广播电视4K超高清播出系统关键技术探讨

程斌

【摘要】近年来，随着人们对电视节目清晰度、流畅性、广视角等要求的日趋提升，促使4K电视节目应时而生并日渐“受宠”。加大对4K播出系统内容建设、技术支撑等的探索与研究，刻不容缓，亟需跟进。本文结合笔者相关实践经验，首先阐述了广播电视4K超高清播出系统的建设理念，然后进一步探讨了广播电视4K超高清播出系统的相应关键技术，以期能够为广大广播电视技术人员在开展相应工作时有所裨益。

【关键词】广播电视;4K超高清;播出系统;关键技术

1. 广播电视4K超高清播出系统的建设理念

4K超高清播出系统建设应严格依照国家相关技术标准，结合新兴工艺技术，并遵循“高效、可行、简洁”的原则，建设集播出、监控、管理三位一体的超高清播出平台，并通过自动化硬盘播出控制软件实现高清电视节目串联单的自动播出、图文控制及信号直播。

1.1 提升播出质量

4K超高清播出系统充分融入新兴超高清显示工艺技术，从而为显著提升电视节目的播出质量提供了技术支持，主要表现为色域空间、数字量化、三维声（3D+Audio）音频、图像分辨率等质量的提升。另外，超高清播出平台依旧使用传统硬盘多通道自动播出系统，从而有效满足不同节目类型、不同播出形态的制播要求，并使电视节目通过手动或自动的形式按照规定顺序播出，而播出形态则主要通过硬盘、光盘等存储设备事先录制的文件形式播出，或通过总控室的直播信号进行播出。同时，在这一环节完成图文输出字幕的叠加，并结合节目播出的实际需要对具体播出进程予以调节。

1.2 应用新兴技术

4K超高清电视播出系统将4K编排与文件管理加入业务流程，并通过部署虚拟基础架构，促使基于4K视频文件的带宽、转码、质检运算等能力得到提升。其次，加强对新型视频监控数據处理、AI故障分析与排查，以促使基础资源合理配置、敏捷资源优化整合、应急自动化切换以及故障智能化诊断等目标得以顺利实现。此外，通过将基带视频SDI信号IP化传输的封装方式融入音视频基础架构，并通过IT交换机、物理链路等连接，为4K视频无压缩码流的传输提供足够的带宽支撑，从而为质检人员监听、监看提供便利，同时融入音频、视频运算处理软件，进而实现音、视频处理的灵活化收缩。

1.3 实现灵活应用

超高清播出系统延续采用以往节目单驱动播出的形式，同时在播出运行的全生命周期增加自动化闭环控制。并通过通用平台架构的应用，促使现有各系统与IT通用数据资源、软件能力模块等实现高效融合，从而促使新播出业务实现灵活化拓展。与此同时，4K超高清播出系统结合当下新兴科学技术与业务水平，在软件架构的构建时引入基于“管、监、控”的三维模型体系，并能够有效支持服务器及桌面的虚拟化技术，以进一步实现了电视节目播出服务的灵活化、敏捷化扩展与收缩。

2. 广播电视4K超高清播出系统的关键技术

2.1 50p播控技术

由于以25帧（50I）播出控制逻辑与技术为基础的传统高清播出系统的不适配性，使得对以50p为基础的4K播出控制系统的适配性予以改造成为关键。对此，务须严格依照4K超高清电视播出系统建设的相关标准要求并采用50p帧频逐行扫描，以最终实现以50p帧精度实现超高清节目的播出控制。其中，通过以50p为基础对4K播出控制逻辑予以适配性改造，从而使4K超高清播出软件可以对播出单中50p文件素材的入出点予以准确识别，并能依照50p素材的Cue、Play等不同级别帧精度的播出控制操作生成与之相对应的正确指令，再通过视频磁盘通讯协议（即VDCP协议）传输至服务器。在服务器端，服务器在接受到相应的播出控制指令后，将播出控制指令中关键帧位置进行映射、转换并以LTC+VITC格式进行表达，然后与文件时间码轨中的LTC时码和VITC时码相结合，并按照播出控制指令中帧的要求对50p素材文件予以精准定位。

2.2 4K净静切换技术

音频、视频链路中的播出信号主要包括主播视频服务器、备播视频服务器、异构二备播系统服务器、CYC垫片视频服务器等4条路径输出的4K视频信号，输出的信号通过4路3G-SDI信号然后以Qua-link连接的形式进行传输（如图1）。在实际的系统设计时，链路最末端按照4台双路二选一的主、备倒换器进行配置，该配置形式共有3G-SDI信号的输入端口16个以及输出端口8个，端口的配置数量能够有效满足4路4K视频信号4选1的需求。其中，对于链路末端的双路2选1主、备倒换器，具备帧同步、净静切换的相关功能，且控制面板能够通过GPI通用接口促使4路3G-SDI信号帧精度实现净静视频切换。4台倒换器在收到来自GPI接口的切换指令后，在视频切换行完成视频净静切换，此时所有完成净静切换的信号均是以同步帧精度为基础进行的切换，如此便实现了以Qua-link连接传输为基础的4K基带信号净静切换。

此外，由于切换面板与4台双路2选1主、备倒换器通过GPI并联，所以任何2选1倒换器设备出现短路故障，将会造成切换面板无法对另一2选1倒换器设备的GPI控制口的点位水平进行判断。因此，可通过在控制面板与4台2选1倒换器设备间加设单向信号限流装置，从而使任何一个倒换器设备出现短路故障，都不会对另一个2选1设备的GPI控制口电势差造成影响，由此便可有效规避切换设备的单点故障而影响电视节目的正常播出。

2.3 信号一致性比对检测

由于音视频信号链路中4K视频信号的质量监控要求，使得须分别对4路分量视频信号予以采集，制定相应的质量监控KPI，并严格依照相应的真值逻辑进行信号一致性比对检测，以实现4K信号质量的有效监控。其中，一致性检测算法主要由视频一致性检测与音频一致性检测两部分内容所组成，其是指在指定的延时范围内，对音视频信号一致性进行比较，以测量对比音频、视频信号是否一致，进而得到音频、视频信号的同步状态。

同时，针对每路3G-SDI信号也可以通过一致性比对软件进行检测，其中，视频信号检测的内容主要为视频丢失、中断、静帧、黑场以及红、蓝、灰等纯色彩场，音频信号检测的内容主要为静音、音量过高或过低、音频中断或反相等。通过一致性比对检测，能够协助技术人员判断哪路信号存在问题。在进行音视频信号的检测时，主要在采集线程以及检测线程两个线程中进行，其中，采集线程主要是通过音视频采集卡进行音视频信号的采集，然后通过回调函数对所采集的数据进行预处理并进入待检测数据队列;在检测线程中，通过对数据队列中的检测数据调出、检测，并将一致性检测结果返回以完成比对、分析（如图2）。

对于一致性比对检测所应用的4K画面一致性比对仪，其输入端口为12个3G-SDIBNC接口，可以实现对4K音频、视频信号的提取、比对并分析画面一致性，以满足主播出、备播出以及异构备播服务器等三路Qua-Link连接的4K超高清画面输入要求。4K信号的连接形式为：12路3G-SDI信号与信号比对仪相连接，逻辑上对同一超高清信号的4路3G-SDI信号予以标记。在进行一致性对比时，将各路4K信号相同位置处的1/4画幅予以比对，对比画面中有任意1/4部分不同则可判断两路信号的内容不同。由此可见，将三组信号的两两进行对比，则可判断画面的一致性。此外，信号比对仪除了能够对画面内容进行比对外，还能够对信号的延时、亮度以及声音等内容的一致性予以判斷、对比，以帮助技术人员对画面所存在的问题进行迅速判断。进而通过4K画面一致性对比、4K信号质量监控，能够对播出节目信号、链路状态予以自动化监控，并能精准快速查找问题及故障设备，同时在系统对信号进行分析后，输出处理结果并完成主播、备播、异构二备播以及CYC垫片等四路信号的末端应急切换，进而显著提升了4K播出系统的安全性、稳定性。

3. 结语

高质量的节目内容是提高广播电视行业市场竞争力的关键，因此，加快推进4K超高清电视节目的标准化、规范化发展，成为当下广大广电人员所关注的重点。对此，须齐心协力，共创共建，多措共举，积极打造安全、稳定的4K超高清播出系统，更好发挥4K超高清电视的特点与优势，进而为有效提高电视节目播出质量，提升广大受众观看体验夯实基础。

参考文献：

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