高 宇

（北京廣播電視臺，北京 100022）

0 引言

計算機仿真技術的發(fā)展讓VR 全景視頻成為觀眾進行新型賽事體驗的渠道。觀眾不僅可以觀看更具空間效果和立體效果的視頻，還能在仿真空間下體驗虛擬的現(xiàn)實場景，沉浸式地體驗運動的樂趣。在2016 年的里約奧運會播出平臺中，NBC、CBC及BBC 等電視臺就已經(jīng)推出了體育賽事的VR 觀看客戶端，甚至在進行轉(zhuǎn)播時，專門設計了針對整個賽事流程的VR 組件，實現(xiàn)了對某些體育項目的VR全景播放，大大提高了觀眾的臨場體驗感。同時，伴隨VR 技術的發(fā)展和用戶數(shù)量的不斷擴大，很多移動智能終端和社交媒體平臺都推出了VR 視頻的播放功能，以適應越來越多的VR 視頻內(nèi)容的發(fā)布和觀看需求。VR 全景視頻的制作和傳輸需要更先進的移動通信技術的支持，5G 技術的網(wǎng)絡能力能夠充分滿足VR 視頻制作和傳輸?shù)臉I(yè)務場景。

1 5G 技術對VR 內(nèi)容生產(chǎn)的主要作用

1.1 為用戶的觀看提供強大的寬帶支持

5G 通信技術可以提供超過1 Gb·s-1的帶寬，從而滿足每個用戶的VR 視頻觀看需求和體驗。理論上來說，在1 km2內(nèi)，5G 技術條件下的寬帶速度能夠滿足幾萬名用戶的高清VR 視頻觀看需求。如果視頻的碼率較低，則可以支持更多用戶的觀看需要。

1.2 減少用戶觀看視頻的時空限制

盡管目前VR 視頻的主要觀看場景仍然較為固定，但隨著網(wǎng)絡的發(fā)展和移動智能終端功能的完善，在乘車、運動等碎片化的時間中，用戶有了越來越多的VR 視頻觀看需求。傳統(tǒng)網(wǎng)絡在行駛的車輛、偏遠的高山等地信號較差，無法滿足VR 視頻的傳輸和觀看，甚至普通視頻的觀看也會出現(xiàn)卡頓和延遲[1]。5G 網(wǎng)絡的高移動性能夠有效解決網(wǎng)絡信號和網(wǎng)速的問題，從而有效滿足不同時空中用戶的視頻觀看需求。

1.3 保障高碼率VR 視頻的直播采集

VR 視頻的采集需要使用專門的VR 攝像機。在傳統(tǒng)的VR 視頻制作中，為了保障視頻的高畫質(zhì)和高碼率，一般采用轉(zhuǎn)播車進行視直播采集的保障。伴隨著5G 的發(fā)展和相關配套技術產(chǎn)品的使用，高碼率的VR 視頻采集可以通過移動攝像機、無人機等設備經(jīng)5G 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，而且5G 網(wǎng)絡的高移動性和帶寬支持能夠保障視頻采集和傳輸?shù)牧鲿承浴＿@讓現(xiàn)代體育賽事的VR 視頻采集和傳輸變得更加快捷，也大大降低了直播的成本，提高了視頻直播的靈活性。

2 5G+VR 電視制播技術的系統(tǒng)設計

我國的5G技術作為一項重要的國家發(fā)展戰(zhàn)略，技術水平位居世界前列。根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《2021 年通信業(yè)統(tǒng)計公報》，截至2021 年年底，我國的5G 基站超過142 萬個，覆蓋了90%以上的城區(qū)和40%以上的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，用戶規(guī)模達到4.5 億。5G技術的進步和基礎設施建設的推進，給我國體育賽事電視制播技術的更新發(fā)展提供了有利條件[2]。中央廣播電視總臺CCTV 進行了多次5G 環(huán)境下的VR 視頻信號的采集、數(shù)據(jù)的傳輸以及遠程制作的試驗，對5G+VR 在技術適配和業(yè)務流程方面進行了針對性的探究和完善。2021 年，作為第十四屆全國運動會（以下簡稱全運會）官方合作伙伴，中國電信在5G+云網(wǎng)技術的支撐下，能夠為觀眾提供“自由視角觀賽、多視角觀賽以及VR 直播觀賽”3 種觀賽模式。中國移動基于5G+AI+VR 等新技術，量身定制包括自由視角、VR 直播、多視角三種智慧觀賽模式，在第十四屆全國運動會期間提供了7 場比賽直播。本文將以此次體育賽事為例，系統(tǒng)闡述5G+VR 電視制播技術的系統(tǒng)方案設計。

2.1 前期準備

第十四屆全國運動會的VR 制作雖然已經(jīng)有不少參考，但仍處于探索和優(yōu)化階段。因此，前期進行了充分的方案設計準備工作。其中，主要是對5G+VR 視頻制播的方式進行了設計。技術團隊首先了解了本次運動會的比賽場館和項目。本次賽事共計有陜西奧體中心體育館、韓城西安交大基礎教育園區(qū)體育館、商洛市體育館等53 個場館。主會場為陜西省奧體中心體育館，位于陜西奧體中心南區(qū)，全運會的開閉幕式都在這里舉行。由于疫情防控和其他因素，第十四屆全運會場館較多，且場館和賽事多樣，要實現(xiàn)全景式的VR 視頻呈現(xiàn)難度較高，因此只能采用小型化和靈活度較高的移動設備進行數(shù)據(jù)采集單元的覆蓋。

在全運會開始之前，為了保障賽事的實時轉(zhuǎn)播，通信運營商搭建了多個5G 基站，覆蓋了主要的比賽場館和重點區(qū)域。中國移動和中國電信的VR 視頻技術小組把VR 攝像機與5G 網(wǎng)絡接入、綁定，組成了多個移動的VR 采集單位，實現(xiàn)了信號源部分的高效采集。同時，為了滿足多個場館賽事的直播需求，將VR 視頻的切換、編輯及編碼推流系統(tǒng)集中設置在陜西國際體育之窗的賽事指揮中心，從而保障賽事的VR 視頻直播能夠集中進行切換和編輯制作。全運會賽事指揮中心在國內(nèi)大型賽會轉(zhuǎn)播中也是第一次實現(xiàn)在廣播電視中心搭建融媒體指揮調(diào)度中心，第一次大規(guī)模使用4K/8K 技術進行直播，第一次大規(guī)模使用云計算技術、5G 技術進行轉(zhuǎn)播。

2.2 系統(tǒng)方案設計

整個系統(tǒng)包括信號的回傳、制作協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及直播推流等多個模塊。整個系統(tǒng)是以壓縮的視頻流為核心的IP 化架構。

2.2.1 VR 信號采集回傳

信號采集回傳是拍攝工作的主要任務。為了能夠靈活地在多個大型體育場館中實現(xiàn)盡可能多的視頻信號拍攝和傳遞，所采用的攝像機主要是便于攜帶的一體式VR 全景攝像機。這種攝像機相比于組合的獨立攝像機在體積和重量上都更具優(yōu)勢，而且能夠一次性完成針對所有鏡頭的參數(shù)調(diào)校。相機內(nèi)部的陀螺儀能夠有效確保畫面的穩(wěn)定性，內(nèi)置的拼接和變化模塊還能高效地完成高清視頻的輸出。

2.2.2 流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器

一體式的VR 拍攝設備既能滿足VR 視頻制作和觀看的專業(yè)需求，也能面向一般的視頻制作和觀看需要，因此其內(nèi)置的編碼模塊雖然可以進行高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）壓縮，但輸出的視頻流還是實時消息傳輸協(xié) 議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）或 者基于HTTP 的自適應碼率流媒體傳輸（HTTP Live Streaming，HLS）協(xié)議。對于廣電媒體制作機構來說，通過網(wǎng)絡完成高質(zhì)量視頻的回傳，通常采用的是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP），因此需要在后方專門為視頻流的中轉(zhuǎn)配置一套具有流媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能的服務器，來實現(xiàn)從RTMP 協(xié)議到UDP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

2.2.3 制作協(xié)議轉(zhuǎn)換服務器

在本次協(xié)議轉(zhuǎn)換服務器的制作中，為了實現(xiàn)在千兆級別的轉(zhuǎn)換機上進行高碼率內(nèi)容的制作，VR切換制作系統(tǒng)設計采用的是網(wǎng)絡設備接口（Network Device Interface，NDI）協(xié)議。在制作協(xié)議轉(zhuǎn)換服務器上安裝的VLC 串流軟件從流媒體服務器獲取UDP 單播流，然后將其轉(zhuǎn)化成NDI 流信號[3]。

2.2.4 VR 切換制作

VR 切換制作方面采用的是切換設備。這種設備采用的是一種面向局域網(wǎng)進行視頻信號傳輸?shù)拈_放性協(xié)議，對局域網(wǎng)的要求更低，視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量更高，還能有效提升信號傳輸效率，也減少了布線工作的難度和強度，實現(xiàn)切換制作系統(tǒng)的快速部署，在使用中更加靈活。VR 前景視頻的分辨率一般是2 ∶1 的畫幅比例，為了能夠與廣電制作系統(tǒng)兼容，VR 攝像機可以采用16 ∶9 的畫幅進行高清視頻的輸出，然后在播放器端完成畫幅的調(diào)整。當前NDI協(xié)議已經(jīng)能夠支持超高清的4K 信號傳輸，來降低信號傳輸?shù)难訒r，并保證VR 視頻信號的清晰度。

2.2.5 編碼推流發(fā)布

NDI 切換制作系統(tǒng)輸出的4×3G SDI 信號接入專用的編碼器設備。編碼器壓縮編碼輸出UDP 組播流，通過專線網(wǎng)送到賽事指揮中心的新媒體內(nèi)容集成發(fā)布平臺完成信號的分發(fā)。新媒體客戶端以及第三方直播平臺從新媒體集成發(fā)布平臺拉流，獲取VR 直播信號。

2.3 核心設備選擇

2.3.1 采集端攝像機的選擇

在視頻采集板塊，所需要的核心設備是VR 攝像機。為了方便部署和視頻采集，制播系統(tǒng)方案設計主要選擇的是一體化的全景攝像機。目前，隨著VR 視頻的發(fā)展和市場需求的擴大，VR 全景攝像機的品牌和種類繁多，功能和性能也各不相同。但適合體育賽事轉(zhuǎn)播需求的VR 攝像機有著更高的技術指標要求。為了方便前期調(diào)試和后期制作的統(tǒng)一處理，攝像機的鏡頭結構需要等距同心鑲嵌，鏡頭的感光元件也需要是同一品牌的集成。為了適應比賽中的運動需求，攝像機還需要有強大的防抖功能，拍攝視角也需要進行多樣的變化。在內(nèi)置軟件和功能方面，要具備多鏡頭聯(lián)動協(xié)調(diào)曝光功能，以保證高光比環(huán)境下鏡頭間的曝光呈線性遞增或遞減，同時支持直方圖實時監(jiān)看，從而讓曝光指數(shù)能夠迅速實現(xiàn)數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)[4]。

2.3.2 制作端的IP 化視頻流切換臺

制作端的核心設備是IP 化視頻流切換臺，其中包含VR 視頻制作中多機位切換的關鍵技術。采用NDI 視頻流制作協(xié)議，可以同時融合廣電技術和新媒體技術的需求，滿足4×3G-SDI 的4K 基帶信號和IP 化的NDI 流信號的混合處理，保障電視和新媒體的VR 視頻直播需求。全運會的VR 切換系統(tǒng)架構包括了支持4×3G-SDI 基帶信號輸入的I/O 模塊、監(jiān)看大屏、交換機以及NDI 切換臺。這一切換系統(tǒng)滿足了體育賽事制播的多樣功能需求，比如畫面的分割、字幕的添加以及圖文的包裝等。

3 5G+VR 電視制播技術的應用

在第十四屆全運會期間，并非所有的比賽都采取了5G+VR 電視制播技術。主要對一些適合利用VR 攝像機拍攝和觀眾比較關注的賽事進行VR 全景直播，如乒乓球、跳水、游泳等項目。在跳水比賽項目中，VR 攝像機的位置設定與傳統(tǒng)的攝像機機位設定有很大的差異，需要讓攝像機盡量靠近比賽區(qū)域，這樣才能讓受眾在觀看VR 視頻時產(chǎn)生更強的臨場感[5]。因此，技術團隊在泳池的觀眾席和泳池邊各設置了一臺VR 攝像機，呈現(xiàn)跳水比賽區(qū)域的俯視全景視角和近距離觀察比賽現(xiàn)場的近景視角。特別是近景視角的設置，結合VR 眼鏡等觀看設備，可以讓觀眾有更強的現(xiàn)場觀看感。

在VR 視頻的點播制作方面，采集端使用的是超高清VR 攝影機采集的全景畫面，利用編碼服務器對視頻信號進行IP 化的視頻流壓縮，通過CPE 等5G 終端設備把視頻流傳輸至視頻流切換臺，然后進行適合新媒體平臺的調(diào)色、包裝、字幕制作等程序，最終把信號傳輸?shù)叫旅襟w平臺進行播出。這些視頻的內(nèi)容比較豐富，包括了比賽的實況、賽事的花絮等短片，通過全運會的短視頻平臺線上播出。

4 結語

信息技術革命讓互聯(lián)網(wǎng)和移動智能終端深入到現(xiàn)代社會的方方面面，并形成了多樣化的新媒體形態(tài)，對傳統(tǒng)的廣播電視媒體造成了強大的沖擊。新媒體在內(nèi)容制作、觀看方式等方面都更能滿足現(xiàn)代受眾的多樣化需求。在5G 技術和VR 技術持續(xù)發(fā)展的背景下，VR 視頻的制作和播放日益成為體育賽事電視制播技術的發(fā)展方向。在5G網(wǎng)絡支持下，VR 視頻制作能夠同時滿足電視端和新媒體端的播放需求，對傳統(tǒng)媒體的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的推動意義。在我國，以中央電視臺為代表的電視制播平臺已經(jīng)逐步加快了對VR 制作體系的研究和探索，并對5G+VR 的制播技術進行了有益的嘗試，這為未來體育賽事的更加快捷、高效的制作和更加靈活新穎的播放積累了豐富的經(jīng)驗。5G 技術不是現(xiàn)代通信技術的終點，未來，更加快速穩(wěn)定的技術會繼續(xù)出現(xiàn)，VR視頻制作和播放相關的技術與產(chǎn)品也將更加豐富。作為電視工作者，要不斷關注和嘗試新技術的應用，為賽事轉(zhuǎn)播帶來更流暢的觀看和交互體驗。