畢志剛

（大連新聞傳媒集團，遼寧 大連 116000）

0 引 言

2019年，我國工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局等多部門聯(lián)合發(fā)布超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案，明確制定“4K先行，兼顧8K”的技術(shù)發(fā)展路線，要求各地區(qū)加大超高清播出系統(tǒng)的建設(shè)力度。4K超高清視頻技術(shù)的推廣和應(yīng)用，為廣播電視行業(yè)的制作、采編、播出的進一步發(fā)展提供了巨大的機遇和良好的前景。隨著技術(shù)水平的不斷提高以及相關(guān)支持政策的落實，各地區(qū)4K電視產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)高速、蓬勃發(fā)展態(tài)勢，4K超高清電視深受人們青睞。在這一背景下，廣播電視臺應(yīng)認識到4K技術(shù)的重要性，明確發(fā)展目標(biāo)，不斷優(yōu)化系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)，積極引進先進關(guān)鍵技術(shù)，加大系統(tǒng)建設(shè)力度，為觀眾帶來全新收看體驗，提高整體播出效果。

1 4K超高清音視頻的技術(shù)要求

1.1 更高的清晰度與幀頻

目前，4K超高清音視頻對分辨率的要求為3 840×2 160，約為傳統(tǒng)高清視頻的4倍。同時，4K技術(shù)對幀頻也提出了更高的要求，需要＞50幀的逐行掃描，最高幀頻處于100～120這一區(qū)間內(nèi)。由于幀頻的顯著提升，4K技術(shù)所呈現(xiàn)的畫面更為真實、細膩，同時對用戶帶寬、存儲的要求也明顯提升。

1.2 寬色域

對色域范圍進行分析，通常情況下，標(biāo)準清晰度（Standard Definition，SD）與高清晰度（High Definition，HD）并無明顯差異，兩者均在Rec.709標(biāo)準范圍內(nèi)。而4K超高清音視頻對寬色域提出了更高的要求，其色域范圍遵從Rec.2020標(biāo)準。與高清電視存在明顯差異，4K技術(shù)的應(yīng)用使電視的色域更為寬廣，且顏色類型十分豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)對真實圖像的有效還原，畫面的現(xiàn)實感、真實感明顯增強。

1.3 高動態(tài)范圍

高清電視的動態(tài)范圍也具備明確的標(biāo)準規(guī)定，主要以標(biāo)準尺寸比（SDR）為主要標(biāo)準，對比度為1 000∶1，最高亮度為100 nit。而4K超高清電視對動態(tài)范圍的要求明顯提高，以高動態(tài)范圍（HDR）為主要標(biāo)準，其目標(biāo)在于對瞳孔保持本來狀態(tài)時，對動態(tài)范圍具備的特性進行再現(xiàn)[1]。相較于標(biāo)準尺寸比，高動態(tài)范圍的電視峰值亮度明顯提高，可以對多數(shù)高亮度范圍區(qū)域的色彩層次、灰度進行有效再現(xiàn)。

1.4 三維音頻

4K超高清播出系統(tǒng)對節(jié)目音頻聲也提出了更高的要求，需要其支持立體聲或者5.1的環(huán)繞聲，條件允許的情況下應(yīng)支持三維聲，能夠為觀眾帶來更強的聲音沉浸感，使觀眾具有身臨其境的感覺。三維音頻制作播出格式應(yīng)采用合理的揚聲器聲道布局，確保其聲道信號豐富[2]。

2 4K超高清視頻播出系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計

2.1 規(guī)劃建設(shè)思路

為了進一步提高電視臺節(jié)目的畫面播出質(zhì)量，電視臺應(yīng)嚴格按照國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范，進一步推動4K超高清采集制作、總控播出及互動分發(fā)等系統(tǒng)的建設(shè)，提高有線電視、交互式網(wǎng)絡(luò)電視以及互聯(lián)網(wǎng)電視中超高清播出系統(tǒng)的應(yīng)用頻率，積極引進先進設(shè)施設(shè)備，如超強攝像機、導(dǎo)播臺、手持穩(wěn)定器等，構(gòu)建一套可靠、完善、支持4K HDR全流程節(jié)目制作及直播的演播室。其中，確保HDR的碼率、編碼量化值等參數(shù)滿足運行要求，能夠消除編碼塊效應(yīng)，充分體現(xiàn)視頻圖像的高分辨率、高幀率及寬色域等優(yōu)勢[3]。

2.2 綜合框架

具體設(shè)計規(guī)劃時，應(yīng)遵循簡潔、可靠、高效的設(shè)計原則，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行設(shè)計。4K超高清播出系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，根據(jù)功能對其劃分，具體包括總控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等，滿足上載、傳輸、播出及監(jiān)控等要求，為節(jié)目播出的穩(wěn)定性、安全性及便捷性提供保障。各系統(tǒng)的功能概述如下。

（1）播控系統(tǒng)。播控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，具備電視臺內(nèi)外信號交換、調(diào)度及監(jiān)控等功能，同時能夠與其他子系統(tǒng)的相關(guān)業(yè)務(wù)進行交互。

（2）總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)是電視節(jié)目、頻道信號傳輸?shù)闹匾~帶，能夠向播控系統(tǒng)傳輸滿足要求的音視頻指令，提供多種信號類型，如時鐘信號、同步信號等，為超高清視頻的順利播出夯實基礎(chǔ)。

（3）整備系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備遷移、上載、緩存等諸多功能，能夠為臺內(nèi)各業(yè)務(wù)模塊提供素材交互與處理功能，且支持倒計時、臺標(biāo)、動畫等處理功能；能夠?qū)λ夭倪M行處理和命名，之后生成相應(yīng)的節(jié)目清單，并將其傳輸至主備、二備播出視頻平臺，由此實現(xiàn)全部備播過程。

（4）編單系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于各子系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)位置，具有承上啟下的橋梁、樞紐作用。采用該系統(tǒng)，能夠?qū)?jié)目單、廣告等信息進行編排、核對、傳輸，支持50幀精度。信息傳輸時，以清單的形式將相關(guān)信息傳輸至播控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)合最終獲取的節(jié)目單，實現(xiàn)各類信號的自動化切換。

（5）傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)與編單系統(tǒng)實現(xiàn)信號的有效交互，其作用為與外界聯(lián)系。播控系統(tǒng)對其傳輸信號，傳輸系統(tǒng)再將其輸送至下游單元。

（6）監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備運行、信號交換變化、播出狀態(tài)等參數(shù)進行實時、全方位監(jiān)控，通過音視頻監(jiān)控圖的形式，顯示不同信號檢測點的4K畫面圖像；針對各類信號設(shè)定相應(yīng)的閾值，如果超出閾值，發(fā)生異常，監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)出預(yù)警和提示指令，并將報警數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫。

（7）輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用為日志交互，能夠提供日志及故障信息，可作為分析系統(tǒng)運行情況的參考依據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常問題及時將故障報告給監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 音視頻鏈路

對音視頻架構(gòu)而言，4K超高清播出系統(tǒng)以4路3G-SDI基帶系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)。播控系統(tǒng)結(jié)合播出串聯(lián)單實現(xiàn)對視頻服務(wù)器及末端倒換器的有效控制，自動啟動硬盤播出、線路直播、圖文混合疊加及應(yīng)急切換等功能[4]。

all in one結(jié)構(gòu)是核心服務(wù)器的主要基礎(chǔ)，可以結(jié)合節(jié)目單的要求進行自動播出，根據(jù)具體安排進行一系列操作，如插入廣告、字幕以及臺標(biāo)等，有效處理音頻信號，對音視頻的鏈路結(jié)構(gòu)進行全面優(yōu)化。SDI架構(gòu)是播出系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，根據(jù)標(biāo)清黑場同步，與高標(biāo)清的播出標(biāo)準相同。系統(tǒng)中涵蓋多類視頻服務(wù)器，支持同構(gòu)主備及異構(gòu)二備的播出。前者可采用視頻服務(wù)器實施集群建立，后者則采用單機視頻服務(wù)器建立，不同通道中均能夠有效疊加圖文信息，實現(xiàn)硬盤播出、線路直播等功能。系統(tǒng)還能夠?qū)|片播放器進行合理配置，保證具備臺標(biāo)的緊急墊播信號可以24小時處于穩(wěn)定播出狀態(tài)，為應(yīng)急播出提供信號層面的支持。主備倒換器設(shè)置于鏈路末端，SDI信號對其具有良好的適用性，可以便捷完成換幀級別的轉(zhuǎn)換。

在常規(guī)播出條件下，播出控制設(shè)備對倒換器等設(shè)備進行有效控制，根據(jù)串聯(lián)單完成自動播出。當(dāng)信號出現(xiàn)中斷情況，發(fā)生故障問題，主備路信號檢測后及時倒換。處于應(yīng)急播出狀態(tài)時，工作人員對各類信號進行倒換十分方便，可以一鍵完成相關(guān)操作，實現(xiàn)對視頻服務(wù)器及倒換臺輸出信號的有效監(jiān)控。在線監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對各節(jié)點音視頻信號的有效分析，并檢測主備路呈現(xiàn)是否相同，針對異常狀況實時報警。

3 廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時碼控制技術(shù)

廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)嚴格按照目前行業(yè)標(biāo)準進行規(guī)劃建設(shè)，視頻圖像分辨率為3 840×2 160，幀頻＞50，在此基礎(chǔ)上進行逐幀掃描，滿足4K超高清視頻系統(tǒng)的設(shè)備及圖像質(zhì)量要求[5]。由于過往采用的25p播控技術(shù)已無法滿足目前的要求，對控制邏輯進行適配改造十分必要，要在保證文件碼率格式合理的基礎(chǔ)上，保證播控軟件能夠全面識別節(jié)目單中的50p文件信息。該項技術(shù)的定位更為準確，生成指令更為可靠，通過VDCP協(xié)議便能夠有效傳輸至服務(wù)器端口。服務(wù)器完成軟件信號的接收工作后，對軟件信號中的幀位進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后以標(biāo)準化的文件格式呈現(xiàn)，之后結(jié)合節(jié)目時碼軌道的碼數(shù)以及軟件傳輸?shù)闹噶钸M行幀精度定位，效果確切。

3.2 4K凈切換技術(shù)

4K超高清播出系統(tǒng)采用4路4K信號，所采用的設(shè)備具備4線3G-SDI基帶信號。4K信號的傳輸以Qua-link形式為主，因此能夠有效解決信號凈切換相關(guān)問題。具體配置階段，鏈路的末端采用4臺雙路二選一倒換器，能夠?qū)崿F(xiàn)4路4K信號的有效輸出，且具備多個3G-SDI輸入端口和輸出端口，由4臺3G四選一切換設(shè)備構(gòu)成。設(shè)備具備幀同步功能，支持凈切換，控制系統(tǒng)采用GPI技術(shù)能夠完成4路信號幀精度的凈切換。對GPI切換信號進行傳輸?shù)倪^程中，視頻能夠自動、高效切換，具備較強的鏈路處理能力和先進的算法。音視頻的調(diào)度切換能夠確保畫面無損、隨時切換且標(biāo)準兼容。全部切換信號均能夠滿足幀精度同步的要求，彌補傳統(tǒng)模式下交換矩陣難以進行凈切換的不足。通過對凈切換技術(shù)的合理運用，能夠有效避免系統(tǒng)在頻道切換過程中發(fā)生黑屏、卡頓等問題。工作人員在倒換器中采用幀同步技術(shù)，通過GPI進一步加強對切換指令的控制，實現(xiàn)全部信號的凈切換，確保音視頻的流暢性與高幀率。

另外，對播出系統(tǒng)進行設(shè)計的過程中，GPI與切換面板的連接方式為并聯(lián)，但是GPI所在設(shè)備如果出現(xiàn)短路等故障問題，必然會對切換面板和設(shè)備GPI的關(guān)系造成影響，導(dǎo)致其準確判斷電位水平困難，對凈切換效果造成不利影響。為了改善這一現(xiàn)狀，工作人員可以將信號限流裝置用于系統(tǒng)中，將其設(shè)置在面板和設(shè)備間，保證發(fā)生電路故障時不會對GPI造成影響，為4K超高清播出系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保障。

3.3 畫面一致性比對技術(shù)

過往，廣播電視臺播出系統(tǒng)中，視頻及音頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用內(nèi)核編程接口（Kernel Programming Interface，KPI）對畫面存在的故障問題進行分析。通常情況下，與時間閾值相比，KPI的報警時間延長，因此時效性較差。對此，工作人員在實際設(shè)計階段，需要借助畫面一致性比對技術(shù)對KPI報警的不足進行分析，采取有效的措施進行解決，對各路不同的4K信號進行高效、實時、全方位的收集，結(jié)合現(xiàn)有的真值邏輯強化對信號的監(jiān)控，并形成可靠的判斷依據(jù)，保證4K信號和服務(wù)器與畫面相應(yīng)的輸入要求相符[6]。為了進一步保證連接信號的一致性，需要借助對比儀進行分析，同時連入多個輸入端口，對各路數(shù)字分量串行接口信號進行標(biāo)記，保證信號傳輸邏輯合理、完整。對比的過程中，對于兩路信號相同位置的1/4畫面，設(shè)備可以進行兩兩對比。當(dāng)對比發(fā)現(xiàn)差異顯著，及時進行判斷，也就是說兩路不同的4K信號有所不同。針對3路不同信號，同樣進行兩兩對比?；趯Ω髀?K信號實際參數(shù)的全面分析，為解決相關(guān)問題提供參考依據(jù)。

使用一致性比對技術(shù)時，還需要加強對其運行邏輯的分析。比如，畫面存在單路信號，而信號不一致，不存在報警情況，而輸出信號和某路備選畫面一致，則需要進行不切換操作；而畫面為單路信號，內(nèi)容不同，輸出信號與其他各路畫面不同，無報警情況，應(yīng)進行不切換操作；當(dāng)畫面為三路不同，且輸出信號無報警情況，需要操作為不切換；當(dāng)畫面三路不同，輸出信號存在報警情況，應(yīng)結(jié)合規(guī)定的優(yōu)先級切換至另一路畫面。

4 結(jié) 語

4K超高清播出系統(tǒng)對清晰度、幀頻、三維音頻等方面提出了更高的要求，系統(tǒng)的設(shè)計要點繁多，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。廣播電視臺應(yīng)加強對各類關(guān)鍵技術(shù)如時碼控制技術(shù)、4K凈切換技術(shù)以及畫面一致性比對技術(shù)等的利用，為系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用提供技術(shù)保障，為廣大觀眾提供全新的觀看體驗。