孫奉明 松下電器（中國(guó)）有限公司廣播電視系統(tǒng)營(yíng)銷公司

松下公司 4K超高清演播室應(yīng)用介紹

孫奉明 松下電器（中國(guó)）有限公司廣播電視系統(tǒng)營(yíng)銷公司

本文對(duì)4K超高清演播室建設(shè)中SDI方式向IP方式轉(zhuǎn)換的發(fā)展方向及面臨的問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析，在分析的基礎(chǔ)上提出當(dāng)今4K超高清演播室系統(tǒng)建設(shè)的思路。對(duì)松下4K 12G-SDI演播室系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

4K超高清演播室 技術(shù)發(fā)展方向 系統(tǒng)建設(shè)思路

1.引言

目前4K是一個(gè)很熱門的話題，尤其是數(shù)字電影和一些專題片的拍攝,4K都有很多應(yīng)用。國(guó)家新聞出版廣電總局提出， 在“十三五”規(guī)劃期間，有條件的電視臺(tái)要進(jìn)行4K節(jié)目的制作，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行4K的播出。

在日本，4K也是一個(gè)非常熱門的話題，因?yàn)樗幸粋€(gè)具體的目標(biāo)，就是承諾在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)時(shí)要進(jìn)行8K的轉(zhuǎn)播。8K實(shí)際上是4K的第二階段，所以目前在日本，4K正在緊鑼密鼓地規(guī)劃和實(shí)施。

從歷史上來(lái)看，作為大型的體育賽事，確實(shí)能對(duì)廣電技術(shù)有很強(qiáng)的推進(jìn)作用，例如通過(guò)北京2008奧運(yùn)會(huì)，我國(guó)高清在電視臺(tái)的業(yè)務(wù)逐步得到了普及。松下贊助奧運(yùn)會(huì)的計(jì)劃從1988年漢城奧運(yùn)會(huì)開(kāi)始，并將是東京2020年奧運(yùn)會(huì)在內(nèi)的今后4屆奧運(yùn)盛會(huì)的全球頂級(jí)贊助商。

所以松下超高清產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，不僅是松下的一個(gè)產(chǎn)品規(guī)劃，同時(shí)也是對(duì)奧運(yùn)電視轉(zhuǎn)播的一個(gè)鄭重承諾。

2．Media over IP的發(fā)展路線

當(dāng)今廣電面臨多方面的技術(shù)轉(zhuǎn)型：從標(biāo)清向高清再向超高清轉(zhuǎn)換；網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備從專門的硬件向通用設(shè)備及軟件定義的虛擬化轉(zhuǎn)換；節(jié)目制作從網(wǎng)絡(luò)化向云平臺(tái)架構(gòu)轉(zhuǎn)換，還有演播室從SDI向IP轉(zhuǎn)換。4K演播室的建設(shè)，有一個(gè)話題是避免不了的，究竟是延續(xù)現(xiàn)有多年的SDI傳輸技術(shù)，還是采用更新的IP的傳播方式。

SDI方式向IP方式轉(zhuǎn)換，這是我們廣電行業(yè)甚至是各行各業(yè)的一個(gè)潮流。如上所述，廣電行業(yè)有很多的轉(zhuǎn)換，包括SDI向IP方面轉(zhuǎn)換。IP化發(fā)展的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：使用標(biāo)準(zhǔn)的非專業(yè)產(chǎn)品是應(yīng)用SDI-to-IP混合環(huán)境重要原因；從依賴硬件的工作系統(tǒng)專向虛擬化環(huán)境；IP化發(fā)展是電視業(yè)務(wù)向UHD推廣的基礎(chǔ)條件。高清、超高清需要有更高碼率的傳輸條件，IP化平臺(tái)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

IP化過(guò)程中的虛擬化給用戶帶來(lái)?yè)?dān)心：它顛覆了傳統(tǒng)的工作方式，很多觀念和我們系統(tǒng)的構(gòu)成有一個(gè)突破性的發(fā)展；故障難于診斷和排除，我們?cè)赟DI基帶的應(yīng)用，已經(jīng)形成了SDI基帶信號(hào)測(cè)量、故障診斷和排除的經(jīng)驗(yàn)，采用IP化后，所有的環(huán)境發(fā)生變化，故障診斷和排除方法與SDI基帶的方法完全不同；可靠性和計(jì)算能力不足，4K系統(tǒng)的碼率比高清高很多，需要有一個(gè)更高的承載能力和計(jì)算能力，目前設(shè)備商的承載能力以及對(duì)于廣電高可靠性的要求，還有一些課題需要研討；技能缺乏，采用IP化對(duì)我們今后的人才培養(yǎng)和技術(shù)能力都是一個(gè)考驗(yàn)，將來(lái)電視臺(tái)不僅僅是AV人才，還要培養(yǎng)IP人才；缺乏標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化的工作是一個(gè)重要的問(wèn)題。IP化是廣電技術(shù)發(fā)展的方向，大家是沒(méi)有任何異議的，但I(xiàn)P化發(fā)展進(jìn)程將是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，IP與基帶相互融合的技術(shù)架構(gòu)將會(huì)存在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)內(nèi)。SDI是一個(gè)很成熟的標(biāo)準(zhǔn)，我們將SDI在IP的通道里進(jìn)行傳輸，需要一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。2007年-2013年，SMPTE陸續(xù)發(fā)布了ST 2022 1-7系列標(biāo)準(zhǔn)。隨后SMPTE又發(fā)布了ST 2110標(biāo)準(zhǔn)。ST 2110標(biāo)準(zhǔn)系列包括7個(gè)部分，這是一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。大家都看好ST 2110標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镾T 2110標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)范了現(xiàn)場(chǎng)制作系統(tǒng)流程中不同IP實(shí)體流的承載、同步和描述，為IP網(wǎng)絡(luò)傳輸不同的視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)流定義了一個(gè)可互操作的系統(tǒng)。SMPTEST2110標(biāo)準(zhǔn)使單獨(dú)路由和分離基本流（音頻、首批和輔助數(shù)據(jù)）成為可能。這種發(fā)展簡(jiǎn)化了如增加字幕和圖文以及如處理多音頻語(yǔ)言和類型的工作。每個(gè)基本流可單獨(dú)路由和在端點(diǎn)重新組合。每個(gè)分量流（音頻、視頻和輔助數(shù)據(jù)）被同步，因此基本流相互共同定時(shí)，但保持獨(dú)立。從基帶到IP發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 基帶到IP發(fā)展過(guò)程

圖2 松下NAB2017 IP聯(lián)通演示

松下電器在NAB2017 展示會(huì)上進(jìn)行了IP聯(lián)通演示，通過(guò)松下切換臺(tái)和控制器來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的控制，形成了一個(gè)從外場(chǎng)傳回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行IP流處理的一個(gè)簡(jiǎn)單演示系統(tǒng)。IP方式簡(jiǎn)單替代SDI并不復(fù)雜，但是它并沒(méi)有達(dá)到我們過(guò)去認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)IP傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，它僅僅只是一個(gè)IP信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在現(xiàn)有制作環(huán)境中采用IP技術(shù)，并沒(méi)有改變?cè)瓉?lái)的工作環(huán)境。INPS（IP Networked Production System）系統(tǒng)則是一個(gè)純粹的IP系統(tǒng)，構(gòu)建基于IP環(huán)境的制作系統(tǒng)，而不是在現(xiàn)有制作環(huán)境中采用IP技術(shù)，可通用多用途基礎(chǔ)設(shè)施解決方案。在這樣的IP應(yīng)用環(huán)境下，靈活性-提高生產(chǎn)率及工作效率、可靠性-低成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余，可擴(kuò)展性-以最小化投資對(duì)應(yīng)未來(lái)的升級(jí)擴(kuò)展、可應(yīng)用性-適用于多種用途等優(yōu)點(diǎn)可以充分的發(fā)揮出來(lái)。

建設(shè)INPS系統(tǒng)分這樣幾個(gè)步驟，第一步是先取代現(xiàn)有的電纜系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有攝像機(jī)、切換臺(tái)的功能進(jìn)行靈活控制，形成靈活組合的工作室，實(shí)現(xiàn)資源共享。第二步是進(jìn)行可擴(kuò)展資源群集的建設(shè)，過(guò)去單機(jī)功能都是固定的，通過(guò)虛擬化，可以根據(jù)需要進(jìn)行不同的組合，使得資源可以靈活的調(diào)配。第三步是作為服務(wù)來(lái)進(jìn)行運(yùn)作，就是在不同的過(guò)程中，可以根據(jù)工作繁忙或空閑并非經(jīng)常用到全部功能的一些特征，進(jìn)行高效的利用、快速傳輸，提供更多的功能。這是我們實(shí)現(xiàn)IP化的最終目標(biāo)。在今年的NAB2017 展示會(huì)上，我們展示的制作、傳輸系統(tǒng)見(jiàn)圖3，圖3中右邊是采用傳統(tǒng)的SDI基帶方式進(jìn)行制作、傳輸；左邊是采用虛擬環(huán)境，可以通過(guò)組合的IP方式進(jìn)行制作、傳輸。

圖3 松下NAB2017IP 制作、傳輸系統(tǒng)演示

3．4K演播室系統(tǒng)建設(shè)思路

作為更具感染力的超高清電視在多個(gè)方面比現(xiàn)有高清電視有非常大的提升，它體現(xiàn)在分辨率的提高（4K、8K）、灰度階梯的增加（10bit）、色域的展寬（BT.2020）、動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展（HDR）、幀頻的提高（60f/s）以及音頻效果的改善（22.2ch）。所有這些性能提升都是靠資源來(lái)解決的。首先分辨率提高直接提高了碼率，動(dòng)態(tài)范圍和色域表面上好像沒(méi)有提高碼率，但它需要把現(xiàn)在的8bit擴(kuò)充成10bit甚至12bit，增加灰度等級(jí)，才能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍。4K演播室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想要從可靠性和穩(wěn)定性方面來(lái)考慮，現(xiàn)在SDI基帶的信號(hào)傳輸技術(shù)非常成熟，但由于4K超高清碼率的大幅增加，造成了系統(tǒng)構(gòu)成更加復(fù)雜,例如采用4條3G-SDI電纜進(jìn)行超高清的傳輸方式，使得實(shí)際應(yīng)用受到很大限制。目前仍采用SDI基帶方式設(shè)計(jì)4K 超高清，是因?yàn)樗€有一定的優(yōu)點(diǎn)，SDI系統(tǒng)的檢測(cè)和故障處理都比較方便。但是它的缺點(diǎn)是擴(kuò)展性弱。還有就是IP系統(tǒng)的延時(shí)比較大，而SDI基帶系統(tǒng)延時(shí)最多就是幾電視行。

4K演播室系統(tǒng)建設(shè)采用12G-SDI與采用MoIP性能比較見(jiàn)圖4。

圖4 12G-SDI與MoIP性能比較

使用12G接口可以實(shí)現(xiàn)低延時(shí)，從攝像機(jī)到演播室輸出的系統(tǒng)延時(shí)可在1行以內(nèi)，能夠繼承傳統(tǒng)的視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但系統(tǒng)自由度和擴(kuò)展性比較低。

IP接口則正好相反，延時(shí)大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有1幀，從攝像機(jī)到演播室輸出的系統(tǒng)經(jīng)多個(gè)環(huán)節(jié)，延時(shí)將到達(dá)4幀，但I(xiàn)P接口具備更強(qiáng)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。

基于上述的分析，目前演播室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以參考以下思路：本地的視頻信號(hào)處理包括攝像機(jī)輸出采用12G接口，而和遠(yuǎn)距離的外場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)交換時(shí)，采用IP接口。這樣既可以發(fā)揮12G信號(hào)低延時(shí)的特點(diǎn)，也兼顧了IP接口靈活的擴(kuò)展能力。同時(shí)我們也認(rèn)為將來(lái)IP是發(fā)展方向。12G-SDI+MoIP的4K 演播室建設(shè)方案見(jiàn)圖5。

圖5 12G-SDI+MoIP的4K 演播室建設(shè)方案

4．4K 12G-SDI演播室系統(tǒng)介紹

在這樣的4K演播室系統(tǒng)建設(shè)思路下，松下電器通過(guò)開(kāi)發(fā)設(shè)備的12G接口，用于4K 12G的演播系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單根電纜就可以傳輸一百米超高清基帶的信號(hào),可與原有的高清系統(tǒng)保持相同的應(yīng)用性和可維護(hù)性。同時(shí)松下還開(kāi)發(fā)了淺壓縮的TICO接口，帶寬為3G，可利用原有的線路直接實(shí)現(xiàn)4K升級(jí)。

圖6是在IBEE2016展會(huì)上展示的松下以12G為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的演播室系統(tǒng)，實(shí)際采用100米電纜傳輸。從攝像機(jī)等信號(hào)源經(jīng)過(guò)跳線、分配的實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)以松下電器開(kāi)發(fā)的切換臺(tái)和矩陣為核心，得到制作完成的4K信號(hào)，還包括監(jiān)測(cè)等周邊的環(huán)節(jié)。

圖6 IBEE2016展會(huì)上展示的松下4K-12G演播室系統(tǒng)

NHK今年對(duì)12G的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)切換不同測(cè)試信號(hào)（含測(cè)試脈沖波型），使用WFM波形監(jiān)視器觀測(cè)包括：12G-SDI的眼圖、回波損耗等電性能指標(biāo)；追加更長(zhǎng)同軸電纜后再進(jìn)行以上電性能指標(biāo)觀測(cè)；使用中繼設(shè)備后多段接力輸出的電性能指標(biāo)觀測(cè)；切換臺(tái)基礎(chǔ)性能的確認(rèn)，素材切換、MIX混合、WIPE掃劃的功能測(cè)試。同時(shí)還對(duì)5.5C-UHD同軸電纜的彎曲、部分側(cè)壓、荷重、扎線布線等物理性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。還有電磁兼容方面特性的測(cè)試，因?yàn)?2G-SDI已屬射頻頻段，要考慮分布參數(shù)的影響。松下在多年開(kāi)發(fā)視頻產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)分布參數(shù)進(jìn)行了很好的處理，12G的板卡的電磁兼容已達(dá)到很好的性能。

5．松下4K-12G切換臺(tái)/攝像機(jī)/矩陣/周邊產(chǎn)品

松下開(kāi)發(fā)了可充分對(duì)應(yīng)4K/2K同播應(yīng)用的全4K切換臺(tái)/攝像機(jī)，4K信號(hào)的處理基本采用12G-SDI。松下全4K切換臺(tái)，而不是2K升級(jí)成4K的切換臺(tái)，其4K的輸入路數(shù)可以達(dá)到80路，輸出路數(shù)可以達(dá)到40路，可以在大規(guī)模的演播室或者是轉(zhuǎn)播車上使用。

松下還研發(fā)了4K攝像機(jī)，根據(jù)電視轉(zhuǎn)播的需要，鏡頭采用了電視的B4卡口，采用單片大感光器件的方式，通過(guò)擴(kuò)展鏡可以把光路投到一英寸的大傳感器件上。一英寸傳感器具備比2/3英寸傳感器更大的像素面積，具有高靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)。攝像機(jī)支持高動(dòng)態(tài)范圍HDR功能的HLG標(biāo)準(zhǔn)。松下同時(shí)開(kāi)發(fā)了12G-SDI的周邊和矩陣設(shè)備，通過(guò)系統(tǒng)做HDR/SDR變換。松下現(xiàn)場(chǎng)制作HDR/SDR的應(yīng)對(duì)方案見(jiàn)圖7。

SDR與HDR的性能比較見(jiàn)圖8，HDR 技術(shù)使傳統(tǒng)照明理論和曝光控制受到挑戰(zhàn)。

圖7 松下現(xiàn)場(chǎng)制作HDR/SDR的應(yīng)對(duì)方案

圖8 SDR與HDR的性能比較

4K節(jié)目制作中高動(dòng)態(tài)范圍HDR和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍SDR在直播的應(yīng)用方式，區(qū)別于單機(jī)前期拍攝環(huán)境和調(diào)色處理的后期制作環(huán)境。高動(dòng)態(tài)范圍其實(shí)就是自然界的光點(diǎn)非常之大，但電視系統(tǒng)受拍攝的器械、制作傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)以及終端顯示的能力限制，只能維持在一定動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。通過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)積累和不斷的技術(shù)適配，松下設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍SDR是比較令人滿意的，在這樣的技術(shù)條件下，已發(fā)揮到了極致，可以把很寬的動(dòng)態(tài)范圍收容到相對(duì)比較窄的系統(tǒng)里面來(lái)。

現(xiàn)在，整個(gè)電視系統(tǒng)的兩端已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，一是現(xiàn)在很多數(shù)字電影拍攝的應(yīng)用，包括剛才說(shuō)到的大感光器件這種高動(dòng)態(tài)范圍大光圈的感光度，都使得前期的拍攝具有了高感光度的能力；二是顯示器件也有了很大的發(fā)展，高亮顯示面板正一代一代的向前發(fā)展。

電視系統(tǒng)也要支持HDR系統(tǒng)。松下攝像機(jī)支持HLG的顯示轉(zhuǎn)換，同時(shí)松下的切換臺(tái)具有14bit的深度。這樣，無(wú)論各種方式、其他的文件或是數(shù)據(jù)方式都可以支持，可進(jìn)行無(wú)損的處理，所有轉(zhuǎn)換和調(diào)色功能都通過(guò)外部的色板完成。

關(guān)于前期拍攝如何控制光圈和曝光處理的問(wèn)題，因?yàn)楦邉?dòng)態(tài)范圍和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍都要輸出，采用的辦法就是拍攝的時(shí)候主要是根據(jù)2K的SDR進(jìn)行曝光的處理，同時(shí)留有一定的余地可以進(jìn)行4個(gè)不同形式的增益控制，保留更高動(dòng)態(tài)范圍，在將來(lái)后期處理高動(dòng)態(tài)時(shí)能夠使用。這樣前期拍攝就保證了直播出來(lái)的高清SDI的完好，同時(shí)又能進(jìn)行后期高動(dòng)態(tài)范圍的處理。