电视节目的高清直播及4K制作

沈雁

【摘 要】 通过分析世界杯《豪门盛宴》节目的高清直播以及4K录制的方案，探讨现阶段大型综艺节目采用高清兼容4K、虛拟场景特效等技术的制作模式。

【关键词】 电视节目制作；高清兼容4K；多通道收录；虚拟特效

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.07.010

2018年6月14日?7月15日，2018年世界杯在俄罗斯举行。中央电视台（以下简称“央视”）作为世界杯中国地区独家全媒体转播商，在世界杯期间完成多档的自制节目，并且在莫斯科红场还搭建了前方演播室，及时传回精彩的前方报道。其中，在每届世界杯期间制作的球迷观众喜爱的足球综艺节目——《豪门盛宴》，于每晚球赛前在CCTV1和CCTV5两个频道进行直播，在进行高清直播的同时，还收录了所有摄像机4K信号，并采用虚拟切换合成的方式快速制作4K版的《豪门盛宴》，在央视4K超高清试验频道开播前，先推送到全国部分有线电视网的央视4K专区供观众点播。

1 演播室制作系统分析

《豪门盛宴》使用央视光华路办公区的E01演播室（2 000 m2）进行节目制作。舞台布置分为常规节目区和虚拟绿箱区，如图1。

节目使用10讯道4K摄像机进行拍摄，摄像机型号为池上UHD430。10讯道中包括3台虚拟机位，其中一台为固定虚拟机位，一台为3 m的虚拟摇臂以及一台NCAM定位的8 m摇臂共同完成虚拟特效。固定虚拟机位和3 m的虚拟摇臂主要用于绿箱区的拍摄，合成前景及背景的虚拟特效。NCAM定位配合常规摇臂拍摄演播室常规现场，实现虚拟植入的特效。

《豪门盛宴》作为一档直播互动节目，还要与前方红场演播室、各比赛地点和随队记者连线，以及接收由前方制作团队选切回的球赛预热画面，如各球队乘坐大巴到达比赛现场等画面。

E01演播室群共8路外来信号供《豪门盛宴》直播使用，其中，除支持本地4路外来信号接入外，还有共享的4路公共外来信号。

演播室使用2台EVS XT3服务器用于节目插播放像以及高清节目的收录，其收录无字幕版节目信号（CLEAN PGM）。同时，使用XT3服务器做外来信号的精彩编辑，由一名体育编辑即时剪辑球赛预热画面作为精彩回放。

演播室使用3套ORAD在线包装系统，用于支撑节目包装如人名条、唱词、角标LOGO等。节目直播采用后延时方式，延时20 s播出。《豪门盛宴》演播室系统包括信号源、直播及录像系统，示意如图2所示。

2 节目的虚拟特效

一般来说，虚拟特效可以分为虚拟背景和虚拟前景。

虚拟背景，是以计算机三维动画“虚拟”出的场景取代道具实景，现场布景由蓝箱或绿箱取代，摄像机拍摄的画面只是图像的前景，背景则由相配的图形工作站制作产生。人物通过键控器从蓝箱或绿箱中抠出再叠加到制作好的虚拟背景上，即可输出一个渲染好的合成画面。

虚拟前景，就是不抠像，是在摄像机画面的前面再叠加一个虚拟的场景，比如体育馆或得分标牌等，在人物的前面悬浮在实物场景中。

而前景和背景相结合就可以得到把人物镶嵌在三维场景中的特效，更加贴近实景，还能虚拟出很多充满想象力的画面。本次《豪门盛宴》的直播中，就结合了虚拟前景、虚拟背景的特效，虚实结合的特效完成阵容预测、网络数据互动等节目环节。

虚拟制作过程中，需要注意一些细节，以保证画面的质量及真实感。一般绿箱虚拟录像常常应用于后期制作的节目，在彩排时需要配合绿箱虚拟录像仔细地调整摄像机的状态并记录下来，保证直播中人物抠像干净。同时，需要通过虚拟跟踪系统获取摄像机运动的参数，包括摄像机的变焦、聚焦、平摇、俯仰及摄像机位置的X、Y、Z信息。

《豪门盛宴》的虚拟场景中，除了使用常规的固定机位和1台虚拟摇臂之外，还使用了1套NCAM跟踪系统，如图3所示。这种新式的跟踪系统可以通过两个摄像头模拟人眼的原理，通过角度的调整实现对三维位置的定位，只要在场景中有直角或定位标识，就可以得到摄像机X、Y、Z位置数据，用于虚拟渲染（见图4）。

3 高清兼容4K制作模式

4K超高清因其更高分辨率、更宽色域和更高动态范围已经成为电视行业的发展方向，央视将于2018年10月1日开播4K超高清试验频道。从制作模式来看，如纪录片等节目的单机外拍并经后期精细化制作后输出成品节目的模式，目前已经相对成熟，《舌尖上的中国》《记住乡愁》等精品纪录片都是这种模式制作的。当然由于4K的素材码率远远高于高清素材码率，所以在信号传输、后期组网、多轨编辑和存储上还有一些受限。

对于超高清演播室现场制作，IP化是目前业内共识的发展方向，在目前SMPTE2022-6（SDI over IP）的标准框架下，还有一些系统上的障碍，相对于全流程系统的不成熟。在摄像端，3片2/3英寸CMOS的全4K摄像机已经在近两年推出。所以，在当下向4K时代过渡的前4K时期，采用高清兼容4K的制作模式来迅速积累4K素材应对4K频道的开播，即只有摄像机更换为4K摄像机，演播室系统仍为高清系统。制作《豪门盛宴》的E01演播室就采用这种方式，使用池上的UHD430超高清摄像机，嫁接在原高清的制作系统之上，如图5。

首先，4K摄像机的高清输出接口接原高清系统制作高清节目，完成直播或录像，与原高清系统输出的节目信号没有区别。

4K摄像机的4K输出则由4K多通道录制服务器进行收录。为了快速地制作与高清直播内容相同的4K版节目，如果只进行多机位的收录，然后在后期用高清进行人工比对来制作，费时费力，所以采用虚拟切换合成4K节目信号的方法，快速生成4K版本的节目素材。

3.1 4K节目的多通道录制并合成

在高清节目制作中，随着季播类节目的热播，摄像机机位大大增加，在拍摄现场主演播区画面的同时，还要拍摄记录下嘉宾、观众的反应等演播现场的细节画面。而多机位拍摄不仅仅是增加摄像机的数量，还带来同步记录素材、后期多轨同步编辑的需求。由此而来，在前期拍摄时，多通道录制系统需要实现按照相同的时间码记录多个机位的素材记录，使录制素材同步；在后期制作时，可以多轨同步编辑多机位的录制素材，再现节目录制现场。目前，很多大型的综艺节目已经采用这种方式。

现在，建立在IT技术之上的多通道录制系统已经可以支持4K素材的录制。因此，对于只有摄像机升级为4K的演播室系统，采用4K的多通道录制系统，也可以制作出4K的节目。

第一阶段，由于没有切换的4K PGM版本，所以同步记录4K多通道录制素材，需要采用人工的方式与高清PGM比较，在时间线上按照高清PGM的切换点来手动拼接素材，合成最终的4K PGM。

第二阶段，切换台可以输出自己切换的信息，按照高清切换台的切换信息通过软件自动读取4K多通道的录制素材并合成4K PGM版本，这样可大大节省人工比对的时间。

第三阶段，在合成4K PGM的同时能够立即播出，并实时监看4K PGM。

当然这种方式是现阶段兼容制作的妥协方案，合成的4K PGM还要进入超高清后期制作进行简单剪辑和调色。

在实际的节目制作中，也并不是所有的信号源都是4K的。正如前面所说，在当下前4K时代，节目制作常常只有摄像机信号是4K信号，而插播素材、字幕、包装、虚拟等特效画面还都是高清信号，如果仅以纯4K信号来制作，往往节目是不完整的，很多创意还不能满足。所以，在兼容制作的模式下，把非4K信号源进行上变换得到4K信号，再与摄像机的原4K信号混切。比如《豪门盛宴》节目最终生成的4K版，实际上只有演播室摄像机是4K信号，其他信号都为上变换的准4K画面，即采用SONY HDRC4000交叉变换器完成从HD SDR BT709到4K HDR（HLG）BT2020的上变换工作。

3.2 4K现场制作中的HDR

在4K超高清的定义中，有5个主要的维度区别于高清，即分辨率4K/8K（Ultra High Definition Television）、高动态范围（High Dynamic Range，HDR）、广色域（Wide Color Gamut）、高帧率（High Frame Rate，HFR）以及高位深（10 bit以上）。

央视制定的4K超高清电视节目制播技术规范中规定，播出频道采用4K、广色域ITU BT2020、HDR HLG曲线、50P的格式。这也要求现阶段要尽可能地储备HDR的4K素材。而在实际节目制作中，HDR却是常常困扰的问题。

首先对于外拍节目，摄像机各个厂家常使用自己的LOG曲线，经过后期加载LUT调色的方式来制作HDR的成品节目。对于现场制作使用LOG曲线，使得节目制作往往处于一种所见非所得的状态，不能很好地支持HDR的画面制作，而且不是所有监视器都支持HDR显示。所以，对于演播室现场制作，要实时制作HDR，在100 nit以下和SDR曲线相近的HLG曲线更适合于现场快速制作的特点。主流的国际HDR曲线如图7。

在该节目实际制作时，不得不面临高清和4K同时制作的问题，当然同时面临着HDR和SDR的兼容制作问题。

一般主观来看，HDR画面比SDR画面至少要大一档光圈值，才能发挥出高动态范围优势，有时甚至要大两至三档光圈，画面仍然是合适的。但是，同一台摄像机当然只有一个镜头、一个光圈的数值，如果按照高清SDR画面来调整光圈，则HDR画面不够明亮；如果按照HDR画面来调整光圈，则高清画面就会过曝光。

理想方案：全4K HDR制作，按照HDR调整光圈，用4K HDR的成品节目下变换来得到高清SDR的画面，可以通过后期来调整HDR曲线或是通过调整下变换器的HDR参数值，来适配HDR和SDR的画面。

折中方案：现阶段主要系统仍然为高清系统，只能采用一种折中的方案。由于4K摄像机的4K输出和高清输出都可以分别调整增益值，使得在同一个光圈值实现两种画面亮度成为可能。比如2018年的《春节联欢晚会》，也是采用高清兼容4K，软件制作按照高清的切换信息合成的方式实现4K节目的快编立出，当时HDC4300摄像机拍摄采用了SLOG3的HDR曲线。但在备播时发现，SLOG3曲线的噪波很大，需要经过后期降噪處理才能正常观看，如果再增加4K画面的亮度增益就会带来更大的噪波，所以通过降低高清输出的增益来实现HDR和SDR不同亮度输出的要求，如图8。

最终高清降9 dB，也就是高清的光圈要增大3档左右，《春节联欢晚会》的灯光效果明亮，照度高，常规光圈甚至可以用到F8，所以降9 dB还可以维持在光圈F4的正常值。但是对于常规演播室节目照度没有那么高，一般高清光圈在F4～F6之间，再过多地降低高清的增益，光圈就算推到最大，画面也不能使用。所以，在本次《豪门盛宴》的制作中，E01演播室在使用中采用折中制作的办法，增加一半的4K增益，降低一半的高清增益，来兼容平衡4K HDR和高清SDR的画面。

4 总结

世界杯是人类体育史上的奇迹，可将全世界众多人的目光汇聚在64场比赛当中。央视在世界杯转播前就在策划《豪门盛宴》节目高清兼容4K的制作，同时为了节目创新，技术部门也一直在跟踪新的技术，如虚拟技术、战术分析系统等，最终在直播中呈现了非常好的虚拟特效。在又一次结束《豪门盛宴》节目直播之际，作为电视行业的从业者不得不深深思考，四年之后又会做出怎样的改变，媒体宣传的格局又将会发生怎样的改变。其实，无论如何改变，广大电视用户追求新技术带来的高画质、高观赏性的需求不会变，4K超高清全面替代高清的发展不会变。笔者以此文抛砖引玉，与所有在传统媒体变革时代共同努力的同行们共勉。