李中

【摘要】介紹央視一號(hào)演播廳視頻系統(tǒng)基于2018年央視春晚制播及發(fā)展超高清技術(shù)需求的改造方案，并闡述制作中攝像機(jī)調(diào)節(jié)、信號(hào)傳輸、虛擬植入等技術(shù)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】央視春晚；4K攝像機(jī)；高動(dòng)態(tài)范圍；信號(hào)傳輸；虛擬植入

2018年中央電視臺(tái)春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)（以下簡(jiǎn)稱央視春晚）直播連續(xù)第三年采用1個(gè)主會(huì)場(chǎng)4個(gè)分會(huì)場(chǎng)的格局，以一號(hào)演播廳現(xiàn)場(chǎng)節(jié)目信號(hào)為主，穿插貴州黔東南、廣東珠海、山東曲阜泰安、海南三亞四地的外來(lái)信號(hào)共同直播。

一號(hào)演播廳已經(jīng)伴隨央視春晚20年，隨著技術(shù)的進(jìn)步、欣賞要求的提高、觀看媒介的多樣化，2018年央視春晚不僅在節(jié)目?jī)?nèi)容上積極創(chuàng)新，在表現(xiàn)形式上也“讓觀眾耳目一新”，同時(shí)在視頻系統(tǒng)的解決方案及設(shè)備配置上更是注重更新升級(jí)，以滿足制作和播出的要求。1基于高清系統(tǒng)升級(jí)的4K（超高清）制作解決方案

為了能更好地適配今后頻道發(fā)展的需要，積累更多、更豐富的4K素材，2018年央視春晚在4K節(jié)目制作流程上有所創(chuàng)新。此次一號(hào)演播廳升級(jí)改造力求以最短的改造周期，對(duì)系統(tǒng)的最小改動(dòng)，完成4K節(jié)目的生成工作。

1.1 4K系統(tǒng)初步的嘗試

央視春晚對(duì)于4K的嘗試早在幾年前就已開(kāi)始。2014年央視春晚使用了4K攝錄一體機(jī)，對(duì)春晚彩排進(jìn)行了拍攝。在201 5年央視春晚，彩排現(xiàn)場(chǎng)采用了一套六信道4KEFP（ Electronic Field Production，電子現(xiàn)場(chǎng)制作）系統(tǒng)，6臺(tái)4K攝像機(jī)配合多臺(tái)4K攝錄一體機(jī)接受高清系統(tǒng)導(dǎo)播的調(diào)配，提供下變換的彩排高清信號(hào)供高清系統(tǒng)使用，并同步收錄完成后期精編版的制作。由于4K攝像師受高清導(dǎo)演調(diào)配構(gòu)圖兼顧4K版本創(chuàng)作，使4K攝像機(jī)拍攝的畫而難免有所遺憾。當(dāng)時(shí)的4K攝像機(jī)都是采用單片35 mm CMOS感光器件，顏色和畫而感覺(jué)與高清攝像機(jī)存在較大差異，為保證春晚直播效果，在春晚當(dāng)天又替換成高清攝像機(jī)完成直播工作。2016年央視春晚采用了數(shù)臺(tái)4K攝像機(jī)單機(jī)完成了一場(chǎng)4K專場(chǎng)彩排錄像。由于是專場(chǎng)錄像，攝像機(jī)之間的設(shè)置更匹配，彌補(bǔ)了與高清同場(chǎng)拍攝會(huì)在高清畫而里穿幫的問(wèn)題，以及不同種類機(jī)型畫質(zhì)不統(tǒng)一的問(wèn)題。

2017年央視春晚，在彩排過(guò)程中陸續(xù)將12臺(tái)高清攝像機(jī)中不涉及虛擬包裝及特殊用途的6個(gè)機(jī)位替換為HDC-4300 4K攝像機(jī)，同時(shí)配合大量的4K ENG（Electronic News Gathering，電子新聞采集）單機(jī)補(bǔ)充拍攝其他角度，插漏補(bǔ)全。需要說(shuō)明的是，為r防止當(dāng)時(shí)鏡頭協(xié)議、機(jī)身傳感器安裝帶來(lái)不必要的問(wèn)題，故只更換了不涉及這些功能的攝像機(jī)。由于HDC-4300 4K攝像機(jī)與系統(tǒng)內(nèi)原有的HDC-2580高清攝像機(jī)品牌一致并具有相同尺寸的CCD成像器件，所拍攝的畫而風(fēng)格基本一致，可以接入演播室現(xiàn)有的高清系統(tǒng)，與其他高清攝像機(jī)進(jìn)行顏色一致性匹配后，共同完成央視春晚直播內(nèi)容的制作。4K攝像機(jī)的基站可同時(shí)輸出4K信號(hào)和高清信號(hào)，4K信號(hào)輸出給PWS-4500收錄服務(wù)器，完成4K視頻信號(hào)的錄制；高清信號(hào)直接接入到原高清演播室系統(tǒng)，完成演播室直播工作。由于HDC-4300 4K攝像機(jī)與HDC-2580高清攝像機(jī)基站接口一致性好，進(jìn)行替換時(shí)也極為方便：同時(shí)4K攝像機(jī)替換高清攝像機(jī)，避免了演播廳現(xiàn)場(chǎng)同一位置同時(shí)架設(shè)兩臺(tái)攝像機(jī)工作時(shí)相互干擾的情況，實(shí)現(xiàn)了從彩排到直播的全過(guò)程使用。

1.2 在2017年央視春晚制作基礎(chǔ)上的4K食品系統(tǒng)升級(jí)方案

盡管目前業(yè)內(nèi)對(duì)于4K系統(tǒng)的構(gòu)成不像高清、標(biāo)清時(shí)期有一個(gè)明確的方向，同時(shí)由于信息量數(shù)據(jù)量爆炸式的增加，以及IT技術(shù)被大量引入傳統(tǒng)廣電行業(yè)，對(duì)于整體方案還沒(méi)有一個(gè)普遍的共識(shí)。一個(gè)完整4K系統(tǒng)架構(gòu)是采用4線3G DI、12G SDI方案還是IP方案；4線3G SDI方案是采用SQD方式還是2SI方式，IP到底使用通用交換機(jī)還是專用交換機(jī)，系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)編碼壓縮是使用TICO協(xié)議還是NMI的協(xié)議等一系列問(wèn)題還都未確定。

在2017年央視春晚制作的基礎(chǔ)上，對(duì)于現(xiàn)存的高清直播制作系統(tǒng)的升級(jí)，探索高清兼容4K的制作模式，在不改變現(xiàn)有高清系統(tǒng)制作流程的同時(shí)，完成4K節(jié)目素材的同步生產(chǎn)。在信號(hào)的拾取和記錄上，將一號(hào)演播廳及第六演播室群中的部分高清攝像機(jī)HDC-2580升級(jí)為超高清攝像機(jī)HDC-4300，采用全4K HDR（High-Dynamic Range高動(dòng)態(tài)范圍）記錄。4K攝像機(jī)的高清信號(hào)提供給現(xiàn)有高清直播制作系統(tǒng)，用于高清直播、錄播和后期制作；4K攝像機(jī)的4K信號(hào)用于4K PGM合成制作。在播出制作方而，為了適配現(xiàn)有的播出設(shè)備，依然采用高清SDR （Standard-Dynamic Range標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍）方式，配置4K上下變換器、4K示波器、4K監(jiān)視器等適配信號(hào)變換和圖像質(zhì)量監(jiān)看的設(shè)備。通過(guò)改造，使系統(tǒng)具備r超高清信號(hào)的生產(chǎn)能力，可提供4K素材，為實(shí)現(xiàn)4K節(jié)目素材的快速積累提供了基礎(chǔ)保障。

4K使畫而解析力進(jìn)一步增強(qiáng)，HDR帶來(lái)了高寬容度、寬色域和高對(duì)比度，可極大地提升人眼的主觀感受。由于分辨率的增加、隔行變成逐行，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量擴(kuò)大8倍，雖然信號(hào)的傳輸距離大打折扣但是隨著IP技術(shù)被大規(guī)模引入廣電行業(yè)，給傳統(tǒng)廣電行業(yè)找到了新的解決辦法，甚至為今后的8K、16K的實(shí)現(xiàn)都提供了解決方法。目前，央視開(kāi)始著手8K的拍攝研究。

2 攝像機(jī)機(jī)位及參數(shù)調(diào)整

2.1 主會(huì)場(chǎng)攝像機(jī)設(shè)備配置及機(jī)位

主會(huì)場(chǎng)的視頻系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)布置了12臺(tái)攝像機(jī)，其中包括11臺(tái)超高清攝像機(jī)HDC-4300和臺(tái)高清攝像機(jī)P1，其機(jī)位分布見(jiàn)圖1，各機(jī)位的配置情況見(jiàn)表1。配合HDC-4300使用了2只UHD-DIGISL-PER86（UJ86×9.3）箱式長(zhǎng)焦鏡頭、8只CJ12×4.3B和1只CJ20×7.8B鏡頭。相關(guān)的承載設(shè)備有：1臺(tái)二維索道高清攝像機(jī)系統(tǒng)、1套弧形軌道的ROSS RC電動(dòng)軌道機(jī)器人、1套15 m直軌的ROSS ROBO電動(dòng)軌道機(jī)器人、1套遙控云臺(tái)Egripment 120VR，1套含有Z軸旋轉(zhuǎn)功能的5m搖臂、1套提供虛擬功能5m的TK53LVR虛擬搖臂和2套固定虛擬機(jī)位。

2.2參數(shù)調(diào)整

在布置好攝像機(jī)機(jī)位后，通過(guò)DSC（Datacolor SpyderCheckr）調(diào)色卡進(jìn)行色彩調(diào)校，精準(zhǔn)地還原色彩。首先，使用11灰階功能，進(jìn)行R、G、B三路信號(hào)的一致性基準(zhǔn)調(diào)整，包括黑平衡、白平衡、GAMMA曲線調(diào)整、底電平調(diào)整等。其次，使用24彩色及4膚色色塊功能進(jìn)行色彩及膚色校正。具體流程如下。

（1）黑平衡調(diào)整。黑平衡對(duì)于攝像機(jī)的色彩還原起著很重要的作用，攝像機(jī)拍攝純黑物體時(shí)，即景物對(duì)光的反射率少于3%或者關(guān)閉光圈時(shí)，紅、綠、籃三路輸出的電平為黑色電平。當(dāng)三路黑色電平相等時(shí)，圖像呈現(xiàn)的黑色為純黑色；如果三路黑色電平不相等，則圖像的黑色部分就會(huì)出現(xiàn)偏色，造成色彩還原的失真，要減少這種失真，則需要進(jìn)行黑平衡調(diào)整。黑平衡調(diào)整的方法有自動(dòng)和手動(dòng)兩種，按下ABB或者相應(yīng)功能鍵，攝像機(jī)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉光圈執(zhí)行黑平衡調(diào)整。

（2）白平衡調(diào)整。白平衡是攝像機(jī)色彩還原的基礎(chǔ)，只有當(dāng)白色還原正確了，其他顏色才有可能正常還原。當(dāng)攝像機(jī)拍攝理論上純白色的物體時(shí)，其紅、綠、籃三路的輸出電平是一致的，則重現(xiàn)的圖像為基準(zhǔn)白色。然而色溫受到鏡頭內(nèi)分光鏡等光學(xué)特性及各通道增益不同的影響，會(huì)使紅、綠、籃三色的輸出的電平不一定相同，重現(xiàn)的白色就會(huì)出現(xiàn)偏色，則需要進(jìn)行調(diào)整，使三個(gè)通道增益電平相等。白平衡調(diào)整的方法很簡(jiǎn)單，在拍攝場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)面光燈光條件下，拍攝灰度卡或白平衡卡，必要時(shí)還需要將攝像機(jī)設(shè)定為與光源色溫相近的色溫片，調(diào)整光圈讓信號(hào)幅度在全信號(hào)幅度的80% - 100%，按AWB，執(zhí)行自動(dòng)白平衡調(diào)整。

（3）彩色校正。需要在實(shí)際拍攝的場(chǎng)景內(nèi)，用場(chǎng)景的而光均勻的照射在測(cè)試卡上，把對(duì)攝像系統(tǒng)組合特性有影響的因素全都考慮進(jìn)去，再進(jìn)行調(diào)整。如果在進(jìn)行過(guò)色彩校正后又對(duì)主而光色溫進(jìn)行較大改變，可能會(huì)影響到色彩還原。為直觀衡量和便于彩色校正，采用了DSC Labs色彩校正卡，按照ITL Rec.709標(biāo)準(zhǔn)色域設(shè)置，符合中國(guó)高清晰度電視標(biāo)準(zhǔn)。該測(cè)試p有24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色塊以及4個(gè)膚色色塊，上卜^兩行彩色塊分別為黃、紅、紫、綠、青、藍(lán)六個(gè)基本色塊，相鄰基本色塊有三個(gè)過(guò)渡色框，24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色塊對(duì)應(yīng)的矢量，構(gòu)成了一個(gè)規(guī)則的六邊形圖案，如圖2所示。

調(diào)整方法如：鏡頭中線盡可能直對(duì)測(cè)試卡（見(jiàn)圖3），通過(guò)變焦使測(cè)試卡充滿畫面，聚焦清晰，調(diào)節(jié)光圈，令白電平為100%，黑電平設(shè)在0 - 50 mV，觀察圖像信號(hào)的矢量模型，為便于精確設(shè)置，設(shè)置示波器矢量圖增益調(diào)整到2倍；打開(kāi)色彩矩陣，校正并選定了ITL 709色域標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)反復(fù)調(diào)整（R-G）、 （R-B）、（G-R）、（G-B）、（B-R）、（B-G），使6個(gè)基本色塊填入矢量圖對(duì)應(yīng)的矢量色塊中，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的六邊形矢量波形（見(jiàn)圖4）。需要注意的是，對(duì)于一個(gè)色塊系數(shù)的調(diào)整會(huì)對(duì)周圍色塊產(chǎn)生影響，需要反復(fù)微調(diào)。然后再通過(guò)劃像對(duì)比所有設(shè)備的一致性（見(jiàn)圖5），待調(diào)整完畢后即可儲(chǔ)存成為該光線條件下的場(chǎng)景文件。

（4）在以上調(diào)整基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及主持人出鏡的實(shí)際情況，在技術(shù)監(jiān)視器BVM X300上進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)圖像微調(diào)（微調(diào)彩色矩陣參數(shù)），達(dá)到較好的色彩還原畫而效果。對(duì)于那些由于機(jī)位設(shè)置原因?qū)嵲跓o(wú)法用調(diào)色板進(jìn)行調(diào)整的機(jī)器，調(diào)整其指標(biāo)參數(shù)盡量接近其他攝像機(jī)色彩指標(biāo)。

視頻制作系統(tǒng)設(shè)置

作為央視春晚的整個(gè)視頻制作系統(tǒng)的核心，給所有中文頻道提供主、備高清節(jié)目信號(hào)（HD PGM），為外語(yǔ)頻道提供主、備無(wú)字幕高清信號(hào)（ HD CLEANPGM），為四個(gè)分會(huì)場(chǎng)提供主、備一1高清節(jié)目信號(hào)（ME4 PGM），為后期提供主、備不帶直播標(biāo)的高清節(jié)目信號(hào)（ME5 PGM）。2018年在高清電視直播的同時(shí)，還同步制作4K超高清版的春晚電視節(jié)目，通過(guò)后期上傳至央視專區(qū)供具有4K觀賞條件的電視觀眾欣賞。整個(gè)視頻系統(tǒng)提供的視頻服務(wù)見(jiàn)圖6。

央視春晚4K電視節(jié)目制作過(guò)程大致如下：4K記錄服務(wù)器收錄來(lái)在攝像機(jī)的4K HDR信號(hào)以及上變換的包含嵌入音頻的高清無(wú)字幕版節(jié)目信號(hào)（ HD CLEANPGM）；4K合成服務(wù)器從切換臺(tái)串行接口讀取Pp級(jí)切換信息、疊化時(shí)間以及時(shí)間碼，將3種信息合成為內(nèi)部的XML表。所有設(shè)備通過(guò)BB同步進(jìn)行對(duì)齊，4K合成服務(wù)器通過(guò)M絡(luò)將4K記錄服務(wù)器記錄的內(nèi)容和自身的XML表進(jìn)行融合，合成4K版高動(dòng)態(tài)范圍的春晚節(jié)目信號(hào)（4KHDR CLEAN PCJM）；4K播放服務(wù)器再讀取該文件用于即時(shí)重放以及提供給HDRC. 4000歿時(shí)F變換成4K版標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍的春晚節(jié)目信號(hào)（4K SDRCLEAN PGM）。

為J，更好地發(fā)揮超高清攝像機(jī)的性能，同步完成好高清制作和超高清節(jié)目，經(jīng)過(guò)與SONY工程師的學(xué)習(xí)交流，在制作過(guò)程中引入了SONY HDR LIVE的工作方式。由于SLOG3曲線的特性，會(huì)使高清信號(hào)和4K信號(hào)存在1- 1.5擋的光圈差，通過(guò)調(diào)整光圈控制桿率先保證4K HDR畫面得到充分曝光，再對(duì)高清信號(hào)通過(guò)增益進(jìn)行曝光同步控制，2018年央視春晚設(shè)置的增益達(dá)到了-9dB。

本次升級(jí)改造中新增的兩臺(tái)HDRC-4000格式轉(zhuǎn)換器，采用雙通道的設(shè)計(jì)，具備從4K HDR到HD SDR的各種視頻信號(hào)的格式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的能力，在此次工作中發(fā)揮了巨大作用。2018年央視春晚制作中，使用一臺(tái)HD RC-4000用于將HD CLEAN PGM上變換成4K HDR CLEANPGM，用于彌補(bǔ)高清虛擬信號(hào)、高清插播信號(hào)、高清四地信號(hào)等在4K PGM編輯中缺失的遺憾，達(dá)到4K PGM和高清PGM內(nèi)容相同的目的。受到目前播出分發(fā)平臺(tái)的限制，無(wú)法直接使用4K HDR素材，利用另一臺(tái)HDRC-4000將制作好的高清4K HDR 2020色域的PGM信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成4K SDR 709色域供后期分發(fā)平臺(tái)使用，見(jiàn)圖7。

虛擬植入技術(shù)自2012年開(kāi)始已經(jīng)在央視春晚應(yīng)用多次。2018年央視春晚畫而中的空中懸浮立體燈籠、中國(guó)結(jié)、福字等（見(jiàn)圖8），讓視覺(jué)效果異常出彩。

此次春晚使用了主備6套虛擬包裝設(shè)備進(jìn)行節(jié)目制作，見(jiàn)圖9；現(xiàn)場(chǎng)在觀眾席三樓的位置架設(shè)了一個(gè)高俯機(jī)位，在一層設(shè)置了一個(gè)全景機(jī)位和一個(gè)虛擬搖臂機(jī)位，保證制作的場(chǎng)景更加具有立體感。

由于系統(tǒng)資源的限制，系統(tǒng)沒(méi)有足夠多的本機(jī)視頻信號(hào)和BB同步信號(hào)同時(shí)提供給6臺(tái)渲染服務(wù)器，只能按照功能進(jìn)行兩兩分組，視頻及BB同步信號(hào)都由主渲染機(jī)環(huán)出（ LOOP OUT）再援入備機(jī)，負(fù)責(zé)傳輸云臺(tái)Pan、Tilt、鏡頭Zoom、Focus以及搖臂的相關(guān)參數(shù)的422串行數(shù)據(jù)線則通過(guò)一分二同時(shí)提供給主備渲染設(shè)備。另外，為保汪傳感器工作正常，通過(guò)機(jī)身的模擬接口及時(shí)傳回一路BB同步供虛擬云臺(tái)傳感器使用。在監(jiān)看方而，每一臺(tái)渲染機(jī)的輸出都接入到播出控制和制作系統(tǒng)的監(jiān)視器，方便時(shí)刻偵測(cè)主備路機(jī)器的狀態(tài)。在攝像返送監(jiān)看方面，探索把本機(jī)信號(hào)、加載過(guò)渲染圖像的本機(jī)信號(hào)以及PGM返送信號(hào)都同時(shí)送回到攝像師的尋像器里，通過(guò)伺服控制器的不同按鍵分別進(jìn)行選擇。

結(jié)語(yǔ)

2018年央視春晚的制作和播出，也是對(duì)4K生產(chǎn)模式的一次探索，同時(shí)也是春晚第一次全4KHDR的記錄，這樣的制作模式使中央電視臺(tái)一號(hào)演播廳生產(chǎn)的4K節(jié)目資源得到快速積累。這一方法對(duì)于大量的高清演播室，以對(duì)系統(tǒng)最小的改動(dòng)代價(jià)，實(shí)現(xiàn)高清制作的同時(shí)進(jìn)行同步獲取4K PCJM提供了借鑒。

4K HDR的引入，對(duì)于電視畫而處理有了耳目一新的感受，更加真實(shí)、更多的細(xì)節(jié)、更多的內(nèi)容；對(duì)于燈光、音響、美術(shù)、服裝、化妝、道具都是更大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于廣大傳統(tǒng)電視工作者，隨著技術(shù)的進(jìn)步，IP技術(shù)的融合應(yīng)用，大量專業(yè)知識(shí)亟待學(xué)習(xí)，操作理念、操作方法都需要調(diào)整。整個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)了高清時(shí)代的摸索和歷練，為今后演播室4K系統(tǒng)改造及節(jié)目制作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。