高清兼容4K制作方案的技术要点及应用

罗新艳

【摘 要】 高清兼容4K制作方案在原有高清演播室建设4K高端制作岛1和超高清制作岛两个系统，既可保证高清节目的正 常播出，又可保证4K版节目的储备。

【关键词】 高清；4K；兼容；节目；授时系统；收录服务器；色彩空间转换

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.009

【Abstract】HD compatible 4K production program is construction of two systems in the original HD studio， which are 4K high-end production island 1 and ultra high definition production island， ，not only to ensure the normal broadcast of high- definition programs， but also to ensure the 4K program reserves.

【Key Words】HD； 4K； compatibility； program； time service system； collection server； color space conversion

目前來看，高清进入4K时代仍需要一段时间，中国中央电视台（以下简称央视）新址建设了4K高端制作岛1和超高清制作岛两个系统，用于4K相关技术的预研和功能验证。4K高端制作岛1是为解决前期拍摄与后期制作流程的衔接，解决高低码率自动化套片与素材自动挑选上载、RAW编辑和压缩编码编辑。超高清制作岛用于实现节目的快速制作。

1 设计思路和技术要点

1.1 设计思路

4K电视节目采集方面包括演播室直播/录播、转播车直播/录播和前期ENG（Electronic News Gathering电子新闻拍摄）为主的三种形态，特别是演播室和转播车直播/录播形态，是为4K频道积累节目的重要手段，建设的两个制作岛前期主要应对ENG素材与后期制作流程，随着新址演播室的4K改造，制作岛将加入演播室录制节目的制作流程（见图1）。

目前，演播室采用高清格式服务于现有各频道。短时间内建成全4K演播室还存在一定困难。所以，在近一两年中采用高清兼容4K的过渡方案，以解决4K素材的储备。首先，改造的前提条件是不影响现有节目制作流程，仅对原有的高清摄像机进行更新。通过CCU（Camera Control Unit，摄像机控制单元）提供高清下变换信号给原有的高清切换系统，实现高清节目的直播，高清切换台、矩阵、同步等系统完全保留。高清信号提供给原有EVS视频服务器的录制系统，并通过演播室网关将PGM（Program，节目）主切、副切、单挂信号提供给后期制作岛，进行直播节目的修整与录播节目编辑，实现4K制作的“快编立出”制作效率。其次，更换的4K摄像机4K信号输出将旁路给4K收录系统，实现各信道4K信号收录，并用于4K节目的编辑。演播室4K改造目的是为了推动4K节目的储备量，为未来4K频道的开通积累片源，4K演播室的初级阶段工作模式将以高清为主，演播室及后期制作采用高清兼容4K模式，是高性价比和高效的改造方案；未来4K普及后，再实现4K兼容高清下变换的工作模式。

1.2 技术要点

为了实现高清兼容4K的生产模式，演播室系统原有的高清系统完全保留，通过有限的改造与技术开发，确保高清兼容4K的可行性。目前，主要解决的技术问题（见图2）如下：

（1）高性价比的4K收录服务器；

（2）高清/4K环境统一的授时系统或各自域内统一的授时系统；

（3）基于高清PGM切点产生4K PGM Clean版；

（4）“快编立出”与带切点的4K时间线精编；

（5）基于高清PGM的字幕对位。

2 技术功能点验证

2.1 高性价比的4K收录服务器

现有的转播车/演播室系统采用了以EVS高清视频服务器为主的收录系统，EVS单台服务器的造价相对较高，导致演播室的收录通道数量受到了极大限制，较大的演播室配置的EVS记录和回放通道达到6～8，也形成了以主切、副切、2路单挂4路信号与制作岛交互的模式。新兴的节目类型为了实现节目效果，演播室系统部署更多的摄像机通道，原有的记录模式逐渐不能满足需求。国内厂商学习国外产品经验而开发的高清多通道收录服务器，采用通用的PC硬件平台，单台PC Server可实现不少于8路的高清信号收录，2～3台服务器即可涵盖新兴节目的机位需求。

4K收录服务器的状况与高清类似，目前少量国外厂商可以提供专有硬件，设备成本高达上百万，支持双通道收录。央视联合国内厂商，总结高清多通道收录服务器的开发经验，提前着手4K多通道收录服务器的开发，实现单台PC Server 2路4K信号的收录能力，并实现4K SDR与HDR的支持，极大地降低了每通道的收录成本，使4K多通道收录成为可能，确保了高清融合4K生产模式下技术方案的可行性。

2.2 高清/4K环境或各自域内的统一授时系统

现阶段演播室的高清信号处理系统提供了统一授时，确保切换台可以正常工作，有效保障各收录服务器记录的视频时间码的一致性。国产的4K收录服务器虽然采用PC Server平台，但作为一个专业视频设备，可以使用演播室授时信号。

由于中国采用的高清格式与4K帧速率不同，现有授时系统按时：分：秒：帧授时，因此，需要对4K收录服务器自动进行帧速率的倍频，提高系统的适配能力。

高清演播室系统设计时，通常剩余端口数量有限，国产4K收录服务器同时考虑到了演播室不能提供授时情况，系统同样具备内部授时功能，确保各服务器记录的素材时间码的同步。国产4K收录服务器利用IT技术的NTP服务，确保各服务器本地时间的一致性，即服务器记录素材时，取服务器的本时时间码即可获得收录群组内的时码，实现更高精度的时间同步。这也是针对高清融合4K过渡阶段采用PC Server国产4K视频服务器的解决方案一。endprint

2.3 基于高清PGM切点产生4K PGM Clean版

高清演播室仅进行了摄像机的更新换代，原有高清切换台保留，高清最终的成品节目PGM由切换台输出，用于直播或到EVS视频服务器进行记录，其他通道可以由摄像机CCU提供4K信号源，使用4K切换台同切4K PGM提供给4K多通道收录服务器是可选手段之一。但演播室空间有限，现阶段配置4K切换台的意义不大。4K PGM信号通过其他更高性价比的技術手段解决更为现实。央视与国产服务器厂商联合提出了切换台Tally信号解析方案（见图2），单独提供一台4K PGM的合成服务器，双方提前统一摄像机通道信息。

4K PGM合成服务器在演播室录制或直播过程中，记录当前时间下演播室切换台选用的通道信息，并记录不同通道切换的推子延时信息，达到镜头切换及转场的解析。在收录完成后，根据通道信息读取各收录服务器素材，按照高清切换台的切换，拼接出4K PGM Clean版本的PGM，从而解决演播室现实存在的4K PGM产生的问题。传统AV设备采用RS232/422通信，而多通道收录解决方案通过IT技术，有效解决了AV方案存在的难题。4K PGM合成服务器与收录服务器相同，可采用多种授时方案，收录服务器与合成服务器采用内部授时方案。PGM成品节目合成通过相对时间码即可实现拼接，与演播室原有授时完全无关。4K摄像机信号下变换、切换台切换延时、音频信号加嵌、信号上变换都会产生延时，测试过程中进行了高清PGM与4K PGM的对比，产生了4/50帧的延时，通过服务器解析及后续拼接处理，画面延时得以精确调整。同时也方便地使用首个4K通道进行音频加嵌，PGM合成时自动铺放首个通道的音轨作为PGM音频轨道，产生带声音的4K PGM Clean版。

2.4 “快编立出”与带切点的4K时间线

通过引入国产4K多通道收录服务器，有效降低了设备成本，演播室旁路可以收录全部4K通道。高清融合4K方案下，可沿用原有主备PGM和单挂的录播节目“快编立出”方案，对部分切换有问题的镜头进行简单替换，即可将高清PGM 90%以上内容实现一致性的4K成品用于融合媒体的播出，可以快速积累4K内容。

各通道收录素材是完整的，是后续实现精编方式的必要条件。4K PGM合成服务器解析Tally切换点，具备PGM生成功能，同时也具备不产生PGM而提供时间线交换格式（见图3）的能力，由非编引入交换格式，自动套用各轨道信息，产生带剪辑点的4K PGM，用于节目的精细编辑

2.5 基于高清PGM的字幕对位

合成服务器生成的4K PGM Clean版成片，不包含字幕。4K多通道收录系统配备的高清PGM收录通道，在内部形成闭环。“快编立出”或精细编辑模式，以系统内部的高清成品为参照，不依赖原有的演播室网关传输高清PGM。

引入高清PGM主要用于虚拟、外来高清信号的替换，可以在非编直接上变换，画质与演播室硬件上变换质量相同（见图4），减少了演播室AV设备的配备，降低成本。

高清PGM同时用于字幕在4K PGM的对位，在中央电视台系统已完成了字幕工程文件交换规范的制定。演播室高清PGM的字幕工程文件提供给制作岛，岛内继承字幕内容与时间点，并适应到4K时间线，参照高清PGM的字幕上屏的首句时间点进行对准，全部字幕位置即可在4K版对位成功（见图5）。

3 多通道收录系统应用场景

综艺节目多采用演播室录制的方式，“快编立出”方式可以实现节目的高效生产。在4K频道开播前，采用融合媒体分发的方案，实现4K成品与受众的对接，用户可以通过机顶盒，进入央视专区4K节目进行点播，获取更好的收视体验。“快编立出”方案是4K频道开播前的必经阶段，可以实现成片的快速增长，主要适应于直播节目的重播制作和准直播节目的后期制作。而大量的综艺节目采用演播室录像，进入后期精编的方式，现场的PGM版本与未来成片会存在差异，基本无参照意义，甚至高清收录的版本将进入高清制作岛编辑，4K素材进行4K岛编辑，由不同制作岛分别完成高清、4K成品制作。精细编辑即跨岛编辑高清和4K版本，保持剪辑内容的一致性，也存在大多不可控因素。因此，本方案将4K成品的精细编辑方式界定为同岛生产高清和4K成品，使用高清成品套4K和4K直接下变换高清两种方式。

3.1 4K常规化节目制作应用

现阶段的“快编立出”方式，直接使用收录服务器的4个通道素材的记录SSD（Solid State Disk，固态硬盘），所需带宽相对较低，可用于直接编辑。精细编辑方式使用更大容量的磁盘箱，挂载多通道素材记录的SSD或复制到工作站自有的大容量存储，如图6所示，实现高效代理码率转换与实时编辑。

4K高端制作岛系统和超高清制作岛系统主要采用Mac Pro工作站平台和Final Cut Pro X非编软件，通过Thunderbolt 2高速连接，提供2.5 GB的有效带宽，适配收录通道SSD直接挂载、编辑方式。同时提高传输性能，在协作生产模式下可以实现4K素材对多工作站的分发复制。

3.2 存储拷贝上传效率

笔者对4K@50P至Promise R6存储拷贝的上载效率进行了测试，见表1。

根据实际测试结果，使用高速磁盘箱，可以实现10倍速的素材复制、分发效率，支持不少于10个通道XAVC编码素材的在线编辑，使得精细编辑模式的可行性得以实现。而非编具备了良好的多码率管理功能，支持优化编码自动生成方式，为多轨4K实时编辑提供更好的用户体验。需要进行精细编辑的节目，按发展阶段区分为以高清成片优先和4K成品优先两个阶段，对应了高清成品套4K的生产模式和4K成品下变换高清的生产模式。

3.3 4K精细化节目制作应用

高清采用Rec709色域，而4K采用SDR和HDR两种色域。面向高清成片优先的生产阶段，演播室素材优先下变换1 080 50P格式，系统提供了半自动的处理工具，可以批量进行画幅、色彩空间的转换，并且码率可以得到有效控制，适配高清制作需求。下变换在1 080 50P素材与原有的4K素材保持相同的时间码与帧速率，用于高清成品的复杂编辑，画面剪定后按原有的高清制作流程，走内审、入库、备播流程。从1 080 50P变换为1 080 50i格式，目前主流非编软件都可以很好地支持。

从高清入库备播版本的时间线实现4K素材的成片。4K素材使用Rec2020色彩空间，支持HDR、WCG，通过非编与专业校色软件协同工作，完成4K HDR母版的制作，具备更高动态范围的色彩空间及亮度，适配4K电视的展现方式。

使用高清兼容4K的方式，针对高清和4K进行两个版本的处理，随着非编性能的进一步提升和4K节目量的提升，后期制作将统一合并到4K一个版本，直接使用4K素材进行后期处理，依靠软件自身的算法自行产生优化码率，提高编辑的实时性。工作过程中，随时进行原始码率和优化码率的切换，完成4K SDR/HDR版本的制作。下变换高清成品时，软件自动从4K素材原始分辨率下变换高清，而不是从优化码率生成高清版本，节省了前端素材转换高清版本的时间开销和高清完成版本套4K的工作节点，节省了各自版本的调色、包装合成工作，同时确保了高清版本、4K版本的一致性。

4 结束语

高清融合4K的生产方式适配电视台现阶段的制作需求，是高性价比的解决方案，为向4K生产方式过渡奠定了基础。

（编辑 杜 青）endprint