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        廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討

        2020-06-19 08:12:38程斌
        衛(wèi)星電視與寬帶多媒體 2020年7期
        關(guān)鍵詞:視頻信號(hào)音頻電視節(jié)目

        程斌

        【摘要】近年來(lái),隨著人們對(duì)電視節(jié)目清晰度、流暢性、廣視角等要求的日趨提升,促使4K電視節(jié)目應(yīng)時(shí)而生并日漸“受寵”。加大對(duì)4K播出系統(tǒng)內(nèi)容建設(shè)、技術(shù)支撐等的探索與研究,刻不容緩,亟需跟進(jìn)。本文結(jié)合筆者相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),首先闡述了廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的建設(shè)理念,然后進(jìn)一步探討了廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù),以期能夠?yàn)閺V大廣播電視技術(shù)人員在開(kāi)展相應(yīng)工作時(shí)有所裨益。

        【關(guān)鍵詞】廣播電視;4K超高清;播出系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù)

        1. 廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的建設(shè)理念

        4K超高清播出系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)嚴(yán)格依照國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合新興工藝技術(shù),并遵循“高效、可行、簡(jiǎn)潔”的原則,建設(shè)集播出、監(jiān)控、管理三位一體的超高清播出平臺(tái),并通過(guò)自動(dòng)化硬盤(pán)播出控制軟件實(shí)現(xiàn)高清電視節(jié)目串聯(lián)單的自動(dòng)播出、圖文控制及信號(hào)直播。

        1.1 提升播出質(zhì)量

        4K超高清播出系統(tǒng)充分融入新興超高清顯示工藝技術(shù),從而為顯著提升電視節(jié)目的播出質(zhì)量提供了技術(shù)支持,主要表現(xiàn)為色域空間、數(shù)字量化、三維聲(3D+Audio)音頻、圖像分辨率等質(zhì)量的提升。另外,超高清播出平臺(tái)依舊使用傳統(tǒng)硬盤(pán)多通道自動(dòng)播出系統(tǒng),從而有效滿足不同節(jié)目類(lèi)型、不同播出形態(tài)的制播要求,并使電視節(jié)目通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)的形式按照規(guī)定順序播出,而播出形態(tài)則主要通過(guò)硬盤(pán)、光盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備事先錄制的文件形式播出,或通過(guò)總控室的直播信號(hào)進(jìn)行播出。同時(shí),在這一環(huán)節(jié)完成圖文輸出字幕的疊加,并結(jié)合節(jié)目播出的實(shí)際需要對(duì)具體播出進(jìn)程予以調(diào)節(jié)。

        1.2 應(yīng)用新興技術(shù)

        4K超高清電視播出系統(tǒng)將4K編排與文件管理加入業(yè)務(wù)流程,并通過(guò)部署虛擬基礎(chǔ)架構(gòu),促使基于4K視頻文件的帶寬、轉(zhuǎn)碼、質(zhì)檢運(yùn)算等能力得到提升。其次,加強(qiáng)對(duì)新型視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理、AI故障分析與排查,以促使基礎(chǔ)資源合理配置、敏捷資源優(yōu)化整合、應(yīng)急自動(dòng)化切換以及故障智能化診斷等目標(biāo)得以順利實(shí)現(xiàn)。此外,通過(guò)將基帶視頻SDI信號(hào)IP化傳輸?shù)姆庋b方式融入音視頻基礎(chǔ)架構(gòu),并通過(guò)IT交換機(jī)、物理鏈路等連接,為4K視頻無(wú)壓縮碼流的傳輸提供足夠的帶寬支撐,從而為質(zhì)檢人員監(jiān)聽(tīng)、監(jiān)看提供便利,同時(shí)融入音頻、視頻運(yùn)算處理軟件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)音、視頻處理的靈活化收縮。

        1.3 實(shí)現(xiàn)靈活應(yīng)用

        超高清播出系統(tǒng)延續(xù)采用以往節(jié)目單驅(qū)動(dòng)播出的形式,同時(shí)在播出運(yùn)行的全生命周期增加自動(dòng)化閉環(huán)控制。并通過(guò)通用平臺(tái)架構(gòu)的應(yīng)用,促使現(xiàn)有各系統(tǒng)與IT通用數(shù)據(jù)資源、軟件能力模塊等實(shí)現(xiàn)高效融合,從而促使新播出業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)靈活化拓展。與此同時(shí),4K超高清播出系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)下新興科學(xué)技術(shù)與業(yè)務(wù)水平,在軟件架構(gòu)的構(gòu)建時(shí)引入基于“管、監(jiān)、控”的三維模型體系,并能夠有效支持服務(wù)器及桌面的虛擬化技術(shù),以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了電視節(jié)目播出服務(wù)的靈活化、敏捷化擴(kuò)展與收縮。

        2. 廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 50p播控技術(shù)

        由于以25幀(50I)播出控制邏輯與技術(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)高清播出系統(tǒng)的不適配性,使得對(duì)以50p為基礎(chǔ)的4K播出控制系統(tǒng)的適配性予以改造成為關(guān)鍵。對(duì)此,務(wù)須嚴(yán)格依照4K超高清電視播出系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求并采用50p幀頻逐行掃描,以最終實(shí)現(xiàn)以50p幀精度實(shí)現(xiàn)超高清節(jié)目的播出控制。其中,通過(guò)以50p為基礎(chǔ)對(duì)4K播出控制邏輯予以適配性改造,從而使4K超高清播出軟件可以對(duì)播出單中50p文件素材的入出點(diǎn)予以準(zhǔn)確識(shí)別,并能依照50p素材的Cue、Play等不同級(jí)別幀精度的播出控制操作生成與之相對(duì)應(yīng)的正確指令,再通過(guò)視頻磁盤(pán)通訊協(xié)議(即VDCP協(xié)議)傳輸至服務(wù)器。在服務(wù)器端,服務(wù)器在接受到相應(yīng)的播出控制指令后,將播出控制指令中關(guān)鍵幀位置進(jìn)行映射、轉(zhuǎn)換并以LTC+VITC格式進(jìn)行表達(dá),然后與文件時(shí)間碼軌中的LTC時(shí)碼和VITC時(shí)碼相結(jié)合,并按照播出控制指令中幀的要求對(duì)50p素材文件予以精準(zhǔn)定位。

        2.2 4K凈靜切換技術(shù)

        音頻、視頻鏈路中的播出信號(hào)主要包括主播視頻服務(wù)器、備播視頻服務(wù)器、異構(gòu)二備播系統(tǒng)服務(wù)器、CYC墊片視頻服務(wù)器等4條路徑輸出的4K視頻信號(hào),輸出的信號(hào)通過(guò)4路3G-SDI信號(hào)然后以Qua-link連接的形式進(jìn)行傳輸(如圖1)。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),鏈路最末端按照4臺(tái)雙路二選一的主、備倒換器進(jìn)行配置,該配置形式共有3G-SDI信號(hào)的輸入端口16個(gè)以及輸出端口8個(gè),端口的配置數(shù)量能夠有效滿足4路4K視頻信號(hào)4選1的需求。其中,對(duì)于鏈路末端的雙路2選1主、備倒換器,具備幀同步、凈靜切換的相關(guān)功能,且控制面板能夠通過(guò)GPI通用接口促使4路3G-SDI信號(hào)幀精度實(shí)現(xiàn)凈靜視頻切換。4臺(tái)倒換器在收到來(lái)自GPI接口的切換指令后,在視頻切換行完成視頻凈靜切換,此時(shí)所有完成凈靜切換的信號(hào)均是以同步幀精度為基礎(chǔ)進(jìn)行的切換,如此便實(shí)現(xiàn)了以Qua-link連接傳輸為基礎(chǔ)的4K基帶信號(hào)凈靜切換。

        此外,由于切換面板與4臺(tái)雙路2選1主、備倒換器通過(guò)GPI并聯(lián),所以任何2選1倒換器設(shè)備出現(xiàn)短路故障,將會(huì)造成切換面板無(wú)法對(duì)另一2選1倒換器設(shè)備的GPI控制口的點(diǎn)位水平進(jìn)行判斷。因此,可通過(guò)在控制面板與4臺(tái)2選1倒換器設(shè)備間加設(shè)單向信號(hào)限流裝置,從而使任何一個(gè)倒換器設(shè)備出現(xiàn)短路故障,都不會(huì)對(duì)另一個(gè)2選1設(shè)備的GPI控制口電勢(shì)差造成影響,由此便可有效規(guī)避切換設(shè)備的單點(diǎn)故障而影響電視節(jié)目的正常播出。

        2.3 信號(hào)一致性比對(duì)檢測(cè)

        由于音視頻信號(hào)鏈路中4K視頻信號(hào)的質(zhì)量監(jiān)控要求,使得須分別對(duì)4路分量視頻信號(hào)予以采集,制定相應(yīng)的質(zhì)量監(jiān)控KPI,并嚴(yán)格依照相應(yīng)的真值邏輯進(jìn)行信號(hào)一致性比對(duì)檢測(cè),以實(shí)現(xiàn)4K信號(hào)質(zhì)量的有效監(jiān)控。其中,一致性檢測(cè)算法主要由視頻一致性檢測(cè)與音頻一致性檢測(cè)兩部分內(nèi)容所組成,其是指在指定的延時(shí)范圍內(nèi),對(duì)音視頻信號(hào)一致性進(jìn)行比較,以測(cè)量對(duì)比音頻、視頻信號(hào)是否一致,進(jìn)而得到音頻、視頻信號(hào)的同步狀態(tài)。

        同時(shí),針對(duì)每路3G-SDI信號(hào)也可以通過(guò)一致性比對(duì)軟件進(jìn)行檢測(cè),其中,視頻信號(hào)檢測(cè)的內(nèi)容主要為視頻丟失、中斷、靜幀、黑場(chǎng)以及紅、藍(lán)、灰等純色彩場(chǎng),音頻信號(hào)檢測(cè)的內(nèi)容主要為靜音、音量過(guò)高或過(guò)低、音頻中斷或反相等。通過(guò)一致性比對(duì)檢測(cè),能夠協(xié)助技術(shù)人員判斷哪路信號(hào)存在問(wèn)題。在進(jìn)行音視頻信號(hào)的檢測(cè)時(shí),主要在采集線程以及檢測(cè)線程兩個(gè)線程中進(jìn)行,其中,采集線程主要是通過(guò)音視頻采集卡進(jìn)行音視頻信號(hào)的采集,然后通過(guò)回調(diào)函數(shù)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)入待檢測(cè)數(shù)據(jù)隊(duì)列;在檢測(cè)線程中,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)隊(duì)列中的檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)出、檢測(cè),并將一致性檢測(cè)結(jié)果返回以完成比對(duì)、分析(如圖2)。

        對(duì)于一致性比對(duì)檢測(cè)所應(yīng)用的4K畫(huà)面一致性比對(duì)儀,其輸入端口為12個(gè)3G-SDIBNC接口,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4K音頻、視頻信號(hào)的提取、比對(duì)并分析畫(huà)面一致性,以滿足主播出、備播出以及異構(gòu)備播服務(wù)器等三路Qua-Link連接的4K超高清畫(huà)面輸入要求。4K信號(hào)的連接形式為:12路3G-SDI信號(hào)與信號(hào)比對(duì)儀相連接,邏輯上對(duì)同一超高清信號(hào)的4路3G-SDI信號(hào)予以標(biāo)記。在進(jìn)行一致性對(duì)比時(shí),將各路4K信號(hào)相同位置處的1/4畫(huà)幅予以比對(duì),對(duì)比畫(huà)面中有任意1/4部分不同則可判斷兩路信號(hào)的內(nèi)容不同。由此可見(jiàn),將三組信號(hào)的兩兩進(jìn)行對(duì)比,則可判斷畫(huà)面的一致性。此外,信號(hào)比對(duì)儀除了能夠?qū)Ξ?huà)面內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)外,還能夠?qū)π盘?hào)的延時(shí)、亮度以及聲音等內(nèi)容的一致性予以判斷、對(duì)比,以幫助技術(shù)人員對(duì)畫(huà)面所存在的問(wèn)題進(jìn)行迅速判斷。進(jìn)而通過(guò)4K畫(huà)面一致性對(duì)比、4K信號(hào)質(zhì)量監(jiān)控,能夠?qū)Σコ龉?jié)目信號(hào)、鏈路狀態(tài)予以自動(dòng)化監(jiān)控,并能精準(zhǔn)快速查找問(wèn)題及故障設(shè)備,同時(shí)在系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析后,輸出處理結(jié)果并完成主播、備播、異構(gòu)二備播以及CYC墊片等四路信號(hào)的末端應(yīng)急切換,進(jìn)而顯著提升了4K播出系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性。

        3. 結(jié)語(yǔ)

        高質(zhì)量的節(jié)目?jī)?nèi)容是提高廣播電視行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵,因此,加快推進(jìn)4K超高清電視節(jié)目的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展,成為當(dāng)下廣大廣電人員所關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)此,須齊心協(xié)力,共創(chuàng)共建,多措共舉,積極打造安全、穩(wěn)定的4K超高清播出系統(tǒng),更好發(fā)揮4K超高清電視的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì),進(jìn)而為有效提高電視節(jié)目播出質(zhì)量,提升廣大受眾觀看體驗(yàn)夯實(shí)基礎(chǔ)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]魏志輝.50P幀精度播出控制技術(shù)在4K超高清電視播出系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣播與電視技術(shù),2018,45(10):20-24.

        [2]李正福.4K超高清電視在傳統(tǒng)播出中面臨的問(wèn)題及系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃探討[J].科學(xué)與信息化,2019,(7):181,183.

        [3]李春明.淺談廣東廣播電視臺(tái)4K超高清電視數(shù)字播出通路及安全應(yīng)急操作[J].現(xiàn)代電視技術(shù),2019,(11):140-143.

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