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        基于IP流播出的4K超高清電視播控探討

        2022-05-25 15:47:08唐智廣
        電視技術(shù) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:基帶斷電高清

        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(jìn)的播控技術(shù)的加持下能夠進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(dá)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(xì)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(dá)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(jī)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(hù)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(jì)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(qiáng)

        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(bǔ)等工作,也可以更加靈活地進(jìn)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(kuò)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(bǔ)。

        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(jìn)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(jī)制,提高播出系統(tǒng)的容災(zāi)保護(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行調(diào)控。IP流4K超高清播出系統(tǒng)使用的是更加先進(jìn)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(qiáng)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)1傳入的信號經(jīng)過斷電直通卡被直接傳輸給了交換機(jī)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(dá)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(yùn)行過程中的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控,及時調(diào)整配置和實施維護(hù)等操作,讓整個運(yùn)維流程變得簡單和智能化,從而切實保證播控系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)性還需要進(jìn)一步加強(qiáng),后續(xù)探索的空間還比較大。

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