田冰

【摘要】本文主要探討了5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代下基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)。通過(guò)對(duì)當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)和超高清視頻技術(shù)的分析，并結(jié)合廣電工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了一些可供參考的技術(shù)思路，以期能夠?yàn)槲磥?lái)更加高清、流暢、智能的視聽(tīng)體驗(yàn)提供理論支持。

【關(guān)鍵詞】5G時(shí)代；廣電工程；高清視頻技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.16.003

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)帶來(lái)怎樣的影響？在視頻領(lǐng)域，超高清視頻技術(shù)可以給人帶來(lái)更加逼真的視覺(jué)感受。但是，要讓大眾可以更加方便地獲取和觀看超高清視頻，則必須依靠廣電工程實(shí)現(xiàn)。如何應(yīng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)和超高清視頻技術(shù)的挑戰(zhàn)，提高廣電工程的質(zhì)量和效率，是當(dāng)前研究面臨的重要問(wèn)題。

1. 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)超高清視頻技術(shù)的挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)作為下一代移動(dòng)通信技術(shù)的代表之一，其速度快、容量大、延遲低等特點(diǎn)極大地促進(jìn)了超高清視頻技術(shù)的發(fā)展。但同時(shí)，也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析

5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高速率、大接入和切片技術(shù)的專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)，為整個(gè)超高清電視的應(yīng)用提供了極好的技術(shù)支撐，成為人們使用網(wǎng)絡(luò)的首選。其中，高速率和低時(shí)延對(duì)于超高清視頻技術(shù)非常重要。高速率可保證視頻數(shù)據(jù)的快速傳輸，而低時(shí)延則能夠提高用戶(hù)與視頻數(shù)據(jù)間的實(shí)時(shí)交互體驗(yàn)。

1.2 超高清視頻技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

超高清視頻技術(shù)是指分辨率超過(guò)1080p的視頻技術(shù)，它包括4K、8K等多種分辨率。與傳統(tǒng)視頻技術(shù)相比，超高清視頻具有更高的畫(huà)質(zhì)、更真實(shí)的色彩和更具影響力的視覺(jué)效果，因此在電視、影院和娛樂(lè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推廣，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注5G在視頻技術(shù)方面的應(yīng)用。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)，超高清視頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用，這不僅提高了視頻觀看體驗(yàn)，而且為視頻行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。

首先，5G網(wǎng)絡(luò)的高速率和低延遲是超高清視頻技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)下，高清視頻已經(jīng)面臨著帶寬瓶頸和延遲問(wèn)題。5G網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)不僅提供了更快的網(wǎng)速和更低的延遲，還實(shí)現(xiàn)了極高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這為超高清視頻技術(shù)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，為超高清視頻的流暢播放和高清晰度帶來(lái)了保障。

其次，5G網(wǎng)絡(luò)的高可靠性和廣泛覆蓋也是超高清視頻技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵條件。隨著5G基站的逐漸建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，越來(lái)越多的地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。這意味著，無(wú)論是城市還是偏遠(yuǎn)地區(qū)，人們都可以享受到超高清視頻技術(shù)帶來(lái)的視覺(jué)盛宴。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的高可靠性保證了視頻播放的穩(wěn)定性和持續(xù)性，為超高清視頻技術(shù)提供了更為安全的網(wǎng)絡(luò)保障。

最后，超高清視頻技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合給各行各業(yè)帶來(lái)了更多的機(jī)遇。在醫(yī)療行業(yè)，超高清視頻技術(shù)可被用于遠(yuǎn)程醫(yī)療和醫(yī)學(xué)教育，讓遠(yuǎn)距離的醫(yī)療服務(wù)變得更加便捷和可靠。在教育行業(yè)，超高清視頻技術(shù)可被用于在線(xiàn)教育和遠(yuǎn)程教學(xué)，為學(xué)生提供更加全面和靈活的學(xué)習(xí)方式。在娛樂(lè)行業(yè)，超高清視頻技術(shù)可被用于虛擬現(xiàn)實(shí)游戲和全景視頻，為用戶(hù)帶來(lái)更加身臨其境的娛樂(lè)體驗(yàn)。

超高清視頻技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，對(duì)于推動(dòng)各行各業(yè)的數(shù)字化發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，具有不可替代的作用。通過(guò)更好地應(yīng)用超高清視頻技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)，我們可以探索更多的機(jī)會(huì)和可能性，開(kāi)創(chuàng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代全新的篇章。

1.3 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)超高清視頻技術(shù)的影響及挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)的高速率和低時(shí)延特性既促進(jìn)了超高清視頻的快速傳輸和實(shí)時(shí)交互，又帶來(lái)了更高的技術(shù)要求。盡管5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬遠(yuǎn)高于4G網(wǎng)絡(luò)，但頻譜資源仍然很有限。超高清視頻需要更高的視頻碼率和更高的畫(huà)質(zhì)，這就需要更大的帶寬，因此需要優(yōu)化視頻編碼等技術(shù)，以更好地利用5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源。同時(shí)，在5G網(wǎng)絡(luò)下，視頻數(shù)據(jù)的傳輸速度將變得更快，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和處理節(jié)點(diǎn)必須做到更快的響應(yīng)速度，以保證視頻數(shù)據(jù)能夠即時(shí)傳輸和處理。這是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，需要更高的技術(shù)水平和更有效的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。5G網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)也需要與超高清視頻技術(shù)緊密結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更好的視頻傳輸質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)。5G網(wǎng)絡(luò)提供的低時(shí)延、高速率等特性，為超高清視頻技術(shù)在移動(dòng)邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片方面的應(yīng)用提供了條件。例如，將視頻數(shù)據(jù)處理分布到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)上，可以更快地響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求，提高用戶(hù)體驗(yàn)；將網(wǎng)絡(luò)切片與超高清視頻技術(shù)相結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最大化利用，提高視頻傳輸質(zhì)量。

2. 基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 廣電工程中的超高清視頻技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

在廣電工程領(lǐng)域，超高清視頻技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。例如，早在2014年，央視就推出了首個(gè)超高清頻道CCTV-4K，實(shí)現(xiàn)了超高清視頻技術(shù)在廣電領(lǐng)域的首次應(yīng)用。此后，隨著技術(shù)的不斷升級(jí)和商用化進(jìn)程的加快，超高清視頻技術(shù)在廣電領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

在5G時(shí)代，隨著視頻內(nèi)容需求的不斷增長(zhǎng)，廣電工程中的超高清視頻技術(shù)變得越來(lái)越重要。實(shí)際上，超高清技術(shù)在廣電中的應(yīng)用已經(jīng)有了很多成功案例和經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)不僅可以幫助電視臺(tái)、電影公司和媒體機(jī)構(gòu)提高節(jié)目品質(zhì)，還可以促進(jìn)視頻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。超高清視頻技術(shù)在廣電工程中的應(yīng)用需要考慮到帶寬和存儲(chǔ)的問(wèn)題。由于超高清視頻的分辨率和比特率都比傳統(tǒng)視頻更高，因此在儲(chǔ)存和傳輸方面需要更高的帶寬和存儲(chǔ)容量。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以采用壓縮技術(shù)來(lái)減小視頻文件大小，比如采用HEVC等高效壓縮技術(shù)，可以有效地降低視頻傳輸?shù)膸捄蛢?chǔ)存空間需求，提高視頻傳輸效率。超高清視頻的拍攝和處理也需要更高的技術(shù)要求。在視頻拍攝方面，需要使用更高分辨率的相機(jī)和拍攝設(shè)備，同時(shí)針對(duì)不同的拍攝環(huán)境進(jìn)行光照和環(huán)境控制，這樣才能拍攝出更高質(zhì)量的超高清視頻。在視頻處理方面，需要使用更高效的GPU加速技術(shù)等來(lái)加速視頻的編碼和解碼，同時(shí)使用顏色校正、鏡頭映射等技術(shù)對(duì)視頻進(jìn)行后期制作和優(yōu)化。

同時(shí)，超高清視頻技術(shù)在廣電工程中還有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，如電視直播、VR體驗(yàn)、電影制作等。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要針對(duì)不同的技術(shù)和需求進(jìn)行合理地選擇和應(yīng)用。

2.2 基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)通常包含三層結(jié)構(gòu)：傳輸層、處理層和應(yīng)用層。

傳輸層是超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的傳輸和接收。該層面對(duì)的主要問(wèn)題是傳輸帶寬和傳輸速率。針對(duì)這一問(wèn)題，可以通過(guò)多路復(fù)用和信道碼率自適應(yīng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶寬的最大化利用和傳輸速率的優(yōu)化；處理層是超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)的核心層，負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的處理和編解碼。該層面對(duì)的主要問(wèn)題是視頻編碼的復(fù)雜度和對(duì)處理器的要求。一些高效的視頻編碼算法和編解碼器的應(yīng)用，可以有效地降低視頻傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)量和帶寬需求以及提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能；應(yīng)用層是超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)的最上層，負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的展示和應(yīng)用。該層面對(duì)的主要問(wèn)題是視頻顯示的質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)。通過(guò)應(yīng)用廣泛、便利的播放器軟件和硬件設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視頻播放和用戶(hù)友好的操作界面。

在5G時(shí)代下，超高清視頻技術(shù)的應(yīng)用需求日益增加，而基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足以下要求：①帶寬需求：超高清視頻的分辨率和比特率都比傳統(tǒng)視頻更高，因此傳輸帶寬也需要更高。所以，超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要將5G技術(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸能力充分利用，提供高速低延遲的視頻數(shù)據(jù)傳輸。②存儲(chǔ)需求：超高清視頻比傳統(tǒng)視頻占用更多的存儲(chǔ)空間。因此，超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要采用更高效的數(shù)據(jù)壓縮模式和存儲(chǔ)技術(shù)，以提高可用存儲(chǔ)空間。③超高清視頻拍攝和處理需求：超高清視頻的拍攝和處理技術(shù)要求更高，需要使用更高分辨率的設(shè)備和更強(qiáng)大的計(jì)算能力。因此，超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需具備高性能的視頻采集和處理能力。

基于以上需求，超清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該采取以下步驟：①基于5G技術(shù)和高效壓縮技術(shù)，構(gòu)建高帶寬、高壓縮比的視頻傳輸方案。采用HEVC等高效壓縮技術(shù)可以提高視頻傳輸效率，為超高清視頻的長(zhǎng)距離傳輸提供技術(shù)保障。②采用高速存儲(chǔ)格式，提高可用存儲(chǔ)空間。例如，NVMe驅(qū)動(dòng)器和高速SAS/SATA陣列可以通過(guò)并行讀/寫(xiě)操作提高存儲(chǔ)性能，并且具有高壓縮比和快速傳輸速度，可為系統(tǒng)提供大容量的存儲(chǔ)空間。③使用基于GPU和FPGA的加速技術(shù)，提高視頻編解碼和圖像處理能力。GPU加速技術(shù)可以提高視頻編解碼能力和圖像處理能力，從而提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。④采用云原生和容器化技術(shù)，使系統(tǒng)具備更強(qiáng)的可擴(kuò)展性。采用容器化技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的部署和管理，同時(shí)可以更好地實(shí)現(xiàn)資源共享和負(fù)載均衡。⑤支持多種操作系統(tǒng)和開(kāi)放接口，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景和需求。例如，支持Windows、Linux和Android等多種操作系統(tǒng)，以及封裝好的API接口和SDK工具，提高系統(tǒng)的通用性和易用性。

2.3 基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)應(yīng)用案例分析

北京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式的超高清視頻傳輸就是一個(gè)典型的基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)應(yīng)用案例。

北京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式是一個(gè)高規(guī)格、高標(biāo)準(zhǔn)的綜合性大型活動(dòng)，對(duì)視頻傳輸?shù)募夹g(shù)和設(shè)備有極高的要求。為了滿(mǎn)足4K超高清視頻直播的需求，北京奧運(yùn)會(huì)采用了先將4K信號(hào)在轉(zhuǎn)播中心進(jìn)行編碼，再通過(guò)10G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鲿?huì)場(chǎng)，最終由主會(huì)場(chǎng)投影儀直接播出的方案。該方案的優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)將4K信號(hào)在轉(zhuǎn)播中心進(jìn)行編碼，可以降低傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)量，并且保證傳輸過(guò)程中視頻信號(hào)的質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)10G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞剑梢詽M(mǎn)足超高清視頻傳輸?shù)膸捫枨?，并且具有較高的實(shí)時(shí)性能。最終，通過(guò)主會(huì)場(chǎng)投影儀直接播出，確保了觀眾看到的畫(huà)面質(zhì)量完美，并且具有高度的真實(shí)感和沉浸感。這一方案的成功應(yīng)用，充分證明了超高清視頻技術(shù)在廣電領(lǐng)域的應(yīng)用潛力和價(jià)值。北京冬奧會(huì)也使用了相似的技術(shù)，冬奧專(zhuān)列5G超高清移動(dòng)直播演播室實(shí)現(xiàn)了京張高鐵全線(xiàn)在時(shí)速350千米高速行駛下超高清視頻通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸。另外，輕量化、全I(xiàn)P架構(gòu)的超高清直播演播室滿(mǎn)足了總臺(tái)相關(guān)頻道和新媒體平臺(tái)全媒體制作和多樣化表達(dá)的需求。

除此之外，超高清視頻技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。①體育賽事直播：超高清視頻技術(shù)在體育賽事直播中應(yīng)用得較為廣泛，例如2018年俄羅斯世界杯足球賽中采用了4K超高清視頻技術(shù)進(jìn)行直播。這種技術(shù)可以使觀眾獲得更加真實(shí)、逼真的賽事場(chǎng)景，增強(qiáng)觀賽體驗(yàn)；②影視制作：超高清視頻技術(shù)在影視制作中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，例如Netflix制作的影片《羅曼諾夫家族》就采用了8K超高清視頻技術(shù)拍攝，使得畫(huà)面更加細(xì)膩、逼真，提高了影片的觀賞性；③航空航天領(lǐng)域：超高清視頻技術(shù)在航空航天領(lǐng)域同樣得到了廣泛應(yīng)用。例如NASA利用超高清視頻技術(shù)對(duì)宇宙空間進(jìn)行探測(cè)和觀測(cè)，獲取更加精準(zhǔn)、高清的觀測(cè)數(shù)據(jù)；④電影院：超高清視頻技術(shù)在電影院的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視。例如IMAX影院采用了12K超高清視頻技術(shù)，可以提供更加震撼、逼真的觀影體驗(yàn)。

3. 面向未來(lái)的超高清視頻技術(shù)

3.1 超高清視頻技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合

超高清視頻技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更加逼真的三維視覺(jué)效果，使觀眾感到身臨其境。超高清視頻技術(shù)可以提供更加細(xì)膩、真實(shí)的圖像細(xì)節(jié)，例如在3D場(chǎng)景中再現(xiàn)真實(shí)的物理改變，如煙霧效果、水波特效和光線(xiàn)折射等。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以為觀眾提供沉浸式、互動(dòng)式的體驗(yàn)，例如通過(guò)VR眼鏡觀看超高清視頻，感受更加逼真的視覺(jué)效果。超高清視頻技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的具體應(yīng)用包括影視制作、游戲開(kāi)發(fā)和教育等領(lǐng)域。例如，在影視制作領(lǐng)域，超高清技術(shù)可以提供更加生動(dòng)逼真的畫(huà)面效果，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合可以讓觀眾感受到更加身臨其境的影視體驗(yàn)。在游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，結(jié)合超高清技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更加逼真的游戲場(chǎng)景和角色動(dòng)作表現(xiàn)，讓玩家有更加切身的游戲體驗(yàn)。在教育領(lǐng)域，超高清技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以結(jié)合，為教師提供更加生動(dòng)的教學(xué)材料和方式，使學(xué)生更加容易理解和掌握知識(shí)。

3.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的超高清視頻智能分析技術(shù)研究

在超高清視頻技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，如何獲取和處理更加準(zhǔn)確、高質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)，是一個(gè)重要的研究問(wèn)題?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的超高清視頻智能分析技術(shù)可以自動(dòng)收集并處理視頻數(shù)據(jù)，以獲取更加高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。具體而言，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以通過(guò)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，提高視頻的解析度和質(zhì)量，減少視頻傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失和損毀。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)還可以自動(dòng)分析視頻內(nèi)容，提取出視頻中的有用信息，為實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)別的視頻編碼、解碼和分析提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 超高清視頻3D重構(gòu)技術(shù)研究

超高清視頻3D重構(gòu)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的新型圖像處理技術(shù)。該技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)算法對(duì)超高清視頻圖像進(jìn)行處理和重構(gòu)，以產(chǎn)生逼真的三維效果。具體而言，超高清視頻3D重構(gòu)技術(shù)可以通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行多層次的分析和處理，提取出圖像中的關(guān)鍵點(diǎn)、線(xiàn)條等，從而建立出一幅精細(xì)的三維圖像。該技術(shù)可被應(yīng)用于3D電影制作、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲、醫(yī)療圖像處理等領(lǐng)域。

4. 結(jié)束語(yǔ)

本文深入分析了5G網(wǎng)絡(luò)下基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)研究，提出了一些可供參考的技術(shù)路線(xiàn)和應(yīng)用案例，旨在為廣電工程領(lǐng)域的從業(yè)者提供理論參考和實(shí)踐指南。未來(lái)，將繼續(xù)關(guān)注這一領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，不斷完善超高清視頻技術(shù)的質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)，推動(dòng)中國(guó)數(shù)字視聽(tīng)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

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