4K超高清播出系统设计研究

吴清晓

（海南广播电视总台，海南 海口 570100）

0 引 言

超高清视频产业是近年来国家、社会及企业普遍关注的信息化建设内容。工业和信息化部和国家广播电视总局等部门于2019年发布的《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022年）》明确指出，加快发展超高清视频产业，对满足人民日益增长的美好生活需要、驱动以视频为核心的行业智能化转型以及促进我国信息产业和文化产业整体实力提升具有重大意义。超高清视频产业是产业生态发展的核心内容。在国家政策和行业发展的引导与刺激下，各地区的广播电视媒体开始探索基于超高清技术的播出系统及其应用模式，逐步提出了打造4K超高清播出系统的设想和具体方案。

1 4K超高清播出系统概述

4K超高清播出系统是围绕电视节目播出方式和效果进行的技术性革新［1］。近年来，广东广播电视台和广州市广播电视台等电视台的系统应用实践表明，该类播出系统具有高清晰度、高动态范围及图像还原更真实等特点。

1.1 高清晰度

超高清是4K超高清播出系统的显著特点。高清晰度体现在画面具有较高的分辨率。4K超高清播出系统的分辨率效果可以达到3 840×2 160，显示的像素点数是HD高清的4倍，且可以实现最低50帧的逐行扫描，最高可达100～120帧［2］。4K超高清播出系统的高清晰度和高帧频特点能够极大地改善电视节目的播出效果，增强观众的观看体验。

1.2 图像还原更真实

与传统标清（Standard Definition，SD）和高清（High Definition，HD）的色域范围相比，4K超高清播出系统的色域范围可以达到Rec.2020标准。基于4K超高清播出系统的UHDTV超高清电视的色域相比基于HD高清电视的色域范围有了更大的扩充，提升了画面的色彩丰富度，使电视节目中的图像呈现更加接近真实环境［3］。例如，在使用基于4K超高清播出系统的电视收看足球比赛时，观众可以明显区分球员衣服上的红色与现场LED显示屏上红色的深浅度。

1.3 高动态范围

4K超高清播出系统使用4K高清标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR），可以显示出超高清的图形。播出系统的带宽从原来的HD 3 GB提升到了4K超高清的12 GB，使得电视信号的传输网络更加畅通、快速，增加了动态画面的传递效果。

1.4 功能强大

4K超高清播出系统不仅具有节目播出功能，而且具有内容编辑的功能。例如，基于4K超高清播出系统组建的超高清IP电视具有强大的兼容性和灵活的输入输出特性［4］，支持基带数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）信号、IP流上的基带SDI以及IP流上的压缩域传输流（Transport Stream，TS），用于实时的电视信号输入与输出，从而为相关工作人员提供内容编辑功能。

2 4K超高清播出系统的设计思路

围绕超高清播出功能的实现，4K超高清播出系统进行了一系列技术迭代升级，以提升电视播出的整体效果。结合目前一些地区的相关实践来看，超高清播出系统的设计主要遵循以下思路。

2.1 播出系统功能的设计

4K超高清播出系统主要包括播控、总控、编单、整备、传输、监管及辅助7个子系统。其中，播控子系统处于核心地位，与其他6个子系统保持交互关系，保证系统的有序运行和节目的顺利播出。总控子系统与播控子系统连接，向播控子系统传输4K视音频信号；编单子系统主要承担电视节目单的编辑和审核，并为播控子系统自动切换播出素材与叠加台标角标提供相应参考［5］；整备子系统主要负责按照节目单的编排内容进行相关文件的迁移，并对素材与外来文件进行相应的编辑和存储操作，确保素材满足节目单的内容编排要求；传输系统主要负责播控系统与下游传输单位之间进行信号交互，确保节目传送到终端用户；监管系统对播控系统的运行情况进行监测，实时掌握超高清系统设备的运行状况，并及时进行播出系统、硬件设备以及信号传输系统的故障运维；辅助系统对播控系统的运行日志内容进行交互，确保播控系统相关记录的存储与管理。

4K超高清播出系统的7个子系统相互协作，共同完成节目播出。4K超高清播出流程如图1所示。

2.2 播出系统技术路线的设计

4K超高清播出系统主要通过4路3G-SDI基带系统对视音频链路进行设计，并配备All in One视频服务器与倒换器，使系统具备硬盘播出和线路直播等功能。同时，设计者可以为系统配置相应的同构主备播出视频服务器和异构二备视频服务器，采用多路备份使系统在运行过程中具有强大的容错处理能力［6］。系统运行时配备有在线监测设备，监测和控制系统的视音频链路的实时运行状况，以及时发现和处置系统运行时出现的异常现象，保证系统正常运行。

图1 4K超高清播出流程

3 4K超高清播出系统设计需要注意的问题

近年来，部分广播电视台基于4K超高清播出系统的功能及使用路径规划，探索构建了以时码控制技术、4K净切换技术以及4K画面一致性比对技术等为关键技术的4K超高清播出系统，为电视播出质量和效果的提升提供了技术性支持。但是，由于系统设计和研发尚处于深入探索阶段，缺乏成熟的模式和完备的技术，因此在实际的系统设计与构建过程中经常会遇到难题。具体来说，当前4K超高清播出系统设计需要注意以下两方面。

3.1 注重技术兼容性

4K超高清播出系统是对原有广播电视播出系统进行的技术性改革与性能提升，使电视节目在清晰度和观看体验等方面有了明显提升。4K超高清播出系统的设计、研发及使用，需要有相应的硬件和软件设施作为支持。如果仅播出系统实现了超高清升级，而广播电视接收终端未进行设备升级，则播出系统发出的信号内容无法被用户的广播电视接收终端高质量地接收和播放，导致4K超高清播出系统的真实使用效果大打折扣。因此，4K超高清播出系统的设计要立足当前多数广播电视用户的信号接收路径和终端设备性能，以现有性能为基础进行系统设计和研发，协调上游制作单位和下游传输单位共同参与，确保最终研发与应用的系统能够符合多数广播电视用户的节目收看方式，避免技术不兼容造成播出系统应用低效的问题。

3.2 提升系统的故障预警处置性能

4K超高清播出系统由承担不同功能的多个子系统构成，且子系统之间是交互关系。这意味着任何一个系统出现故障，虽然不会必然导致整个播出系统出现故障，但不可避免会对超高清播出系统的正常运行造成影响。同时，超高清播出系统的实现有赖于各种类型技术设备的支持，如设备自身的性能和运行周期决定了其发生故障的概率。因此，在4K超高清播出系统设计过程中，要注意打造超高清播出系统的故障防范性能，使系统具备故障预防、故障报警以及故障反馈与处理等功能，保证系统运行的稳定性和安全性。当前的技术水平尚难以完全实现播出系统故障的自动化识别和处置，技术人员更多是通过系统报警来发现可能的故障点，进而进行现场故障排查与修复。这要求广播电视播出单位要积极储备与4K超高清播出系统相匹配的专业技术人员，以及时发现、分析及解决系统运行时的故障问题。

4 结 语

4K超高清播出系统是基于传统播出系统的相关技术提出的性能更高的技术类型。尽管目前我国已在国家层面开始大力推广4K超高清业务，但广播电视播出系统方面的研究与实践尚处于起步阶段。4K超高清播出系统具有的高帧率、高分辨率及全景声等突出特点，将使其成为增强电视媒体传播力和传播效果的关键技术要素。在实际的4K超高清播出系统设计中，相关主体既要结合用户的超高清体验需求和信号接收路径与方式开发超高清播出系统，也要注重系统的兼容性和故障预警处置性能的提升，使系统性能更加稳定和安全。