張宏斌

（鄭州廣播電視臺(tái)，河南 鄭州 450000）

0 引言

在當(dāng)今的廣播電視工程領(lǐng)域，5G 網(wǎng)絡(luò)與4K超高清技術(shù)的結(jié)合已成為一項(xiàng)重大的技術(shù)革新，對(duì)廣播電視制作、傳輸和接收過程的影響不容忽視。本文針對(duì)基于5G+4K 超高清直播的廣播電視工程技術(shù)進(jìn)行深入探討，旨在解析5G 網(wǎng)絡(luò)與4K 超高清技術(shù)融合背后的工程原理及其對(duì)廣播電視行業(yè)帶來的深刻變革。5G 以其高帶寬、低延遲的特性，為4K 超高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。4K 即分辨率為3 840×2 160 像素的視頻技術(shù)，以其4 倍于傳統(tǒng)高清視頻的清晰度，為觀眾帶來了更為細(xì)膩和生動(dòng)的視覺體驗(yàn)。

1 5G+4K 超高清直播發(fā)展趨勢(shì)

5G 作為最新一代移動(dòng)通信技術(shù)，其顯著特征包括高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延、大容量、廣連接和高可靠性，為高帶寬、高數(shù)據(jù)量的4K 超高清視頻傳輸提供了理想的通信環(huán)境。4K 分辨率，即3 840×2 160 像素，提供了比1 080p 標(biāo)準(zhǔn)更高的清晰度，使得視頻內(nèi)容更為細(xì)膩、色彩更為鮮明。在5G 網(wǎng)絡(luò)的支持下，4K 直播不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的視頻數(shù)據(jù)傳輸，還能保證視頻播放的連續(xù)性和穩(wěn)定性，從而提供無與倫比的視覺體驗(yàn)。5G+4K 超高清直播技術(shù)在廣播電視工程中的應(yīng)用已經(jīng)顯示出多個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，可提供高清晰度的視頻畫面，使內(nèi)容更加清晰[1]。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化升級(jí)，包括5G 基站的密集部署和高帶寬網(wǎng)絡(luò)的覆蓋擴(kuò)大，都是實(shí)現(xiàn)高效4K 直播的前提。高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）也在不斷發(fā)展，以適應(yīng)4K 視頻傳輸對(duì)數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮效率的高要求。這些技術(shù)進(jìn)步使得4K 視頻能夠在5G 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高效、低延遲的傳輸，從而支持實(shí)時(shí)直播。5G+4K 技術(shù)在廣播電視領(lǐng)域的應(yīng)用促進(jìn)了端到端生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。從視頻內(nèi)容的采集、編輯、編碼到傳輸、分發(fā)和顯示，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相應(yīng)的技術(shù)支持和創(chuàng)新。例如，4K 攝像機(jī)和編輯軟件的升級(jí)、基于云計(jì)算的視頻處理平臺(tái)的發(fā)展，以及更為先進(jìn)的4K 顯示技術(shù)，都是這一生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分，為廣播電視行業(yè)的商業(yè)模式創(chuàng)新開辟了新路徑。

2 5G+4K 超高清直播的廣播電視工程技術(shù)

2.1 5G

5G 是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，核心特征包括更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲、更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更廣的連接性。這些特性對(duì)于支持4K 超高清視頻直播的需求至關(guān)重要。5G 的高速數(shù)據(jù)傳輸能力可達(dá)到10 Gb·s-1以上。這意味著相比于4G，其下載和上傳速度提高了數(shù)十倍，從而為4K 視頻內(nèi)容的實(shí)時(shí)傳輸提供了強(qiáng)大的支持。圖1 為5G+4K 超高清現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)架構(gòu)。5G 網(wǎng)絡(luò)的低延遲特性，即端到端的延遲時(shí)間低至1 ms，保證了直播過程的實(shí)時(shí)性和流暢性，對(duì)于保持直播視頻的連貫性和減少畫面卡頓現(xiàn)象至關(guān)重要[2]。5G 的大容量特性，即能夠支持更多設(shè)備的同時(shí)連接，對(duì)于廣播電視行業(yè)的直播活動(dòng)來說意味著可以在更大范圍內(nèi)、更多場(chǎng)合進(jìn)行高質(zhì)量直播，無論是大型體育賽事、音樂會(huì)還是其他重大活動(dòng)，都可以實(shí)現(xiàn)高效的視頻傳輸。5G 網(wǎng)絡(luò)的廣連接性使得城市中心到偏遠(yuǎn)地區(qū)都可以享受到高質(zhì)量的直播服務(wù)，對(duì)于擴(kuò)大廣播電視節(jié)目的受眾范圍、提高節(jié)目覆蓋率具有重要意義。5G 在廣播電視工程技術(shù)中的應(yīng)用還體現(xiàn)在其對(duì)多種新興技術(shù)的支持上，如邊緣計(jì)算、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等。邊緣計(jì)算的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器的需求，降低延遲，加快響應(yīng)速度，對(duì)于直播視頻的快速處理和傳輸至關(guān)重要。

圖1 5G+4K 超高清現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 4K

4K 亦稱超高清，具有3 840×2 160 像素的分辨率，是傳統(tǒng)1 080 p 高清分辨率的4 倍。這一顯著提升的分辨率不僅帶來了更加細(xì)膩和清晰的圖像，還極大地改善了視覺體驗(yàn)的豐富性和沉浸感。4K技術(shù)的重要性在于它所提供的高像素密度，這使得圖像在更大尺寸的顯示屏上仍能保持其清晰度，對(duì)于大屏幕的廣播電視直播尤為關(guān)鍵。4K 技術(shù)的應(yīng)用不僅限于提高圖像分辨率，還涉及色彩深度和動(dòng)態(tài)范圍的改善。4K 標(biāo)準(zhǔn)支持更高的色彩深度，可達(dá)10 位或更多，這意味著它能展示更豐富的顏色范圍，從而提升圖像的整體色彩表現(xiàn)，提供更加清晰的視頻畫面[3]。此外，與高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）技術(shù)的結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)了4K 圖像的對(duì)比度，使得色彩更加鮮明，細(xì)節(jié)在高光和陰影區(qū)域更加清晰可辨。這些技術(shù)的融合，為廣播電視行業(yè)提供了前所未有的圖像質(zhì)量，極大地改善了觀眾的視覺體驗(yàn)。4K 技術(shù)的實(shí)施也伴隨著一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在其與5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合用于直播時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力的要求極高。因?yàn)?K 視頻相較于傳統(tǒng)高清視頻，需要更大的數(shù)據(jù)帶寬來進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。這一挑戰(zhàn)在5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲特性下得到了部分解決，但仍需優(yōu)化編碼和壓縮技術(shù)來適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)條件下的直播需求。

2.3 視頻信息采集與制作

視頻信息的采集涉及高分辨率圖像的捕獲，這在4K 技術(shù)中尤為關(guān)鍵。4K 分辨率要求采集設(shè)備具備高度精細(xì)的圖像捕獲能力。為此，采用高性能的4K 攝像機(jī)是必要的。這些攝像機(jī)不僅能捕獲具有更高清晰度的畫面，還能在不同光照和運(yùn)動(dòng)條件下保持圖像質(zhì)量。視頻信息采集與制作地關(guān)鍵內(nèi)容如表1 所示。編輯過程需要支持4K 分辨率，這意味著編輯軟件和硬件設(shè)備必須能夠處理大量的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的圖像處理任務(wù)。色彩校正、剪輯和視覺效果的添加在4K 視頻制作中尤為重要，因?yàn)楦叻直媛实漠嬅婺軌蛘宫F(xiàn)更多細(xì)節(jié)，對(duì)制作的精度要求更高。合成環(huán)節(jié)則涉及多個(gè)視頻源的融合，要求技術(shù)處理能夠在保持每個(gè)視頻源質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無縫的整合。編碼環(huán)節(jié)是制作過程的關(guān)鍵，特別是對(duì)于直播內(nèi)容而言。HEVC 是處理4K 視頻的標(biāo)準(zhǔn)，能夠在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)，大幅度壓縮數(shù)據(jù)量，對(duì)于直播傳輸至關(guān)重要[4]。在5G 環(huán)境下，視頻信息的采集與制作還需考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦浴?G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲特性使得從采集現(xiàn)場(chǎng)到制作室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

表1 視頻信息采集與制作關(guān)鍵內(nèi)容

2.4 編碼設(shè)備的應(yīng)用

在5G+4K 超高清直播環(huán)境下，編碼設(shè)備不僅需支持高分辨率視頻的處理，還需適應(yīng)5G 網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸特性。這要求編碼設(shè)備具備高效的壓縮能力，以減少傳輸數(shù)據(jù)量，同時(shí)保持視頻質(zhì)量。HEVC 作為目前廣泛應(yīng)用于4K 視頻的編碼標(biāo)準(zhǔn)，相比于先前的H.264/AVC 標(biāo)準(zhǔn)，以大約一半的比特率傳輸同等質(zhì)量的視頻。這種高壓縮比對(duì)于4K 超高清視頻的傳輸至關(guān)重要，因?yàn)?K 視頻的數(shù)據(jù)量巨大，未經(jīng)壓縮的視頻數(shù)據(jù)無法在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高效傳輸，會(huì)影響設(shè)備利用率，難以滿足播放需求[5]。HEVC 編碼通過改進(jìn)的編碼結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)的內(nèi)部預(yù)測(cè)和更有效的熵編碼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一高壓縮效率。此外，編碼設(shè)備還需支持寬色域和HDR 視頻的處理，這些都是4K 視頻質(zhì)量提升的關(guān)鍵因素。在5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，編碼設(shè)備的作用不限于視頻數(shù)據(jù)壓縮。由于5G 網(wǎng)絡(luò)的特性，如低延遲和高可靠性，編碼設(shè)備還需優(yōu)化視頻數(shù)據(jù)的傳輸過程，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的變化。

3 結(jié)語

隨著5G+4K 技術(shù)組合的普及和成熟，廣播電視行業(yè)將迎來更高效的生產(chǎn)方式和更豐富的節(jié)目?jī)?nèi)容，將促進(jìn)相關(guān)行業(yè)如網(wǎng)絡(luò)通信、電視制作設(shè)備制造等的發(fā)展，推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新和升級(jí)。這項(xiàng)研究不僅為理解和應(yīng)用5G+4K 技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)，也為廣播電視行業(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)提供了深刻的洞察。本文深入分析了這一技術(shù)組合的工程原理、應(yīng)用挑戰(zhàn)和行業(yè)影響，展示了5G 和4K 超高清技術(shù)在改進(jìn)和創(chuàng)新廣播電視工程技術(shù)方面的巨大潛力和價(jià)值。