唐智廣

（安徽廣播電視臺，安徽 合肥 230000）

0 引 言

4K超高清電視相比以往的2K電視不僅分辨率更高，而且在高帶寬及先進的播控技術(shù)的加持下能夠進一步提高節(jié)目播出的流暢度，帶給觀眾更好的視聽體驗。在4K應(yīng)用中，由于SDI基帶信號在電視播放方面存在不足，所以加快推進IP流播放成為現(xiàn)實所需。這需要充分考慮其應(yīng)用需求，同時加強新技術(shù)的應(yīng)用。筆者結(jié)合自身經(jīng)驗作以下分析和探討，以供相關(guān)參考。

1 4K超高清電視及其技術(shù)特點

1.1 基本概念

4K是一種被廣泛應(yīng)用于電視和手機等行業(yè)的高清顯示技術(shù)。4K電視配置了超高清（Ultra High Definition，UHD）顯示屏即UHDTV，其水平清晰度為3 840像素，垂直清晰度為2 160像素，物理分辨率也達到這個標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.2 技術(shù)特點

一是擁有更高的分辨率。4K分辨率可以細分為電影4K，標(biāo)準(zhǔn)分辨率為4 096×2 160，是高清分辨率1 920×1 080的4倍。

二是色域更寬，顏色更豐富。4K超高清電視采用ITU-R BT.2020色域，其色彩空間達到了顯示設(shè)備中最大，覆蓋了CIE1931的75.8%，白點色溫D65（6 500 K）。

三是幀率更高。電視機的幀率越高，其呈現(xiàn)的畫面播放流暢度和逼真度就越高。中國PAL-D/K制式的電視幀率為25 f·s-1，通常兩場為一幀，每秒50場；NTSC（美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會）的標(biāo)準(zhǔn)為30 f·s-1，每秒60場[2]。

四是高量化色彩和高保真音頻。相比于以往高清8 bit，4K超高清電視采用單通道10 bit整型數(shù)據(jù)量化，使得輸出的顏色更加豐富飽滿并且色階過渡的流暢性也更好。4K超高清電視使用5.1或7.1聲道，聲音的還原度非常高，音質(zhì)效果更好。

五是高動態(tài)范圍及高帶寬。相比高清電視，4K超高清的亮度空間由標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR）升級為高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR），亮度從最高100尼特升為1 000～10 000尼特。帶寬從高清的3 Gb升級為12 Gb，使得信號傳輸更具時效性。

2 IP流用于4K超高清電視播放的優(yōu)勢

2.1 安裝及維護簡便

一方面，與高清SDI相比，4K超高清IP化播出系統(tǒng)的彈性更大，它可以直接利用通用IT基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化環(huán)境，搭建私有云播出分發(fā)平臺，借助這一平臺管理工具實現(xiàn)播放工作的彈性部署和集中管理，減少重復(fù)建設(shè)而保證經(jīng)濟性[3]。另一方面，超高清IP化可以基于軟件定義，通過嵌入軟件來替代一些傳統(tǒng)設(shè)備，軟件的配置和調(diào)試也很簡單。

2.2 服務(wù)器兼容性強

基于軟件編解碼的IP化播出視頻服務(wù)器有著更好的兼容性，它支持多種類型的輸入輸出接口，可以滿足多種形式的信號傳輸需求，如基帶SDI信號、基帶SDIoverIP流、壓縮域TSoverIP流等，能夠保證這些信號及時、有效的高質(zhì)量傳遞。

2.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計優(yōu)勢在于既便于集中處理軟件升級、設(shè)備增補等工作，也可以更加靈活地進行帶寬、存儲量及音視頻I/O端口及數(shù)據(jù)格式的調(diào)節(jié)和擴展[4]。另外，IP化播出系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)各種控制命令，將控制網(wǎng)和視頻傳輸網(wǎng)分別組網(wǎng)，如此IP化播出控制無需點對點布線，也能做到有效管理。

3 基于IP流播出的4K超高清電視播控要求及技術(shù)措施

3.1 播控要求

3.1.1 要求SDI基帶信號的IP化升級

從上述分析可知，SDI基帶信號由于自身存在局限，已經(jīng)不能滿足4K超高清信號的傳輸和播放要求，但可以通過對其音頻信號的IP化升級來彌補。

3.1.2 要重視信號同步及校時問題

信號不同步是影響電視節(jié)目播出質(zhì)量的重要因素，在以往的基帶信號中，同步信號的主要呈現(xiàn)形式為數(shù)字視頻信號或模擬視頻信號[5]。然而，在IP化4K播出系統(tǒng)中，同步信號也是IP形式，因此在這種播放模式下就不得不同時關(guān)注校時問題。

3.1.3 要提高播出的安全保障

IP流4K超高清播出，需要有一個完整的系統(tǒng)設(shè)計保障，才能確保電視節(jié)目的播出質(zhì)量和信息安全。進行4K超高清IP化播出平臺建設(shè)時，最好優(yōu)先選用技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的常規(guī)化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，同時還要建立對應(yīng)的糾錯和容錯機制，提高播出系統(tǒng)的容災(zāi)保護能力，以便有效防控和處理某些突發(fā)性問題。

3.2 相關(guān)技術(shù)措施

基于上述要求，為滿足IP化4K超高清播出，需要采用多種技術(shù)措施，主要體現(xiàn)如下。

3.2.1 SDI基帶信號IP化

根據(jù)IP流的播出流程，進入播控系統(tǒng)后的無壓縮視音頻SDI基帶信號，也會被轉(zhuǎn)化為IP數(shù)據(jù)流，即SDI over IP。該轉(zhuǎn)化過程是一個綜合性操作過程，主要涉及實時信號處理、傳輸及網(wǎng)絡(luò)交換等環(huán)節(jié)工作，支持該轉(zhuǎn)化實現(xiàn)的設(shè)備工具和技術(shù)主要有SDI與IP化的相互轉(zhuǎn)化工具如信號轉(zhuǎn)化器、IP網(wǎng)關(guān)板卡、IP路由切換調(diào)度等，用以支持SDI基帶信號與IP化數(shù)據(jù)流之間的靈活轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)在IP矩陣內(nèi)以幀為單位的IP視頻的無縫切換；當(dāng)需要進行終端輸出時，IP信號又被重新轉(zhuǎn)換為基帶信號。

3.2.2 IP系統(tǒng)同步鎖相

在電視系統(tǒng)中，信號同步是基本要求，因為任何兩個以上的信號只有保持同步才能實現(xiàn)信號的有效轉(zhuǎn)化和混合。以往電視播出系統(tǒng)為實現(xiàn)信號同步，多采用BB黑場信號，通過相位檢測產(chǎn)生加減信號，并利用這一加減信號調(diào)節(jié)同步振蕩器，以此實現(xiàn)同步，或使用三電平變頻器進行調(diào)控。IP流4K超高清播出系統(tǒng)使用的是更加先進的PTP精準(zhǔn)時間協(xié)議。該協(xié)議基于網(wǎng)絡(luò)的主-從模式，主從PTP同步發(fā)送和接收信號，從而有效解決局域網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備之間的同步定時問題，保證播出過程中頻率、時間、視音頻幀等信號的精準(zhǔn)同步。

3.2.3 IP流調(diào)度矩陣

為充分發(fā)揮IP流調(diào)度矩陣的優(yōu)勢，必須加強其工作期間的安全保障，包括主備并行工作、從系統(tǒng)集群及斷電直通等?？梢圆捎靡韵聝煞N技術(shù)措施。

其一，在正常運行狀態(tài)下，應(yīng)該提前配置好用于斷電直通時輸出的對應(yīng)缺省輸入流地址和端口號，如圖1所示，最初從交換機1輸入到流矩陣網(wǎng)口1的源節(jié)目流，在經(jīng)過流矩陣調(diào)度切換后，又從網(wǎng)口2輸出至交換機2。

圖1 IP流調(diào)度矩陣調(diào)度圖

其二，斷電直通網(wǎng)卡在矩陣操作系統(tǒng)崩潰、設(shè)備掉電等問題出現(xiàn)的同時會收到系統(tǒng)指令，同步開啟自動檢測功能并建立斷電直通鏈路。如圖2所示，交換機1傳入的信號經(jīng)過斷電直通卡被直接傳輸給了交換機2，即便發(fā)生設(shè)備崩潰或軟件故障，也不會對信號傳輸造成影響。

圖2 IP流調(diào)度矩陣在故障情況下的調(diào)度

3.2.4 SDN管理

軟件定義網(wǎng)絡(luò)簡稱SDN，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的實現(xiàn)形式之一，其技術(shù)原理是通過分離數(shù)據(jù)面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面，以達到靈活控制網(wǎng)絡(luò)流量的目的。SDN是整個4K超高清電視IP化架構(gòu)的核心組成部分，具備預(yù)警、告警、故障分析等多種功能。利用SDN管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)備在運行過程中的狀態(tài)進行跟蹤監(jiān)控，及時調(diào)整配置和實施維護等操作，讓整個運維流程變得簡單和智能化，從而切實保證播控系統(tǒng)運行的安全性和高效率。

4 結(jié) 語

隨著社會的發(fā)展，觀眾對廣播電視服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，廣播電視也面諸多新的挑戰(zhàn)。在此背景下，廣播電視行業(yè)唯有不斷提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化服務(wù)供給，才能更好地適應(yīng)新時代、新廣電的發(fā)展要求。就現(xiàn)階段技術(shù)而言，電視臺基礎(chǔ)架構(gòu)IP化就是一個有效的突破口。當(dāng)前，技術(shù)層面已經(jīng)能夠支撐基于IP流的4K超高清電視播控工作，但其穩(wěn)定性和先進性還需要進一步加強，后續(xù)探索的空間還比較大。