，設置故障應急控制系統，當主鏈路發生系統故障時可以快速切換至備用鏈路。

2.7 音頻系統設計

以調音臺為核心，按照AES3標準開展設計，確保設計后的系統能夠滿足16聲道音頻嵌入的功能要求，同時支持單聲道、5.1聲道以及立體聲道的音頻傳播要求。該系統的主調音臺為16推子數字調音臺，話筒＋線路音頻大于等于16路輸入與8路輸出，同時支持16通道數字音頻輸出。周邊系統設計應充分考慮到系統信號分配與信號處理的相關要求，并兼顧大量信號加嵌業務處理對硬件系統的要求，最終確保信號可以均勻分配且不會影響音頻質量。在監聽系統中設置了2臺有源監聽音箱，2幅專業監聽耳機與2臺對應的音視頻機架監聽裝置。針對系統可能出現的應急狀態，采用了主備調音臺混合的設計方法，通過“二選一”裝置可以實現無縫隙切換。當主調音臺發生故障時，備用調音臺依然可以發出信號。

2.8 周邊設備

考慮到視音頻系統設計的基本功能，為確保整個系統功能穩定良好，設計選擇了品質高、性能穩定的知名品牌周邊設備。在周邊設備處理中，嚴格按照系統設備的使用要求，采用具有高集成度、可混插的機箱板卡結構[5]。設備采用模塊化設計模式，方便后期檢查與運維管理。此外，系統中的A/D轉換器、D/A轉換器、嵌入/解嵌器以及幀同步器等需要滿足國家標準。

3 設計方案創新性分析

根據對系統性能設定的相關要求，在超高清演播平臺設計中同時配置了多種專業化設備。在一平臺多形式設計規范的基礎上，兼顧新媒體、新聞、紀錄片等不同類型節目播出的要求，電視臺與設計公司技術人員進行合作之后對超高清演播生產流程進行了重構與梳理，在整個系統運行期間可借助自動化控制系統完成一系列視音頻處理工作，包括圖形渲染引擎、跟蹤設備以及燈光等的自動化管控[6]。與傳統技術方案相比，該技術方案能夠實現統一控制播出、統一制作平臺、統一內容管理等方面的要求，技術人員可按照自動化控制的要求統一控制播出與平臺制作等。

對于當前的廣播電視行業而言，新媒體技術帶來的沖擊不容忽視。為了順應時代發展潮流，充分考慮到人們參與節目的可能性，在設計方案中利用無代碼化節點編輯的手段實現大數據三維可視化和快速交互，可以在外部數據支撐的基礎上實現演播平臺與外場觀眾之間的互動，有助于擴大電視臺受眾范圍。

4 結 語

根據案例分析，該音頻系統及集成部分設計方案在技術上具有可行性，能夠支持電視臺超高清節目制作的基本要求。與傳統的設計方案相比，所提出的設計方案在技術手段與設計思路上都實現了創新，符合未來社會發展的基本要求，能夠滿足未來一段時間內電視臺業務工作的需求，值得類似項目借鑒參考。