基于5G 的演播室信號直播與制作

蔡 頂

（鄭州廣播電視臺(tái)，河南 鄭州 450018）

0 引言

在現(xiàn)代電視技術(shù)領(lǐng)域，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展與廣泛部署，其對演播室信號直播與制作的影響及其潛在應(yīng)用已成為研究的焦點(diǎn)。5G 以其顯著的高帶寬、低延遲和廣覆蓋特性，為電視信號的采集、傳輸和處理提供了新的可能性，預(yù)示著傳統(tǒng)電視制作和播出模式的根本性變革。在此背景下，深入探究5G 在演播室環(huán)境中的應(yīng)用，不僅是技術(shù)創(chuàng)新的需要，更是應(yīng)對日益增長的高清、4K/8K、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）內(nèi)容直播需求的必然趨勢。通過高速的5G 網(wǎng)絡(luò)，電視臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的視頻內(nèi)容云存儲(chǔ)和云處理，使得視頻編輯、后期制作等環(huán)節(jié)更加靈活和高效。

1 基于5G 演播室信號直播的優(yōu)越性

5G 網(wǎng)絡(luò)以其高數(shù)據(jù)吞吐率、低延遲特性和高可靠性，為電視直播帶來了前所未有的技術(shù)優(yōu)勢。特別是在高清、超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻傳輸方面，5G 能夠支持更高分辨率和更高幀率的視頻內(nèi)容，顯著提升直播質(zhì)量。5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲特性對于減少信號傳輸過程中的延時(shí)和圖像卡頓現(xiàn)象具有重要意義，對于直播中的實(shí)時(shí)互動(dòng)和高質(zhì)量視覺體驗(yàn)尤為關(guān)鍵。5G 網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)顯著優(yōu)勢在于其網(wǎng)絡(luò)切片功能，能夠?yàn)殡娨曋辈ヌ峁┒ㄖ苹木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以確保關(guān)鍵的直播信號傳輸在網(wǎng)絡(luò)資源分配上獲得優(yōu)先級，從而提高傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。這一點(diǎn)對于體育賽事、大型活動(dòng)等高流量直播場景尤為重要[1]。此外，5G 對于提升演播室內(nèi)部的無線信號連接也具有重要意義。利用5G 網(wǎng)絡(luò)，演播室可以實(shí)現(xiàn)更靈活的攝像機(jī)布局和移動(dòng)性，大大提高工作效率和創(chuàng)意表現(xiàn)力。

2 基于5G 的演播室直播信號傳輸技術(shù)

2.1 前端系統(tǒng)

5G 信號回傳系統(tǒng)前端架構(gòu)包括電子現(xiàn)場制作（Electronic Field Production，EFP）、5G 聚合設(shè)備、5G 核心網(wǎng)、防火墻、基于視頻輸出板卡的接收服務(wù)器以及融合平臺(tái)制作共6 個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1 所示。具體來說，EFP 是演播室直播信號傳輸?shù)脑搭^，通過4K/8K 攝像機(jī)和高保真音頻設(shè)備等采集設(shè)備捕捉高清晰度視頻和音頻信號，將信號編碼成適合5G 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，確保信號在傳輸過程中的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。這些信號被傳輸至5G 聚合設(shè)備。5G 聚合設(shè)備支持多頻段、多協(xié)議的信號處理，可通過高效的信號壓縮與解壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大容量數(shù)據(jù)的快速傳輸。5G 聚合設(shè)備基于多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)，可增強(qiáng)直播信號的覆蓋范圍和穿透力，顯著提高信號的傳輸效率和可靠性。經(jīng)5G 聚合設(shè)備處理后，信號進(jìn)入5G 核心網(wǎng)，經(jīng)過傳輸系統(tǒng)的樞紐。5G 核心網(wǎng)具有高帶寬和低延遲的特性，可確保前端到后端的數(shù)據(jù)傳輸高效且穩(wěn)定。5G 核心網(wǎng)基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度和優(yōu)化，進(jìn)一步提高傳輸效率。安全性是直播信號傳輸不可忽視的重要方面，所以信號在傳輸至接收服務(wù)器前必須經(jīng)過嚴(yán)格的防火墻檢測。防火墻能有效防止分布式拒絕服務(wù)（Distributed Denial of Service，DDoS）和其他網(wǎng)絡(luò)威脅，保證信號傳輸?shù)陌踩浴Ｗ詈螅盘柋粋鬏斨粱谝曨l輸出板卡的接收服務(wù)器。服務(wù)器采用高性能的視頻解碼技術(shù)確保接收到的信號質(zhì)量無損失，對信號進(jìn)行必要的編輯和調(diào)整以適應(yīng)后續(xù)的融合平臺(tái)制作需求。基于5G 的演播室直播信號傳輸技術(shù)的前端系統(tǒng)可高效整合EFP、5G 聚合設(shè)備、核心網(wǎng)、防火墻和接收服務(wù)器等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，提高直播信號的傳輸效率和質(zhì)量，確保傳輸過程的高度安全性和可靠性。

圖1 5G 信號回傳系統(tǒng)前端架構(gòu)

2.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)

自動(dòng)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地將原始信號轉(zhuǎn)換為適合不同分辨率、帶寬和設(shè)備要求的格式，同時(shí)保證傳輸?shù)母咝院托盘柕耐暾浴？紤]到5G 網(wǎng)絡(luò)的高數(shù)據(jù)傳輸能力，自動(dòng)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)必須具備處理高分辨率視頻流的能力，如4K 或8K 視頻信號。這要求轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力和高效的編解碼算法，以確保在不降低視頻質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)高速的信號處理。轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)需要支持多種編解碼標(biāo)準(zhǔn)，如H.264、H.265/HEVC 等，以適應(yīng)不同終端和播放平臺(tái)的需求。自動(dòng)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要考慮到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多變性，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行優(yōu)化[2]。由于5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量可能受到地理位置和環(huán)境因素的影響，轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)需能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼參數(shù)，如比特率、幀率等，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的變化。這意味著轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)需要具備智能感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的能力，并能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的實(shí)時(shí)變化自動(dòng)優(yōu)化視頻流的質(zhì)量。在自動(dòng)轉(zhuǎn)碼過程中，音頻信號的處理也是不可忽視的一個(gè)方面。與視頻信號類似，音頻信號需要被轉(zhuǎn)碼為適合不同播放環(huán)境的格式，同時(shí)保持音質(zhì)的清晰度和同步性[3]。因此，自動(dòng)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)應(yīng)支持多種音頻編碼格式，如AAC、Dolby Digital 等，并能夠?qū)崿F(xiàn)音視頻的無縫同步。自動(dòng)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)還需考慮用戶體驗(yàn)。例如，轉(zhuǎn)碼后的視頻流應(yīng)適應(yīng)不同大小和分辨率的顯示設(shè)備，從大屏電視到智能手機(jī)屏幕，保證不同設(shè)備上的觀看體驗(yàn)。

3 5G 在演播室信號直播及制作中的應(yīng)用

3.1 LIVE 模式

LIVE 模式即實(shí)時(shí)直播模式，是5G 在演播室信號直播及制作的重要應(yīng)用。LIVE 直播信號傳輸架構(gòu)主要包括拍攝現(xiàn)場、LIVE 演播室和播放端3 層操作，覆蓋了從信號采集到播放的全過程，如圖2所示。

圖2 LIVE 直播信號傳輸架構(gòu)

在拍攝現(xiàn)場，利用高質(zhì)量的攝像設(shè)備進(jìn)行信號的初步采集。攝像設(shè)備能夠捕捉高分辨率的視頻內(nèi)容，通過切換臺(tái)進(jìn)行初步的信號選擇和混合，將信號傳輸至5G 聚合背包。5G 聚合背包能將不同來源的信號進(jìn)行有效融合，并通過5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效傳輸。實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié)議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）編碼器對信號進(jìn)行編碼，為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸做好準(zhǔn)備。在LIVE 演播室中，信號被5G 接收服務(wù)器接收。服務(wù)器直接與拍攝現(xiàn)場的5G聚合背包相連，保證信號的實(shí)時(shí)性和完整性。隨后信號經(jīng)過RTMP 解碼器解碼還原為高質(zhì)量的視頻信號。RTMP 編碼器將信號再次編碼以適應(yīng)不同播放平臺(tái)的需求。收錄系統(tǒng)對信號進(jìn)行備份和存儲(chǔ)，為后續(xù)的編輯和回放提供支持。信號中控負(fù)責(zé)對各類信號進(jìn)行調(diào)度和控制，確保直播順利進(jìn)行、畫面符合預(yù)期。在播放端，信號被分發(fā)至移動(dòng)端、PC 端和電視端等不同終端設(shè)備。這些終端設(shè)備通過解碼和渲染將信號轉(zhuǎn)換為觀眾可以直接觀看的視頻內(nèi)容。在這個(gè)過程中，5G 的高帶寬和低延遲特性確保了播放的流暢性和高清晰度，為觀眾提供了卓越的觀看體驗(yàn)。

3.2 S&F 模式

S&F 模式是一種結(jié)合了實(shí)時(shí)直播和后期制作的工作流程，利用5G 的高帶寬和低延遲特性，實(shí)現(xiàn)了在直播信號采集的同時(shí)進(jìn)行快速的內(nèi)容編輯和傳輸，從而在直播結(jié)束后迅速推出精編輯內(nèi)容。在S&F 模式下，首先，對于直播信號的采集，5G 提供了更加靈活和高效的解決方案。與傳統(tǒng)的有線或4G 網(wǎng)絡(luò)相比，5G 的高速數(shù)據(jù)傳輸能力使得可以在無須大量物理線纜的情況下快速部署攝像設(shè)備，并實(shí)時(shí)傳輸高質(zhì)量的視頻信號。這對于那些需要迅速搭建和拆卸設(shè)備的現(xiàn)場直播特別重要，比如突發(fā)新聞事件或戶外體育賽事。在S&F 模式中，5G 支持更加高效的視頻信號處理[4]。在直播過程中，通過5G 網(wǎng)絡(luò)，可以將采集到的原始視頻信號實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的制作中心或云服務(wù)器。在這里，視頻信號可以立即進(jìn)行快速編輯，包括剪輯、添加圖形和文字、音頻同步等。這種工作流程極大地縮短了從直播到內(nèi)容發(fā)布的時(shí)間間隔，使得觀眾可以在直播結(jié)束后不久就觀看到經(jīng)過精心制作的內(nèi)容，并滿足觀眾的視覺體驗(yàn)要求[5]。在S&F 模式的實(shí)現(xiàn)過程中，5G的低延遲特性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這種低延遲保證了從現(xiàn)場到制作中心的信號傳輸幾乎無時(shí)間差，使得遠(yuǎn)程制作團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和編輯直播內(nèi)容。

4 結(jié)語

5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲特性，使得AR/VR 內(nèi)容的實(shí)時(shí)傳輸和互動(dòng)體驗(yàn)得到顯著提升，不僅為觀眾提供了沉浸式的觀看體驗(yàn)，也為電視節(jié)目制作帶來了新的創(chuàng)意空間和表現(xiàn)形式。因此，5G 在演播室信號直播與制作中的應(yīng)用不僅是一項(xiàng)技術(shù)革新，更是電視行業(yè)迎合新媒體趨勢、拓展創(chuàng)新內(nèi)容形式的重要途徑。對5G 在演播室信號直播與制作中的研究，有助于提升現(xiàn)有電視制作和播出的技術(shù)水平，為電視行業(yè)的未來發(fā)展提供了新的方向和可能性。從高效的視頻傳輸?shù)叫旅襟w內(nèi)容的創(chuàng)新應(yīng)用，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入研究和應(yīng)用，推動(dòng)了電視技術(shù)進(jìn)步和媒體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。