超高清技术在电视播出中的实践应用分析

陈明培

摘 要：本文对超高清技术应用于电视播出中的优势进行了分析，指出超高清技术应用于电视播出具有超清晰的分辨率、高动态范围以及色彩提升等优势。不过，超高清技术应用于电视播出中也存在一些需要关注的问题，因此，应当对超高清技术在电视播出中的具体应用加以规划，这样才能确保超高清技术更好地应用到电视播出之中。

关键词：超高清技术 电视播出 应用

从模拟到数字，从SD到HD再到UHD，从SDR到HDR，从单声道到立体声到环绕声再到三维声，从SDI传输到IP传输，从单一电视网络分发到全媒体分发，电视在许多方面发生了质的飞跃。现阶段，高清技术还未能得以全面应用与普及，超高清技术便已出现，超高清图像清晰度更加细腻，色彩亮度表现更加丰富，符合人们越来越高的观赏需求，超高清技术必将取代高清技术，成为电视未来发展的方向。

然而，要把超高清节目送到百姓家里面临着许多关键技术，比如信号采集制作，信源压缩编码，传输信道编码以及电视接收、解码和显示等。

一、超高清技术在电视播出中的优势

1.分辨率

ITU-R BT.2020和SMPTE ST 2036-1定义了超高清电视系统的显示分辨率，4K为3840*2160像素，8K为 7680*2160像素，高宽比为16：9，与高标清分辨率相比，超高清分辨率在图像上更加精细，能提供给用户更加细腻的画面效果。

2.帧率

BT.2020标准定义超高清画面的帧率为23.976p、24p、25p、29.97p、30p、50p、59.94p、60p、120p，并且都采用逐行扫描。高帧率刷新速度快，观众所看到画面会更加逼真，动作也更加流畅。

3.色域

ITU-R BT.2020定义了超高清电视更宽的色彩空间。传统的BT.709色彩空间是普通蓝光的标准，它只占BT.2020色彩空间的35.9%，超高清BT.2020色彩空间可以显示更多的色彩，令画面表现更加生动。

4.色深

ITU-R BT.2020定义4K超高清色深为10bit，8K 超高清色深为12bit。以4K为例，灰度级别为1024，能显示10.7亿种颜色，而传统蓝光标准色深为8bit，只能显示1677万种颜色，可见，10bit色彩数量远大于8bit的，因此色彩过渡更加流畅自然。

5.HDR 高动态范围成像技术

当前的SDR画面亮度范围仅1000：1，远低于真实自然界的亮度范围和正常人眼能感知的视觉亮度范围，大量的亮度细节损失掉了。按照ITU建议书，HDR 目标是使画面的动态范围达到人眼在瞳孔不调节情况下观看到的亮度范围是200000：1，这样的画面能看到明亮的高光层次和更厚重的暗部细节，还原出更多的色彩信息。所以说，HDR技术增加了亮度和彩色信息量，通过信息量的增加提升了图像质量。

6.多声道三维声

SMPTE ST 2036-2定义超高清音频为22.2声道结构，顶层放置9个声道，中间放置10个声道，底层布置3个声道，从而形成上、中、下3个环绕声场。这种具有包围感的声场，有物体上下移动的声音效果，使人感受到处于真实的三维立体空间之中。

二、超高清电视在播出设计中需要关注的问题

目前可供选择的超高清设备并不多，设备的可靠性和稳定性都有待于实践的检验。下面以4K电视为例讨论一下超高清在播出设计中需要关注的几个方面。

1.传输方面

超高清电视信号传输率远大于高清电视信号，目前传输4K信号可采用以下几种方式，但各自还存在一些问题。一是采用4根3G-SDI信号线进行组合传输，虽然当前的同轴电缆能承载3G-SDI信号，但线缆的数量增加了四倍，使得系统建设成本大幅提高，并且结构复杂不便于灵活扩展，使用成本和维护难度都是问题。二是采用一根12G-SDI信号线传输4K信号，这需要高带宽专用的传輸线缆，不过即使这样，12Gbps高数据率SDI信号的传输距离还是会受到影响，不适合远距离传输。三是将视音频信号IP封装后利用以太网进行传输，其布线简单，传输距离不受限，但是电视信号IP传输实时性要求很严格，必须解决丢包、延时、同步等问题，另外基带IP化的标准SMPTE 2022仅是技术标准框架，各厂商的解决方案并不相同，造成不能在IP域直接实现互通互连，统一开放标准ST2110在2017年底发布了部分内容。综上所述，系统设计中究竟采用哪种传输方式应综合各种情况来决定。

2.播出文件编码格式

大部分4K节目是以文件的方式传输到播出存储再通过视频服务器播出的。4K超高清信号编码后的文件码率远高于高清的，素材文件采用什么样的播出码率非常重要，关系到播出系统素材文件的存储容量和读写带宽。播出码率高，对各级存储的容量和读写带宽要求就高，而播出码率低，节目的质量就会受到影响，文件编码格式是设计播出系统需要关注的一个问题。

3.同步和延时问题

目前通常还是用4路3G-SDI来传输4K信号，采用4路信号传输时，因为信号在传输过程中的微小差别，很有可能会导致4路信号不能完全同步，相位偏差超过规定阈值，视频服务器等设备识别不出4K信号。所以采用4路3G-SDI并行传输4K信号时，如何保证4路信号的同步是非常重要的。

4.控制精度问题

SDI播出视频服务器及周边设备的控制通常是由播出控制机通过RS422发送VDCP指令来实现的，传统高、标清播控系统中基于25P的播控逻辑和相关技术不能适用，如何对50P素材达到帧精度的控制是一个值得关注的问题。

三、超高清播出系统设计规划

超高清播出系统主要由播出总控、播控系统、整备系统、编单系统、监控网管系统等组成，并与制作系统、媒资片库以及全台节目分发系统实现互联互通，超高清播出运行架构如图1所示。下面以超高清4K为例来进行论述。

1.4K文件化节目的播出

大部分4K节目是以文件的方式传输到播出系统通过视频服务器播出的，4K信号首先经过摄像机拍摄记录编码成文件，然后通过非编制作、文件整备直到视频服务器解码播出。

（1）4K节目的采集制作入库。常用的4K摄像机有sony的F55、F5，支持4K RAW和XAVC视频记录格式。Blackmagic Design的Blackmagic URSA，支持RAW和Apple ProRes 格式。松下4K专业摄像机Varicam35，支持无损4K RAW 输出。

非编系统有苹果系统Final Cut Por 7，支持Apple ProRes422编码格式；Final Cut Por X 10.0.8支持SDR和HDR制作，安装XAVC插件PDZK-LT2后支持XAVC编码格式。主流非编系统还有Edius PRO 7、Premiere Pro CC、Vegas Pro 12、Media Composer 7、Sobey EditMax10等。

制作域目前主流的几种4K编码方式ProRes422 HQ （1.5Gbps）、DNxHR （1.5Gbps）、XAVC（500Mbps）、AVC Ultra（735Mbps）。有人做过测试，发现1.5Gbps和500Mbps相比，没什么明显的优势，码率提高三倍并没有带来质量方面显而易见的提升。拍摄和制作4K电视时需要高效率4K编码格式，4K/50p信号如果采用XAVC（500Mbps），码率适中，符合电视节目对速度与质量的双重需求。

采用不同的编码格式和封装格式制作完成的4K文件都存入全台的媒资片库。

（2）编单与整备。按照节目单的播出顺序对要播的节目文件自动进行准备。播出系统根据节目单从媒资片库获取待播文件，通过转码、MD5校验、自动技审由迁移服务器将文件迁移至播出二级存储，人工复检模块读取二级存储中的文件，解码输出后通过技监设备进行信号审看，人工复检通过后，文件通过服务器迁移至视频服务器等待播出。

媒资系统存储的是制作码率和制作格式的节目文件，有XAVC 4K编码，MXF格式、ProRes422 LT 4K编码，MOV格式、DNxHR，MXF格式等等。播出系统从媒资片库获取节目文件时，必须对其格式及码率进行转码，转换成视频服务器统一的播出格式。

目前4K视频服务器比如SpectrumX支持XAVC Intra 500Mbps MXF OP-1a等文件播出，如果采用播出码率为500Mbps，以一个频道为例，每天8个小时播出量，存储30天节目，则可算出二级存储容量如下：220GB（每小时节目文件容量）×8（小时）×30（天）/80%=65TB。

如果三倍速读写，同时读写两个流，则可算出二级存储读写带宽如下：写带宽为500×3×2=375MBps，读带宽500+500×3×2=438MBps，混合读写带宽约813MBps。

如果视频服务器能支持XAVC lgop MXF OP-1a文件播出，播出码率降为200Mbps，那么二级存储容量和读写带宽的负担将减轻许多。

（3）4K文件的解码播出。根据节目单，系统会将节目文件从二级存储迁移至频道对应的播出视频服务器磁盘阵列（三级存储），播出下级机根据节目单的播出时间，控制视频服务器进行解码播出。

采用一体化播出服务器，其技术核心是将文件解码、信号切换、图文包装和键控器等功能软件化，运行在通用的计算平台上。一体化播出服务器使得播出系统得到进-步优化。

SpectrumX是一体化播出服务器，支持xavc Intra 500Mbps MXF OP-1a等文件格式。以单频道为例，如果按每天8个小时播出量，存储7天节目，则可算出三級存储容量如下：220GB（每小时节目文件容量）*8（小时）*7（天）/80%=15TB。

如果按三倍速写三级存储，则写入带宽如下：500Mbps*3/8=187.5MBps。

与二级存储相同，如果视频服务器支持XAVC lgop MXF OP-1a文件播出，播出码率降为200Mbps，那么三级存储容量和读写带宽的负担也将减轻许多。

2.总控4K信号的播出

除了文件化的节目播出外，还有通过总控传来的外来信号的播出，主要包括演播室直播信号和从卫星接收下来的信号。4K信号实时传输上有较大的瓶颈，有两种方法传输。一是4K信号采用4路3G信号进行传输，但4路信号之间的同步要求是极其严格的，需要严格保证四路高清信号相互间的延时量不能超过0.5ms。外来信号特别是从卫星接收下来的信号，由于通常要经过处理，处理过程中某环节上的细微差别会导致4路信号之间出现不同步，因此在进入播出系统之前，应通过帧同步板卡，以保证四路信号之间严格的同步关系。intoPIX公司提出的TICO视频浅压缩方案，压缩比为4：1，可以将1路12Gbps信号或者4路3Gbps信号压缩到一路3Gbps在普通的3G-SDI电缆上传输，同时保证图像质量，所以第二种方法是通过TICO视频浅压缩把信号送到播出域，再通过TICO解码器还原出4K-SDI信号，然后经播出矩阵送到视频服务器播出。

3.播出控制系统

播控系统AV链路示意图如图2所示。

SpectrumX视频服务器兼容SDI和MXF文件播出，视频服务器内部能够进行两种不同信号来源的处理，支持SDI信号和本地MXF文件的切换。服务器具备RS422和IP控制接口，支持VDCP LOUTH、Oxtel和API 控制协议。

为了保证安全播出，播出系统配置了4K应急介质播放器和4K垫片播放器，紧急情况时可以采用介质或切换到垫片播放器播出。

总控信号、应急介质信号、垫片信号通过播出矩阵进入视频服务器。播出控制机根据节目单控制播出矩阵、视频服务器和介质播放器，完成视频播出、信号切换、图文叠加。

关于控制精度，由于我国超高清4K节目多采用50P素材，所以之前高、标清播控系统中25P的播控逻辑需要更新，目前采用VDCP控制扩展协议，使得播控软件能识别节目单中关于50P文件的出入点，并可对50P素材PLAY等操作做到帧级别的控制。

4. 监控系统

监控平台采用全域对象统一管理将IT及AV设备、网络、软件、业务、信号监控等有机结合，实现基础设备环境、基础平台、链路信号、文件流程、运行维护的全域监控。监控服务包括监控信息采集、监控策略管理和监控信息展现。

5.节目分发传输系统

通过电视节目分发系统，不仅可以把电视节目发布到传统的有线网络和卫星网络，还可以通过新媒体接口，把电视节目发布到各个网站、移动软件等平台之中，人们可以通过电视机、电脑、手机等不同的终端在任何时间任何地方欣赏高质量的电视节目。为了满足各层次观众不同的收视习惯，各平台在节目播出内容和时间上可以做针对性的安排，并且系统能够依照用户具体行为完成大数据的处理以及节目推送工作。

为了规范超高清电视信号的传输，国际标准组织围绕卫星、有线、地面和网络传输方式都出台了相关的标准。HEVC/H.265标准是目前公认的4K编码压缩技术，相比AVC/H.264，HEVC/H.265码率降低了一半，这对高码率的4K超高清信号的实时传输是非常有利的。我国针对4K超高清电视应用，近年自主研发了视频编码技术，简称AVS2.0，该标准将作为我国4K超高清电视视频编码标准。

四、小结

超高清电视已向人们走来，清晰细腻的画面、丰富逼真的色彩和高质量的声音给人们带来享受的同时，也给电视台超高清电视节目播出提出了迫切的要求。目前，广东4K超高清频道已经开播，2018年国庆节中央电视台4K超高清频道也要开播。随着技术的发展，超高清播出系统的不断完善，越来越多超高清节目将走近人们的视野。

参考文献：

[1]崔建伟.中央电视台4K项目研究与进展[J].现代电视技术，2016（5）.

[2] Michael Steel，刘巍.廣播电视IP化——从理论到实践[J].现代电视技术，2015（10）.

[3]姜斌.浅析4K超高清现场制作系统的基本架构[J].现代电视技术，2015（12）.

[4]丁研，韩冲.4K电视架构浅谈与欧洲杯4K测试系统实践[J].现代电视技术，2016（10）.

（作者单位：中央电视台）