超高清电视播出系统展望

李 敏

（四川广播电视台，四川 成都 610041）

1 研究背景

随着电视播出从模拟技术到数字化技术，从标清电视发展到目前主流的高清电视，直到近几年最新的超高清电视播出技术，科学技术的不断进步极大地改变着电视播出技术系统、电视视音频信号质量和受众收看电视的内容。电视播出系统如何来重新设计和构建，满足电视播出最新技术的发展，在更高技术条件下实现更加集约化、信息密度更高、系统更高程度整合、控制更加自动和智能化的系统功能，就成为广大广电技术人员所面临的现实问题。

本文将从超高清电视逐步普及的大势所趋之下，根据新技术的发展，试图在可以预见的未来，展望4K超高清电视播出系统在新技术时代条件下的构建思路和超高清电视产业发展的方向。

2 我国4K超高清电视播出系统现状

随着标清电视和高清电视的大范围普及，目前我国的电视播出基本上呈现出以下的特点：一是全国整体上是高清电视播出为主，标清电视为辅；二是东中部和部分发达的西部地区已经完全实现高清化播出，少数省份和地区正在发力进行标清电视播出系统高清化改造；三是部分省市已经涉足4K超高清电视领域，拥有了自己的4K超高清转播车、4K超高清演播室或者4K超高清电视播出系统，从总台到省级及地方初步具备了4K超高清电视制作和播出的能力，但这种布局分布在全国来看是极不均衡的；四是总台已经率先试水8K超高清电视技术，对更高更新的电视技术进行验证和尝试。

就技术而言，自从日本NHK电视台科学与技术实验室研发出超高清电视有关技术以后，后高清时代也随之而来。超高清电视可以播放高达4320线×7680线的图像，这是高清电视的四倍！在实际的使用当中，超高清电视的有效分辨率也高达3840×2160。相较于标清和高清电视，这种改变是非常直观和大跨度的。从观众的角度而言，用肉眼就可直观的分辨出画质的好坏、清晰度的高低、有效像素的多少、画面明暗对比度高低、沉浸式体验感优劣等。继高清电视之后，超高清电视技术再次使用户从视频到音频的感官体验都得到了质的提升。上一次这样的用户体验的大幅度提升还得回退十多年前在从标清电视到高清电视发生演进的时候。

从产业的角度来看，推出4K超高清电视频道，能够极大地对我们现在的节目播出内容进行有效的补充和品质提升。现在，我国的4K超高清电视机普及率已经超过85%，但是各电视台4K电视频道的播出还处于起步的阶段。不断推出和完善4K超高清电视播出频道，能够极大地推动4K全产业链的发展。通过比较小的投资能够拉动数十亿级的上下游产业发展，例如刺激4K超高清机顶盒，4K超高清电视机的消费，促进广播电视信号传输网络的升级改造，促进高带宽广电设备的更新换代，促进4K超高清电视制作生态的快速发展等。从整个社会经济发展的层面而言，这既促进了国内经济内循环，也能够增加外部经济循环的动力，所以推动4K超高清电视频道建设是非常有必要和迫切的。而现实情况是，目前国内能够提供4K超高清电视播出频道的电视台不超过七家——显然，这是一个需求远远大于供给的局面。如何更好更快地建设和实现4K超高清电视频道播出是现在和未来一个阶段各级电视台，尤其是总台和各省级主要电视台亟需面对的课题。

3 我国4K超高清播出系统架构

就目前国内已经建设和播出的超高清电视频道而言，其总体的系统架构，是采用基带的SDI系统。这种系统有显而易见的好处：一是系统简单清晰。按照传统的基带系统思路进行搭建，系统内各种信号按照输入输出的接口设置，分别在不同的线缆上进行点对点传送。二是按照传统的基带电视播出系统进行构建，有利于后期的运行和维护。三是技术适配性非常好。人员培训周期短，对系统的理解较为容易，能够较快上手进行操作，较快进入角色。同时，缺点也非常的明显：按照系统的信号传输方式的不同，基带4K超高清播出系统可以分为4×3G和12G两种系统。4×3G系统最大的问题在于，每一路信号需要用四根3G SDI同轴电缆并行传输，这对4个线缆的信号同步调平要求非常高。同时，哪怕构建的电视播出系统规模不是很庞大，但是相对于高清系统，线缆量是其四倍，所以在信号传输层面会显得系统非常的臃肿：理论上而言，构建一个4K超高清电视播出频道所需要的SDI同轴电缆的数量就是相同系统架构情况下一个高清电视播出频道使用线缆量的四倍。而且随着系统的规模在后期的扩展，采用4×3G的系统的可扩展性也是一个非常大的问题。同时，因为系统内子信号路数的4倍关系，对于这类系统的故障点定位也需要花费更多的时间进行排查——这是比较难以接受的一个现实。

对于12G的4K超高清电视播出系统，它存在的主要缺点：高带宽要求，超高清电视信号在12G同轴电缆中的传输距离有限。经过实践证明，超过70m以上的超高清电视信号12G电缆传输有一定的困难。所以在规避了部分4×3G的缺陷后，又遇到了新的难以克服的问题，这对于电视系统和外来信号之间的连接产生了巨大的阻碍。因为从具体实践而言：演播室、电视播出、电视总控、分控等各子系统之间的距离往往是大大地超过了这个距离的。所以，用12G基带同轴电缆构建一个电视播出系统是存在一定问题的[1]。

针对构建4K超高清电视播出系统遇到的问题，考虑人员培训操作难易度的情况，在尽量不改变原来电视采、编、播流程的前提之下，提出一种更为合理的、较为经济的、具备系统扩展性和前瞻性的新一代的电视播出系统，是整个业界的共识和追求的目标。

4 一种基于IP架构的系统方案

随着工信部、国家广电总局联合印发了《超高清视频标准体系建设指南》，国内的4K超高清电视应用出现了爆发式的增长。从目前4K超高清电视播出系统所面临的问题来看，无论是厂家还是各个电视机构都已经积极行动起来，面对问题、分析问题，试图以一种最佳的能够达成共识和值得推广的方案来解决问题。目前的共识是：通过建立一种非传统的电视播出系统，从而更好地解决超高清视频业务，并且能够规避之前所遇到的各种问题。于是，一种基于IP架构的系统方案呼之欲出[2]。

我们这里要说的是一种基于SMPTE2110系列标准的多流分离I P传输方式的超高清电视播出系统。相对于传统基带电视播出系统的最大不同在于：将SDI基带信号进行了IP化封装，并且这种封装不是原封不动、单纯地将SDI信号进行IP转换，而是对原本嵌入的视音频信号、辅助信号进行了单独的处理和IP打包，在一个全IP的系统内进行信号传输。这个系统最大的优点是：抛弃了原来输入信号、输出信号、输入线缆、输出线缆的传统物理定义。只要系统传输带宽能够满足信号传输需求，一根小小的光纤内就可以同时传送很多路信号，哪怕这些信号从传统视角来看是“逆向的、有入有出的”。由此可见，这样的系统可以最大限度地减少线缆的使用数量，从而极大地减少系统的物理体量[1]。同时，相较于较早期的SMPTE2022系列标准而言，SMPTE2110把视频和音频以及辅助信号分别进行了打包传输，方便了下游设备对所需处理的某类某个信号（视频、音频、辅助信号）直接进行提取和处理，这一点极大地优化了信号处理的效率，在SMPTE2022系统中需要将打包信号进行解封装，然后进行视音频解嵌，在对所需信号（视频或者音频）进行获取和加工以后再进行视音频信号加嵌，最后再对加嵌后信号进行整体IP化打包封装过程。整个系统的工作效率得到了提升，也提高了带宽的使用效率[3]。

基于SMPTE2110协议标准的IP系统的广电应用思路方兴未艾。在全国各省级电视台基本上完成高清化改造的今天，我们需要考虑的是下一代电视播控传输技术以及随之而来的系统架构应该怎么实现的问题。从目前技术成熟度和使用满意度的情况来看，基带系统必将成为一个比较长期的存在的系统架构解决方案。然而，如果有新建一套播控传输系统的考虑的话。规划和建设一套IP化的系统应该也是一个非常不错的选择。无论是高清播、总控系统还是4K超高清播。IP化必将以其独特的魅力和优势，成为我们下一代广电行业播、总控系统的明智之选。各类基于IP的功能化定制开发还处于一个上升阶段，例如，基于IP系统的电视信号线路上载导入系统，类似于这样的功能现在暂时还处于半应用阶段。

5 结束语

随着超高清时代的到来，如何利用既有的经验和系统集成能力，实现更高效便捷的应用？系统架构的路线选择如何决策？如何把我们面临的许多现实需求通过全新的IP系统来实现？这些都成为广大的广电工作者需要面对和解决的问题。