中央广播电视总台4K伴随HD制播模式关键技术研究和应用实践

赵贵华

（中央广播电视总台，北京 100859）

近年来，4K广播电视技术突飞猛进，带动了对高质量内容的需求。随着计算机大数据处理、高速存储和高效编解码技术的发展，电视行业快速推动了4K超高清高分辨率制播技术和设备研发力度，4K超高清图像具有更高分辨率、更宽色域和更高动态范围，极大地提升了图像质量，带给观众更加清晰自然、丰富的视觉感受。

从2018年中央广播电视总台（以下简称“总台”）成立开始，就全面推进媒体深度融合，提出要从传统技术布局向5G+4K/8K+AI战略格局转变，5G、4K/8K超高清、AI已成为总台建设国际新型主流媒体的最重要的技术支撑。2018年10月1日，总台开播了4K超高清电视频道，虽然总台在4K频道开通时已建设完成新址E16超高清演播室，但总台制作的4K节目量还无法满足4K频道的播出需要。当时，总台在4K超高清节目制作方面还存在几个主要问题：（1）4K超高清行业发展迅速，但各主要厂家技术标准不统一，4K设备无法做到完全互通；（2）4K超高清演播室不够，无法支撑4K节目制作需求；（3）即使将演播室摄像机由高清升级为4K摄像机，如果将所有4K摄像机信号收录，素材量大，后期编辑过程将费时又费力。

4K频道的开播需要大量的超高清节目，因此，创新超高清电视制播模式是推动超高清电视发展的有效途径。2019年，总台专门立项“4K伴随HD制播技术研究”科研项目，在项目中首创了4K伴随HD超高清电视制播的两种模式：（1）4K伴随HD智能虚拟合成技术，实现系统内的4K伴随HD制作和直播；（2）4K伴随HD智能切换同播技术，实现系统间的4K伴随HD制作和直播。这两种4K伴随HD制播模式极大地提升了4K超高清电视节目产能，解决原创超高清电视节目稀缺的瓶颈问题。

1 4K伴随HD制播系统简介

当前，绝大部分电视媒体在近年来才实现高清化，在用的高清演播室系统均还处于生命周期内，马上淘汰工作状态良好的HD设备将是巨大的浪费，而规模建设全新的4K演播室也会占用巨额资金。随着互联网的不断普及，4K超高清演播室因为制作码率大、传输带宽高而采用IP技术架构越来越广泛，从信号源、制作、监看到末级输出，已实现了全流程全IP架构的4K HDR制作。因此，演播室IP技术和多通道收录系统为现有的HD演播室制作4K超高清电视节目提供了可能性。

1.1 4K伴随HD智能虚拟合成系统

4K伴随HD智能虚拟合成系统主要是在现有的HD演播室系统中仅需更换4K摄像机，使用原有的HD切换台PGM切换信息和4K合成服务器就可以输出4K PGM信号，形成HD和4K兼容的节目生产能力，实现一种创新性的4K节目生产工艺低成本解决方法。这种方法利用HD切换台的Tally信号将HD切换台的切换信息和特技信息传送到4K节目合成服务器，使用软件合成出4K PGM，并同时实现监看和自动检测替换功能。图1为4K伴随HD智能虚拟合成系统架构图。

图14 K伴随HD智能虚拟合成系统架构

1.1.1 4K多通道采集系统

4K多通道采集系统主要负责4K信号的多通道同步录制、多画面集中控制监看、素材的统一监管、素材自动分段和自动迁移等任务。4K摄像机同时输出高清和4K信号，高清信号接入现有的高清系统，4K信号接入4K多通道采集系统。4K多通道采集系统提供多种编码格式，并采用性能稳定、技术成熟的服务器平台，确保多通道4K节目录制、暂停、停止达到零帧精度。单台4K录制设备满足2路4K信号进行同步录制和控制，并可实现多台录制设备联机。录制音频通道数可手动设定，每个通道支持8路音频输入。图2为4K多通道采集系统流程。

图2 4K多通道采集系统流程

1.1.2 TALLY信息交互系统

TALLY信息交互系统主要是4K合成服务器实时自动接收高清切换台切换信息并自动记录下来，生成XML文件。系统通过遥控线将4K合成服务器和高清切换台COM口进行独立连接，可自动获取到切换台CAM接入数量。当切换台发出切换信息及切换任务时，4K虚拟切换系统会自动接收该切换信息及任务，并自动记录生成切换列表和元数据XML文件。切换列表包含高清切换台的实时切点、叠画信息，以及对应的时间码。4K虚拟切换系统根据4K讯道素材和元数据XML文件自动生成与高清信号切点一致的4K PGM文件。图3为4K和HD信息交互流程。如果是录制节目，后期编辑人员根据合成的PGM文件和切点XML进行成片编辑，这样就大幅度减少了后期编辑人员的对高清PGM切点的统计工作量，提高4K节目制作的效率。

图3 4K和HD信息交互流程

1.1.3 虚拟合成系统

虚拟合成系统在获取到高清切换台切换信息后就相当于获取到导播所有的切换过程，包括主切和副切的切点和叠画信息，配合所采集的4K视音频文件，即可实现4K PGM文件和副切文件的合成。虚拟合成系统能够完全模拟切换台的动作，具备完整的流程化管理，使4K节目的生产能力得以提高。

同时，虚拟合成系统可实现边录制边合成边监看功能，通过4K多通道节目的帧同步录制，将各通道的4K信号都独立采集为指定格式的4K视音频文件，并在节目录制6 s后，所有通道的4K文件实现文件封口，此时,通过4K虚拟切换系统获取切换台切点信息及叠画信息，自动对采集的4K素材进行合成并生成4K PGM文件。在自动生成4K版本PGM文件的同时，制作人员可通过4K监看系统预览调用已经合成的PGM文件，进行节目质量、节目切换准确率以及节目效果查看，也可以通过4K播出服务器以在线播出的方式把信号输出到监视器进行浏览及监看。图4为录制-合成-监看流程图。

图4 录制-合成-监看流程图

4K伴随HD智能虚拟制播系统可以跟台内其他制作系统进行元数据和文件级交互，不仅可以提高4K节目的生产力，满足台内节目制作需求，同时可降低4K节目制作成本，实现4K精品节目快速制作。

图5为4K伴随HD智能虚拟制播系统合成界面。

图5 4K伴随HD智能虚拟制播系统合成界面

1.2 4K伴随HD智能切换同播系统

当前广播电视行业处于高清制作向4K HDR制作过渡的阶段，因此，在进行4K HDR节目制作的同时，通常还需要考虑高清节目制作的需求。在2020年和2021年《中央广播电视总台春节联欢晚会》（以下简称“央视春晚”）直播中，总台采用4K/HD智能同播的制作模式，实现了HD SDR和4K HDR信号的智能联动同步播出。

1.2.1 HD和4K演播室系统

总台一号厅演播室系统是一个高清系统，主要承担春晚高清信号的制作和直播任务，一号演播厅系统使用11台4K摄像机和1台4K微型摄像机，系统为主控提供2路高清PGM信号。总台800 ㎡演播室系统是一个4K超高清系统，主要承担央视春晚4K信号的制作和直播任务，从信号源、制作、监看到末级输出，实现了全流程4K HDR制作方式，采用国产通用COTS交换机叶脊结构，可通过对交换机叶脊架构的调整、配置，实现信号处理能力的规模性扩展，配置国产集中控制系统对整个演播室视频系统进行全面管理控制，实现应用场景的快速切换。由于800 ㎡演播厅和导控室都偏小，无法承担央视春晚这种综艺晚会的要求，为了实现800 ㎡演播室4K系统和一号厅演播室高清系统的联动，总台首创了4K伴随HD智能切换同播技术以满足春晚的播出需求。图6为4K伴随HD智能切换同播系统架构。

图6 4K伴随HD智能切换同播系统架构

1.2.2 智能同播交互系统

4K/HD智能同播技术是基于演播室的IP架构，利用IP网络建立跨系统的远程制作系统，将一号厅演播室高清系统和800 ㎡演播室4K系统进行IP级联，实现全功能、全要素的4K HDR和高清SDR 智能联动同步播出。

在近两年央视春晚直播中，一号厅演播室采用4K超高清摄像机，同时输出高清信号和4K信号，4K信号送至一号厅演播室数据交换机。将一号厅演播室系统数据交换机作为叶交换机，通过IP网络接入800 ㎡演播室数据交互系统，并将2个演播室的切换台控制系统也通过IP网络进行连接，实现2个不同区域演播室系统间4K视频信号、监看信号及控制信号的数据交互。4K HDR制作区的800 ㎡演播室切换台无需人工干预，即可实现与一号厅演播室高清 SDR制作完全一致的切换和各种效果指令。在不影响一号厅演播室高清直播的基础上，完成央视春晚HD SDR和4K HDR 信号的同步制作播出。整个接入过程中，系统可迅速完成对新接入设备信号的识别和认证，实现稳定的调度及控制。图7为800 ㎡4K演播室导控室和立柜机房。

图7 800 ㎡4K演播室导控室和立柜机房

2 4K伴随HD制播系统关键技术研究

4K伴随HD制播模式是在现有的高清演播室系统中仅更换4K摄像机，利用高清切换台PGM切换信息和4K合成服务器或4K切换台实现交互，就可以输出4K超高清PGM信号，形成了高清和4K超高清兼容的节目生产能力，从而实现了一种创新性的4K超高清节目生产工艺低成本解决方法。

2.1 4K伴随HD智能虚拟合成系统关键技术

2.1.1 4K多通道录制、合成PGM、监看并行技术

4K虚拟切换系统通过遥控线自动对接导播切换台，自动获取到切换台CAM接入数量。在保证4K多通道录制的情况下，切换台将导播的切换信息会以任务的形式发送给虚拟切换系统，自动被虚拟切换系统记录下来，包括切点、叠画信息。所有通道的4K文件会依照MXF文件结构标准进行视频收录，同时每隔5 s更新一次文件头中视频长度等信息，实现文件的定时封口功能。在播放的过程中，首先通过定期读文件头，获取视频长度信息。在得知长度之后，计算出视频和音频帧在物理文件中的位置，然后读取相关数据，这样就可实现边收录边播放的功能。由于是实时生成PGM视音频文件，制作人员可以通过搜索多通道4K视音频PGM文件进行区间查看、预览。图8为4K多通道录制-合成-监看并行技术。

图8 4K多通道录制-合成-监看并行技术

2.1.2 高清切换台串行通信端口的4K虚拟切换技术

4K多通道虚拟合成记录技术是一种新型的应用技术，它是用于依据高清切换台的切换动作来达到同步虚拟切换4K PGM、副切信号的要求。4K虚拟切换系统通过外接一根广电设备专用的串行通信端口遥控线实现与高清切换台COM口的连接，实现记录高清切换台切点信息并生成切点元数据XML文件。由于串行通信方式在远程传输时，稳定性强且可避免多条线路带来的干扰，因此，虚拟切换系统使用串行通信端口十分方便，直接通过COM口接收高清切换台切换信息，并自动记录形成切换列表。目前，4K虚拟切换技术可以支持常用的主流各品牌高清切换台串行通信端口，适用范围广泛。图9为4K虚拟切换界面图。

图9 4K虚拟切换界面

2.1.3 4K多通道智能设备检测和信号替换技术

4K多通道智能设备检测和信号替换技术主要在4K节目合成过程中信号或设备出现问题时使用。该技术是专门立项研究的应用技术，当切换台发出切换消息及切换任务时，4K虚拟切换系统会自动接收该切换消息及任务并同时记录当前切换时的时码时间，自动生成切换列表。从切换列表中可以知道对应的时间素材和对应的PGM时间点。当多通道录制时，若某通道出现问题，系统会自动识别到故障通道，并通过由高清PGM上变换后的信号自动替换当前录制通道的画面，保证整个节目顺利录制和合成。图10为智能设备检测和信号替换流程。

2.1.4 4K多通道主副切同时虚拟合成记录技术

4K多通道主副切同时虚拟合成记录技术主要是实现4K节目全程的主副切切换的效果。目前，众多厂家的高清切换台输出的Tally信息除了PGM的切换、叠画信息外，均具备多M/E、多AUX的切换信息。4K虚拟切换系统通过遥控线对接导播切换台，就能够获取切换台上任意指定的多个M/E或AUX切换信息，这些切换信息（包含特技信息）会以任务的形式发送给虚拟切换系统，被虚拟切换系统记录下来，并形成切换列表，配合所有记录的4K视音频文件，就可合成出所需的4K PGM视音频文件与副切视音频文件。图11为4K虚拟合成记录界面。

2.2 4K伴随HD智能切换同播系统关键技术

2.2.1 远程制作架构

采用远程制作架构，可实现跨区域的演播室系统间全功能的智能联动同步播出。

图10 智能设备检测和信号替换流程

图11 4K虚拟合成记录界面

在大型综艺节目直播中，通过深度开发设备制播切换指令，利用IP网路实现全功能的智能联动播出。通过IP网络建立远程制作构架，扩展与其他演播室的IP级联。一号厅演播室的数据交换机以叶交换机的方式，通过IP网络远程接入800 ㎡演播室数据交互系统的脊交换机，实现4K 图像信号、音频信号、切换台联动控制信号的数据交互，充分利用IP技术的优点，减少布线的复杂度，增强联动系统的灵活性。在不改变一号厅高清直播的任何操作和工作方式的前提下，节目部门只需专注于高清直播，由后台通过技术手段实现第八演播室随动一号厅演播室，在实现超高清同步直播的同时，又不会干扰一号厅的高清直播，实现了央视春晚4K HDR和HD SDR信号的同步制作播出。

2.2.2 集中控制系统

集中控制系统对视频系统全面管理控制和监测，并实现应用场景的快速切换。

集中控制系统通过SDN管理系统对IP信号进行统一管理、调度、监测以及权限设置保证系统安全，对交换机、切换台、多画面分割器、监视器等关键节点设备进行统一控制。通过命令集的方式完成对设备层的控制、调用，实现制作应用场景的快速转换，同时提供可自定义编程控制面板，完成相应配置功能。在2020年和2021年央视春晚直播中，800 ㎡演播室系统的集中控制系统实现了监看系统大屏Layout的快速配置及应用场景的切换，以及系统内所有监看信号的调度控制，并通过可编程面板实现应急切换系统的配置及信源切换，以及切换台源名的快速推送。

3 应用实践

总台自2018年开始结合节目制作流程逐步创新超高清制播模式，形成了多个具有自主知识产权的科研成果，并成功转化为节目实际制作应用，为总台超高清节目的采集、制作、传输提供了技术支撑，为国内电视行业超高清节目制作提供了可行的解决方案。

总台4K伴随HD虚拟合成制播模式具有建设时间短、占用资金少、不影响原有高清核心制作等优点，系统只需配备4K摄像机以及新建4K多通道收录系统和智能虚拟切换系统，就能实现在HD电视制播平台同步制作和直播超高清节目。4K伴随HD制作和直播的投资只要约1000万元，只有4K超高清演播室建设费用的1/6。目前4K伴随HD虚拟合成制作系统已经在中央电视台的一号厅、E01、E02、E03等大型演播室进行了全面部署，极大地提高了中央电视台4K超高清整体制作效率。总台通过4K伴随HD制播模式将4K节目产量由2017年的29 h提升到2018年的850 h，在2019年达到了2500 h。“4K伴随HD虚拟合成制播模式”获得了2019年度中国电影电视技术学会第十二届科技进步奖评奖一等奖的殊荣，并申请了三项发明专利。其中，“一种4K视音频信号的切换方法、装置、系统及电子设备”专利主要是接收HD切换台发送的切换信息和时间码以及摄像机的4K IP信号，生成单元根据时间码顺序和切换信息对多个4K素材进行合成并生成4K PGM节目文件；“4K节目制作方法及系统”和“4K节目监看方法及系统”专利主要是HD演播室中仅配备4K摄像机和4K虚拟切换系统的情况下，通过接收HD切换台通讯端口的切换命令及特技信息虚拟合成为4K PGM文件，在实时播出的同时，还能实现节目的BT.2020宽色域和HDR高动态范围效果的监看。总台4K伴随HD智能切换同播模式顺利完成了2020年和2021年央视春晚高清SDR和4K HDR的同步直播，这是国内外首次实现了跨系统的高清和4K信号的智能联动播出。目前该制播模式正在申报2020年广播影视制作创新奖和2020年CUVA超高清视频奖项。

总台“4K伴随HD制播模式”降低了4K节目制作成本，在保证高清制作的基础上极大地提高4K节目的生产力，满足台内4K和高清节目同步制作需求，目前，“4K伴随HD制播模式”已安全高效地完成了总台多个大型精品节目的制播任务，这为各省市电视台的4K节目制作起到了引领和示范作用。