电视台超高清电视播出面临的问题及系统建设规划探讨

傅 荣

（山东省招远市广播电视台，招远 265400）

电视台超高清电视播出面临的问题及系统建设规划探讨

傅 荣

（山东省招远市广播电视台，招远 265400）

本文首先对超高清电视技术进行了介绍，然后对4K电视播出所面临的问题进行了分析，最后结合超高清播出的必然趋势，对4K播出的总体架构、IP化、全媒体发布、智能化运行监管等前沿技术进行了有益探讨。

4K；播出系统；智能化监管

1 引言

从电视诞生至今不到一百年的时间里，电视技术不断创新，画面质量不断提升，视觉感受显著增强。今天，技术依然在加速发展。高清尚未完全普及，超高清已经到来，具备高动态范围（HDR）的超高清紧随其后，且呈现不可阻挡之势。根据行业发展规律与人眼视觉特性需求，超高清电视系统终将取代高清系统。

超高清数字电视的出现和发展体现了电视行业不断变革的不竭动力，其内在的本质原因在于画质依然是电视最为核心的要素，只有具备出色的画质表现，才能真正吸引消费者的眼球。超高清数字电视是一个系统工程，涉及一系列的关键技术，如超高清信号的摄录、存储、压缩处理、传输、接收和显示等，电视台超高清播出室系统建设也将成为不可回避的话题。

2 超高清电视技术简介

超高清电视（UHDTV），是目前高清电视的下一代技术，根据分辨率划分包括4K超高清和8K超高清两种。主要具有如下技术特点：

（1）超清晰分辨率。4K超高清其分辨率为3840×2160包含829400个像素点，8K超高清分辨率为7680×4320，包含33177600个像素点。分辨率越高代表所能呈现的画面质量越清晰，越能展现更多的画面细节。

（2）观赏距离。电视观看距离与屏幕尺寸、分辨率相关，相对高清电视而

言，4K技术发展使得像素点距缩小，用户近距离观看时不会感觉画面像素边缘排列，同时给用户带来“满视野”观看的现场感。人眼的中心视野约为50°，以此作为最佳收视视野，观看距离为3m，观众可以分辨的像素密度最多为50ppi，4K分辨率已基本能满足观众对120寸电视机所需分辨率的需求（5120×2880）。

（3）色彩提升。继续提高分辨率不会改善电视观赏体验，因此，超高清电视技术发展改进重点转移到色域、色彩、准确度指标上，正如杜百川先生提出超高清技术公式UHD=HR+HDR+HFR+HQS（超高清=高清晰度＋高动态范围和更宽色域＋高帧率＋高质量环绕声），其中，HDR正成为超高清技术中的技术热点。

（4）音频处理技术。采用22.2声道的音频重放系统，MPEG也在制定相关的多声道标准SAC。而同时Dolby，DTS，Auro也分别给出了Dolby atmos，DTS:X，Auro 3D三种不同的解决方案。

（5）HEVC编码技术。分辨率及采样率的提升带来了超高清电视数据量显著增加，因此必须采用新的编码技术以降低节目传输及存储的数据量。作为通信领域标准制定组织ITU-T与作为电气及电子领域标准制定组织ISO/IEC联合，于2013年发布了“高效视频编码（HEVC）”标准，命名为H.265。采用灵活的编码结构包括编码单元（CU）、预测单元（PU）和变换单元（TU），灵活的块结构—— RQT，采样点自适应偏移SAO以及并行化设计思路，在保持主观画面质量不变情况下，相对于现有H.264编码效率提高一倍。通过H.265压缩的4K超高清节目码率可控制在16～25Mb/s。

3 4K电视播出面临的问题

广播电视从标清数字电视发展到高清电视用了十年时间，从设备使用寿命及更新换代来说是比较合适的周期。而目前国内数字电视高清化的发展才刚刚开始，只有中央台及十几家省级电视台的部分频道完成了高清化改造，部分卫视及大量的地面频道仍然使用标清信号播出。因此，横空出世的超高清技术面临着机遇与挑战并存的状况，而在现阶段甚至是挑战大于机遇的局面。

目前支持4K的设备还比较少，而且均刚刚面世，并没有大规模商用，其稳定性和可靠性还需要经过实践的检验。新产品带来的劣势就是高昂的价格，对于刚刚投入高清化改造的各电视台来说，要实现4K电视的播出，在技术和资金方面均需要承担较大的压力。以招远台实际情况为例分析目前4K电视播出面临以下问题：

（1）首先是传输方面，我台内系统主要使用电缆传输方式。以百通-1694电缆为例，标清SDI信号传输比特率为270Mb/s，传输距离不到300米，高清SDI信号传输比特率为1.485Gb/s，传输距离约70～80米。而超高清SDI信号传输速率至少高达6Gb/s，可见其对电缆质量的要求更高，在使用同样线材传输的条件下传输距离更短。因此，现有的播出系统无法满足超高清信号传输的基本条件，只是对现有系统设备进行超高清化的升级换代也不能实现超高清播出。

在当前的技术条件下解决传输问题可行的方法有二：一是将4K信号拆分为4路高清SDI信号进行系统内传输，在编码输出端之前再将其合并成4K信号，这种方式对现有系统资源的占用量是很大的，相应的系统扩容工作量及资金投入也是相当可观的；二是使用over IP的传输方式，目前交换机的传输速率已经可以达到10Gb/s，可以满足4K的传输需求，即使使用主流的千兆交换机也可以通过端口汇聚的方式提高传输速率，达到4K传输要求。

随着技术的进步，IP流传输的稳定性也越来越高，可以说，IP传输是未来的发展方向，但对于传统电视台来说需要新建一整套系统，系统建设及资金投入同样巨大。

（2）再从数字化播出方式来看，目前我台所有频道均采用服务器的文件化播出方式。一般来说标清文件的码率为12Mb/s，24小时单频道节目容量为12×3600/8/1024×24=126.5GB。高清文件的码率为50Mb/s，24小时单频道节目容量为50×3600/8/1024×24=527.3GB。显然超高清文件的码率更大，占用的硬盘容量也更大（大概是高清的4倍），所以对服务器的读写速度及容量的要求也更高。

（3）目前，我台很多节目已经采用网络化送播方式，节目都会在主干平台上进行传输。一般一条高清素材在各节点直接的传输速率为15MB/ s～40MB/s。而超高清文件要比高清文件大很多，如果要提高传输速率就会加大系统的负担，容易造成系统崩溃；而若不提速的话又会大大延长传输时间，甚至会影响节目的正常播出。所以要满足超高清文件的网络送播势必要对现有的主干系统进行扩容升级，这样才能够满足播出的需求。不过随着技术的发展，现在十万兆的光纤交换机也已经面世了，相信可以缓解超高清文件对系统带来的负担。

4 4K播出建设规划

2014年4月，全球首个超高清有线电视频道U-max在韩国上线，播出纪录片、动画、现场音乐会和体育赛事等100个超高清节目内容。大连天途有线电视公司在2014年8月开通了国内首个4K实验频道，乐视网、江苏网络广播电视台等互联网平台也进行了一些4K节目播出尝试。随着超高清电视终端逐渐进入用户家庭，超高清传输测试不断取得成功，超高清电视系统终将取代高清系统。

目前，部分电视台正在建设4K播出分发系统，随着各项技术的进步，标准的细化，超高清播出已经是发展趋势。

4.1 4K播出整体架构

图1 4K播出架构拓扑图

图1是根据现有播出架构，结合主流的技术趋势以及技术发展方向，设计的一套针4K播出的架构规划。

由图1可见，台内有制作系统、媒资系统，通过台内的互联平台，实现与播出的素材交互；台外通过专用通道实现门户上传。4K演播室、4K制作系统通过总控IP调度平台与播出完成4K IP信号调度。播出系统中具有统一的技审平台，将全台的送播素材统一汇聚到该平台进行技审和送播，素材通过统一技审后提交到4K IP播出系统，由4K播出系统发送到全媒体分发系统，4K播出系统支持独立的4K频道、高清频道、手机频道、网络频道。全媒体分发平台，可以将播出系统提供的信号转换成不同的码流，分发到各个不同的平台。4K播出系统信号处理采用SDI Over IP，发布采用TS Over IP。

4.2 超高清播出

超高清能够带给人们更好的视听效果，但是同时对存储、带宽、传输等方面有着极高的要求。在电视方面，需要考虑采集收录、制作存储、播出分发、终端接收这几个环节，目前播出分发是实现4K的技术难点。

要实现4K播出分发，技术关键是解决信号传输，由于超高的分辨率，无压缩的4K原始码流需要12Gb/s，现在国内普遍的高清是1.5Gb/s，大部分线缆及设备能支持3Gb/s。现在业界考虑IP技术来承载SDI信号的传输，SMPTE 2022-6 标准对SDI Over IP 已经进行规范。

面对4K传输，为了尽量提高带宽的利用率并降低成本，可以采用浅压缩的方式进行信号传输，如TICO浅压缩的方式可以使普通的3G-SDI传输4K信号。

4.3 IP化

实现IP化首先需要标准的规范，目前SMPTE 2022-6定义了高码率视频信号通过IP传输需要遵守的具体协议：主要采用IP组播协议，因为是采用的以太网三层协议，因此支持通用的交换机；采用低压缩或者未压缩的视频通过IP传输；能够在有线或无线局域网进行传输；具有VANC同步机制。SMPTE 2022标准涵盖了压缩、无压缩的视频传输及无中断的保护机制，为视音频信号通过IP传输的推广创造了可行性。

现在很多传统的视音频厂商正在尝试着向IP化转型，IP矩阵、IP多画面、IP与SDI互转等设备都已经成型，随着SMPTE 2022的规范不断细化，以及各个厂家之间不断摸索和合作，SDI Over IP也能够像传统的SDI信号一样普及，各家的设备能够兼容，共同完成系统的搭建。

现在SDN（软件定义网络）新型网络架构推动了全IP化的进程，其核心理念将网络功能和业务处理功能与网络设备硬件解耦合，将传统网络拆为应用、控制、转发三层分离架构，与传统的SDI的矩阵理念很相似，而且SDN能够灵活配置流量管道，提供给视音频更多的流量管道，保证视音频传输质量，同时能够动态调整资源分配，进行接入控制，适用于全IP化后的广电场景。

目前实现全IP化难度还很高，必然会经历长时间的IP和SDI混播的情况，但是IP化已经是时代发展的必然结果。IP化后系统架构会精简很多，如果采用40G光纤，能够传输不少于25路无压缩的高清信号或者100路TICO 4∶1压缩的高清信号，两根40GB光纤就能取代大量的铜线。IP化后系统会更加灵活，只需要通过网络调度，就可以实现信号分配调度。

4.4 超融合架构

超融合架构（HCI）是软件定义数据中心的一种基础架构，是指在同一套单元设备中不仅具备计算、网络、存储和服务器等资源和技术，而且还包括备份软件，快照技术、重复数据删除、在线数据压缩，多套单元设备通过网络聚合，实现模块化的无缝横向扩展，实现统一的资源池。

传统的网路架构由各自独立的运算、存储、网络硬件设备组成，引入超融合架构后，网络环境将用通用服务器设备组成含有跨节点的统一存储池，上层部署软件和应用。可以通过增加节点数来扩充系统的运算性能和存储空间，提供服务的高可用和数据保护能力。

对于未来规划的播出系统，频道规模相对较多，且系统具有统一的技审平台和全媒体分发平台，需要处理台内外的素材资源，还要进行数据的分发处理，因此对存储和数据处理的能力要求相对较高。因为超融合架构的资源调派不涉及底层实体硬件，因此系统底层采用统一的x86架构，上层部署相应的文件管理和应用，处理存储、技审、迁移、分发等一系列任务。这样不仅能够利于整个系统的维护、扩容，还能提高整个系统的数据分发处理能力和响应速度，对于提高系统效率而言是不错的选择。

4.5 全媒体发布

全媒体发布平台能够将节目统一发布到有线网络、卫星、网站门户、手机APP、社交网站等。考虑到每个平台受众的观看习惯和偏好不一样，因此发布的时间、内容、重点也需要有所调整。

无论是电视、PC还是电视，都是采用自定义观看方式，用户可以自定义自己的点播频道和直播频道，系统根据用户的观看习惯进行大数据分析和推送。

4.6 智能化运行监管

智能化运行监管平台是为了辅助未来播出系统安全运行而建设的，在现有监控平台的基础上，增加了自动化电子巡检、设备健康指数分析、知识库管理、多元化报警提示等人性化功能。

5 结束语

目前的高清信号已能够基本满足人们的收视需求，画面的清晰度较标清信号有了显著的提升。但是，就像当初从模拟走向数字、从标清走向高清的发展历程一样，人们的需求总是伴随着科技的进步而不断提高的。随着4K终端的普及，H.265编码以及HDMI传输技术已经能够将4K信号接入普通民众的家中，对超高清信号源的需求量一定会越来越大。因此，在市场需求的驱动下，超高清播出最终将会成为我们技术发展的一个方向。

[1] 李超．超高清晰度电视与三维电视进展[J]．电视技术，2011,35（22）:19-24

[2] 俞斯乐．电视原理[M]．北京：国防工业出版社，2012

Phononic为亚太地区提供高性能电子冷却解决方案

作为一家通过固态技术来革命性创新冷却与加热方案的公司, Phononic近日宣布，在中国台湾省成立销售办事处，聘请亚太地区总监，并与富泰科技成为战略合作伙伴以扩大其全球业务范围至亚太地区。

Problems Faced by Ultra High Definition TV Broadcasting and System Construction Plan

Fu Rong
(Zhaoyyuan Television Station, Zhaoyuan, 265400)

This paper firstly introduces ultra high definition TV technology，Then analyses the problems faced by 4K television broadcast, Finally, combined with the inevitable trend of ultra high definition broadcast, broadcast on 4K overall architecture, IP, the entire media release, cutting-edge technology such as intelligent operation regulation has carried on the beneficial discussion.

4K; Playout System; Intelligent Monitoring

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.014

TN94

A

1672-7274（2017）03-0050-04

傅 荣，1973年生，助理工程师，主要从事广播电视技术工作。