吳清曉

（海南廣播電視總臺，海南 ?？?570100）

0 引 言

超高清視頻產業(yè)是近年來國家、社會及企業(yè)普遍關注的信息化建設內容。工業(yè)和信息化部和國家廣播電視總局等部門于2019年發(fā)布的《超高清視頻產業(yè)發(fā)展行動計劃（2019—2022年）》明確指出，加快發(fā)展超高清視頻產業(yè)，對滿足人民日益增長的美好生活需要、驅動以視頻為核心的行業(yè)智能化轉型以及促進我國信息產業(yè)和文化產業(yè)整體實力提升具有重大意義。超高清視頻產業(yè)是產業(yè)生態(tài)發(fā)展的核心內容。在國家政策和行業(yè)發(fā)展的引導與刺激下，各地區(qū)的廣播電視媒體開始探索基于超高清技術的播出系統(tǒng)及其應用模式，逐步提出了打造4K超高清播出系統(tǒng)的設想和具體方案。

1 4K超高清播出系統(tǒng)概述

4K超高清播出系統(tǒng)是圍繞電視節(jié)目播出方式和效果進行的技術性革新［1］。近年來，廣東廣播電視臺和廣州市廣播電視臺等電視臺的系統(tǒng)應用實踐表明，該類播出系統(tǒng)具有高清晰度、高動態(tài)范圍及圖像還原更真實等特點。

1.1 高清晰度

超高清是4K超高清播出系統(tǒng)的顯著特點。高清晰度體現(xiàn)在畫面具有較高的分辨率。4K超高清播出系統(tǒng)的分辨率效果可以達到3 840×2 160，顯示的像素點數(shù)是HD高清的4倍，且可以實現(xiàn)最低50幀的逐行掃描，最高可達100～120幀［2］。4K超高清播出系統(tǒng)的高清晰度和高幀頻特點能夠極大地改善電視節(jié)目的播出效果，增強觀眾的觀看體驗。

1.2 圖像還原更真實

與傳統(tǒng)標清（Standard Definition，SD）和高清（High Definition，HD）的色域范圍相比，4K超高清播出系統(tǒng)的色域范圍可以達到Rec.2020標準。基于4K超高清播出系統(tǒng)的UHDTV超高清電視的色域相比基于HD高清電視的色域范圍有了更大的擴充，提升了畫面的色彩豐富度，使電視節(jié)目中的圖像呈現(xiàn)更加接近真實環(huán)境［3］。例如，在使用基于4K超高清播出系統(tǒng)的電視收看足球比賽時，觀眾可以明顯區(qū)分球員衣服上的紅色與現(xiàn)場LED顯示屏上紅色的深淺度。

1.3 高動態(tài)范圍

4K超高清播出系統(tǒng)使用4K高清標準動態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR），可以顯示出超高清的圖形。播出系統(tǒng)的帶寬從原來的HD 3 GB提升到了4K超高清的12 GB，使得電視信號的傳輸網絡更加暢通、快速，增加了動態(tài)畫面的傳遞效果。

1.4 功能強大

4K超高清播出系統(tǒng)不僅具有節(jié)目播出功能，而且具有內容編輯的功能。例如，基于4K超高清播出系統(tǒng)組建的超高清IP電視具有強大的兼容性和靈活的輸入輸出特性［4］，支持基帶數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）信號、IP流上的基帶SDI以及IP流上的壓縮域傳輸流（Transport Stream，TS），用于實時的電視信號輸入與輸出，從而為相關工作人員提供內容編輯功能。

2 4K超高清播出系統(tǒng)的設計思路

圍繞超高清播出功能的實現(xiàn)，4K超高清播出系統(tǒng)進行了一系列技術迭代升級，以提升電視播出的整體效果。結合目前一些地區(qū)的相關實踐來看，超高清播出系統(tǒng)的設計主要遵循以下思路。

2.1 播出系統(tǒng)功能的設計

4K超高清播出系統(tǒng)主要包括播控、總控、編單、整備、傳輸、監(jiān)管及輔助7個子系統(tǒng)。其中，播控子系統(tǒng)處于核心地位，與其他6個子系統(tǒng)保持交互關系，保證系統(tǒng)的有序運行和節(jié)目的順利播出?？偪刈酉到y(tǒng)與播控子系統(tǒng)連接，向播控子系統(tǒng)傳輸4K視音頻信號；編單子系統(tǒng)主要承擔電視節(jié)目單的編輯和審核，并為播控子系統(tǒng)自動切換播出素材與疊加臺標角標提供相應參考［5］；整備子系統(tǒng)主要負責按照節(jié)目單的編排內容進行相關文件的遷移，并對素材與外來文件進行相應的編輯和存儲操作，確保素材滿足節(jié)目單的內容編排要求；傳輸系統(tǒng)主要負責播控系統(tǒng)與下游傳輸單位之間進行信號交互，確保節(jié)目傳送到終端用戶；監(jiān)管系統(tǒng)對播控系統(tǒng)的運行情況進行監(jiān)測，實時掌握超高清系統(tǒng)設備的運行狀況，并及時進行播出系統(tǒng)、硬件設備以及信號傳輸系統(tǒng)的故障運維；輔助系統(tǒng)對播控系統(tǒng)的運行日志內容進行交互，確保播控系統(tǒng)相關記錄的存儲與管理。

4K超高清播出系統(tǒng)的7個子系統(tǒng)相互協(xié)作，共同完成節(jié)目播出。4K超高清播出流程如圖1所示。

2.2 播出系統(tǒng)技術路線的設計

4K超高清播出系統(tǒng)主要通過4路3G-SDI基帶系統(tǒng)對視音頻鏈路進行設計，并配備All in One視頻服務器與倒換器，使系統(tǒng)具備硬盤播出和線路直播等功能。同時，設計者可以為系統(tǒng)配置相應的同構主備播出視頻服務器和異構二備視頻服務器，采用多路備份使系統(tǒng)在運行過程中具有強大的容錯處理能力［6］。系統(tǒng)運行時配備有在線監(jiān)測設備，監(jiān)測和控制系統(tǒng)的視音頻鏈路的實時運行狀況，以及時發(fā)現(xiàn)和處置系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，保證系統(tǒng)正常運行。

圖1 4K超高清播出流程

3 4K超高清播出系統(tǒng)設計需要注意的問題

近年來，部分廣播電視臺基于4K超高清播出系統(tǒng)的功能及使用路徑規(guī)劃，探索構建了以時碼控制技術、4K凈切換技術以及4K畫面一致性比對技術等為關鍵技術的4K超高清播出系統(tǒng)，為電視播出質量和效果的提升提供了技術性支持。但是，由于系統(tǒng)設計和研發(fā)尚處于深入探索階段，缺乏成熟的模式和完備的技術，因此在實際的系統(tǒng)設計與構建過程中經常會遇到難題。具體來說，當前4K超高清播出系統(tǒng)設計需要注意以下兩方面。

3.1 注重技術兼容性

4K超高清播出系統(tǒng)是對原有廣播電視播出系統(tǒng)進行的技術性改革與性能提升，使電視節(jié)目在清晰度和觀看體驗等方面有了明顯提升。4K超高清播出系統(tǒng)的設計、研發(fā)及使用，需要有相應的硬件和軟件設施作為支持。如果僅播出系統(tǒng)實現(xiàn)了超高清升級，而廣播電視接收終端未進行設備升級，則播出系統(tǒng)發(fā)出的信號內容無法被用戶的廣播電視接收終端高質量地接收和播放，導致4K超高清播出系統(tǒng)的真實使用效果大打折扣。因此，4K超高清播出系統(tǒng)的設計要立足當前多數(shù)廣播電視用戶的信號接收路徑和終端設備性能，以現(xiàn)有性能為基礎進行系統(tǒng)設計和研發(fā)，協(xié)調上游制作單位和下游傳輸單位共同參與，確保最終研發(fā)與應用的系統(tǒng)能夠符合多數(shù)廣播電視用戶的節(jié)目收看方式，避免技術不兼容造成播出系統(tǒng)應用低效的問題。

3.2 提升系統(tǒng)的故障預警處置性能

4K超高清播出系統(tǒng)由承擔不同功能的多個子系統(tǒng)構成，且子系統(tǒng)之間是交互關系。這意味著任何一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，雖然不會必然導致整個播出系統(tǒng)出現(xiàn)故障，但不可避免會對超高清播出系統(tǒng)的正常運行造成影響。同時，超高清播出系統(tǒng)的實現(xiàn)有賴于各種類型技術設備的支持，如設備自身的性能和運行周期決定了其發(fā)生故障的概率。因此，在4K超高清播出系統(tǒng)設計過程中，要注意打造超高清播出系統(tǒng)的故障防范性能，使系統(tǒng)具備故障預防、故障報警以及故障反饋與處理等功能，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。當前的技術水平尚難以完全實現(xiàn)播出系統(tǒng)故障的自動化識別和處置，技術人員更多是通過系統(tǒng)報警來發(fā)現(xiàn)可能的故障點，進而進行現(xiàn)場故障排查與修復。這要求廣播電視播出單位要積極儲備與4K超高清播出系統(tǒng)相匹配的專業(yè)技術人員，以及時發(fā)現(xiàn)、分析及解決系統(tǒng)運行時的故障問題。

4 結 語

4K超高清播出系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)播出系統(tǒng)的相關技術提出的性能更高的技術類型。盡管目前我國已在國家層面開始大力推廣4K超高清業(yè)務，但廣播電視播出系統(tǒng)方面的研究與實踐尚處于起步階段。4K超高清播出系統(tǒng)具有的高幀率、高分辨率及全景聲等突出特點，將使其成為增強電視媒體傳播力和傳播效果的關鍵技術要素。在實際的4K超高清播出系統(tǒng)設計中，相關主體既要結合用戶的超高清體驗需求和信號接收路徑與方式開發(fā)超高清播出系統(tǒng)，也要注重系統(tǒng)的兼容性和故障預警處置性能的提升，使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定和安全。