兼容4K升级的高清演播室系统设计

李 竞

（青岛市广播电视台，山东 青岛 266071）

1 概 述

在目前广电4K/8K超高清化的发展趋势下，建设4K演播室已经成为多数电视台近几年的目标。对于近期有新建或改造需求的高清演播室来说，在新建或改造前，将4K改造、升级的因素考虑在内，有利于演播室建设的经济型和先进性。青岛市广播电视台在2021年对台内800 m2演播室进行了改造升级，建设了全新的高清视频系统。在建设该套系统前，笔者对未来的4K升级、改造方案进行了充分的预评估。本文针对青岛市广播电视台800 m2演播室新建高清系统时选用的方案，从设备选型方面，阐述如何在兼顾未来4K改造的前提下，对现有新建高清演播室进行建设规划。

2 系统架构的选择

从高清系统升级至4K系统，主要有以下几种选择。

2.1 Quad-link 3G-SDI

自2015年开始，我国便有了早期的4K直播制作域系统。当时超高清技术标准尚未完善，部分4K系统采用了国外推广私有协议IP技术架构（如NMI、TICO、ASPEN），部分系统采用Quad-link 3G-SDI架构。以上两种架构均可以完成4K超高清节目的制作。然而，在目前ST-2110、12G-SDI架构完备的情况下，Quad-link 3G-SDI的方案只适用于系统中个别设备的I/O，而在整体的系统架构设计方面，该方案在先进性及可扩展性方面则不是最佳选择。

2.2 ST-2110

在2017年底，电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）组织完善了ST-2110标准及其子集的协议，如图1所示。2018年底，主流厂家便均已支持ST-2110标准。截至目前，国内已有大量的制作域系统采用了ST-2110架构作为系统的根基。对于高清演播室系统而言，也可以进行纯高清的ST-2110系统建设。IP系统是依托核心交换机及软件定义网络（Software Defined Network，SDN）软件搭建的网络化系统，其架构如图2所示。相比基带系统的点对点连接，IP系统的概念则是“All in All out”，依托虚拟逻辑矩阵和资源池打造了一个高效的制作系统，视频、音频、通话、同步、Tally、控制等系统融为一体而又可以互相分离。同时，交换机的高带宽特性将轻松突破传统基带系统“物理端口数量”和“交叉点数量”限制，使得建立高效率的演播室集群从技术角度来说变得更加容易。然而，大集群化制作的IP系统在小系统中将变得非常尴尬：如建设一个3～4讯道的演播室，将SDN软件的成本平摊到讯道后，每个讯道的成本将格外高昂[1]。

图1 ST-2110协议示意图

图2 IP系统架构示意图

2.3 ST-2082（12G-SDI）

2018年初，部分12G-SDI产品在平昌冬奥会得到了广泛应用。之后，各大主流广电厂商便陆续宣布支持12G-SDI接口。目前，部分小型超高清转播车、演播室采用了12G-SDI构架的系统进行建设，也取得了良好的效果。还有部分演播室、转播车，采用了ST-2110和12G-SDI的混合架构来进行系统设计，以保障超高清系统的安全性、稳定性。12G-SDI系统与原有高清基带系统架构相同。系统采用全基带连接，直播系统构架仍为切换台+矩阵架构，或是主切换台+备切换台+矩阵变体架构。周边、监看等设备也均为12G-SDI的周边。整体系统的架构、流程与高清时代几乎没有什么改变，如图3所示，造价上也相对具有较高性价比。对于高清演播室的扩容及升级，HD-SDI系统升级至12G-SDI系统，是一个可靠的方案之一。

图3 12G-SDI系统架构的示意图

2.4 Jpeg-XS

早在2019年春，工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台便在《超高清视频产业发展行动计划》中明确提出“4K先行、兼顾8K”的总体技术路线。截至2022年，国内已有数个8K制作域系统，数个8K频道也准备陆续开播。对于8K制作，如采用ST2110-20的无压缩架构，带宽压力较大；而8K Jpeg-XS标准的浅压缩、高质量、低延时则是一种比较好的选择。JPEG-XS标准的特性[2]如图4所示。目前，有越来越多的超高清系统选择Jpeg-XS标准。然而对于高清演播室的升级而言，由传统HD-SDI升级至Jpeg-XS难度较高，设备更换要求较大，从经济性上来讲，不算一个可靠的方案。

图4 JPEG-XS标准的特性示意图

综合以上分析，针对此次项目，考虑在搭建一套完整高清系统的前提下保持4K可扩展性，以便未来可以用最低的成本以及最小的硬件改动，将这套高清系统分批次升级为支持4K-HDR制作的系统。为此，笔者研究了行业内设备现状，在青岛市广播电视台800 m2演播室新建高清视频系统时，采用了部分未来可扩展为支持4K制作的高清制作域设备。

3 高清系统兼容升级12G-SDI系统时的设备选型

3.1 讯道摄像机及镜头

本次新建系统配置了8台Sony讯道摄像机，同时在系统建设中预留接口，能与青岛市广播电视台高清转播车的讯道摄像机组成8+N的高清系统，既扩展节目使用需求，又不浪费资源。如青岛市广播电视台的重点节目《问政青岛》就应用了11个讯道。在讯道机型号选择上，主要考虑以下两款设备。

（1）HDC-3500讯道机。该讯道机标配为高清输出，未来可通过软件升级，以支持2160 50P的4K HDR输出，并可通过增加硬件输出板卡的方式，使其支持输出12G-SDI及ST-2110。

（2）HDC-3100讯道机。该讯道机为之前高清讯道机的升级型号，通用性强、性价比高，与目前超高清讯道机的机头功能类似，均支持全域快门。

如考虑未来支持超高清升级，第一选择是HDC-3500讯道机。但HDC-3100相比HDC-3500讯道机而言，性价比将高出不少。考虑到800 m2演播室百废待兴，本次先选购HDC-3100讯道机。未来在升级超高清系统时，即使重新采购4K讯道，HDC-3100讯道机也可挪至其他演播室使用。

另外，在讯道摄像机的镜头方面，经过调研，超高清4K镜头与高清HD镜头的成本差距并不大。因此在本项目中，青岛市广播电视台直接采购了两套14倍4K广角镜头及6只24倍4K标准镜头，以满足未来超高清改造的需求。

3.2 切换台

在800 m2高清演播室系统切换台的选型上，青岛市广播电视台的要求是首先采购满足现有高清制作需求的高清切换台，在未来进行演播室4K升级时，可在不更换硬件的情况下将高清切换台升级至超高清切换台。经过调研，项目最终选用了Sony XVS-6000切换台作为演播室视频系统的主切换台。该切换台配备了32路3G-SDI输入、16路3G-SDI输出、4级高清M/E，在未来，可在不更换任何硬件的前提下，通过升级软件来支持2级4K M/E。当然，一旦工作在4K模式下，现有切换台的输入输出规模将稍显捉襟见肘，但目前演播室XVS-6000的机箱还有部分空余槽位，可通过增加I/O板卡的方式来增加切换台的输入规模，最多可增加至16路12G-SDI输入、8路12G-SDI输出。

3.3 视频矩阵

对于系统而言，矩阵是仅次于切换台的第二核心，承担着应急切换制作以及核心信号调度的功能。一些矩阵厂家也充分考虑到了广大用户的需求，已经在不少矩阵平台上开发了“统一硬件，软件升级”的选项。表1所示为某个平台两款不同规格的矩阵，标配硬件均支持12G-SDI并向下兼容，但会为用户标配3G-SDI输入输出选件，如果未来想支持12G-SDI，在不改变硬件的情况下购买4K License即可。另外，与切换台相比，矩阵的功能相对单一，因此价格占比也不高。对于没有4K License的基带矩阵，价格成本基本也与原HD-SDI矩阵持平，不会增加太多的项目成本。表1所示的两款矩阵，其标准版本均只支持3G/HD-SDI信号的路由，通过购买额外的选件，即可支持12G-SDI的路由调度。

青岛市广播电视台2021年秋季交付的20讯道4K超高清转播车便选用了表1中的EQXUHD矩阵，可在每张板卡上独立购买支持超高清的License，以激活12G-SDI输入输出的功能。

表1 两款矩阵选件及功能

3.4 画面分割器

在目前播出线普遍为高清的情况下，制作节目时还是要优先保证高清的质量，因此，高清SDR调光、高清SDR监看便理所当然地被写进“4K-高清同播”的工作流程。在信号源统一采用高清SDR监看时，12G-SDI画面分割器（以下简称画分）的价格使其无选择优势。以青岛市广播电视台的超高清4K转播车为例，转播车采用SR-LIVE的制作流程，全车监看均采用高清信号源进行监看，部分只支持4K-HDR输出、不支持HD-SDR输出的设备，也需要将其输出信号通过下变换转换成HD-SDR上屏。青岛市广播电视台4K转播车上采用的基带画分，大部分是采用HD-SDR 3G-SDI输入，4K-SDR4×3G-SDI输出[3]。

值得一提的是，青岛市广播电视台4K转播车上采用的画面分割器支持与矩阵联动，在画分输入不占用矩阵输出的前提下，采用特殊的端口来获取系统中的信号进行监看。而且，该画分支持代理监看。12G-SDI的矩阵以内部下变换的方式，将12G的信源做分辨率下变换后路由给3G画分，并保持动态范围和色域不变。这样一来，在3G画分上便可以支持监看12G-SDI信号。X-LINK画面分割器原理如图5所示。

图5 X-LINK画面分割器原理示意图

800 m2高清演播室选用的画面分割器，与4K转播车的选型相同，均支持高清信号输入、超高清信号输出，可完美兼容12G-SDI的超高清制作环境。在800 m2演播室或转播车有重大节目、资源紧张时，两套系统的画面分割器可形成一个资源池，进行互补调用，无缝衔接至另一套系统的制作环境中。

3.5 周边设备

这里的周边设备指“加解嵌、外来帧同步、视分”等集成设备。随着硬件处理水平的提高，市场上的广播级高清周边设备普遍降价，但4K周边设备价格居高不下，而且周边设备又不像矩阵、切换台一样支持“软硬分离”4K License拓展。在这样的情况下，是否“一步到4K”是个需要抉择的问题。在建设800 m2演播室视频系统时，经过评估，笔者发现目前购买纯高清基带周边相比目前购买超高清基带设备能节约很大一笔成本，因此，本次演播室系统均购买了纯高清基带周边，在未来升级4K系统时，再重新采购4K周边设备。

3.6 监视区

目前，主流的制作域监看方案以导演区的55英寸大屏为主，各个工位的17/22英寸高清监视器为辅，再搭配一台技术总监的内容质量级监视器来完成整套监看流程。在55英寸大屏的选择上，无论是HDR-OLED电视、高质量商用显示器，甚至是国产电视均可，因为在目前的4K-HDR节目制作流程中，导演墙的监看仍然是HD-SDR，因此对监看设备的要求并不高，以上监看设备的造价也并不高，因此可随意选择，保持一致性、硬件质量过关即可。800 m2高清演播室选用了支持3G-SDI的55英寸工业级监视器，可支持1 080/50P的画分输出监看[4]。

各工位监视器也以高清监看为主。在技术总监工位，可采购一台支持4K-HDR的内容质量级的技术监视器。在本次高清演播室改造中，该演播室原有的BVM监视器年限不久，保养良好，本着节约成本、尽量利旧的原则，青岛市广播电视台本次采用原有的高清技监进行技术监看。

3.7 同步及示波系统

在同步系统的选择上，由于12G-SDI的基带系统仍采用模拟BB同步，因此在同步方面不用做过多考虑。在示波器的选择上，12G-SDI和HD-SDI系统的讯道示波器均可采用1.5GHD-SDI进行讯道信号监看（WFM5200/LV5381），只在技术示波器上有所区别。目前，不论是Telestream还是Leader，技监示波器均支持“软硬分离”，系统设计者可先采购硬件以及附带的标配选项，便可完成大部分高清系统所需的监测功能。而且，该部分的造价与之前高清时代的技术示波器差别不大。待未来系统进行4K改造时，再进行进一步的软件升级。青岛市广播电视台目前有不少状况仍良好的高清技术示波器，因此，本次800 m2演播室仍采用了原有的高清示波器进行信号监看。

3.8 通话系统

早在ST2110标准推出之前，通话系统便有自己的IP化语音（Voice over IP，VoIP）技术来实现通话信号网络传输。随着技术的发展，基于Dante、AES67标准的通话产品也逐渐上市。对于通话系统而言，IP化是必然的趋势。各大通话厂家也将在近几年逐渐停产自己的纯模拟四线通话矩阵主机，取而代之的是混合化的多功能IP通话平台。对于制作域平台来说，通话系统主要的问题是与视音频系统设备的兼容性，以及通话系统ST2022-7标准的推进。

对于HD-SDI和12G-SDI系统而言，通话系统与视频系统没有任何交集。但通话系统与音频系统的交互对于演播室来说则尤为重要。考虑到近几年来广电音频的发展，各大音频厂家均已采用兼容ST2110-30标准的纯IP架构进行音频系统搭建。例如，青岛市广播电视台的4K超高清转播车，除了音频信号处理核心之外，还采用了一套主备音频交换机作为信号的传输中枢。通过音频交换机，音频信号可以与转播车上的视频IP信号及通话IP信号进行全交互，形成信号资源池[5]。

考虑到这点，在建设800 m2高清演播室系统时，项目选用了一套兼容模拟四线的IP通话系统。该通话系统内部可支持AES67、Dante及ST2110-30协议，同时可以采用模拟四线的方式，与之前利旧或其他系统的通话腰包、耳返设备进行连接，也可与IP化的音频系统进行无缝对接。

3.9 音频系统

音频系统内部的架构相对成熟。无论是选择以模拟数字信号为基础的基带音频，还是选择以AES67、Dante需要为基础的IP音频，都将是音频内部的处理流程。例如，800 m2演播室的音频系统以Dante架构为内核，同时采用数字音频与视频系统对接，在建设视频系统时，只要预留出部分视音频交叉设备的加、解嵌通路接口即可。

3.10 其他设备

其他设备如录像机、在线包、字幕机、延时器及新媒体设备等，都属于设备中的“硬通货”。即使现在购买高清版本，在未来4K升级或用于其他高清系统时，也需要根据预算情况升级4K版本。

3.11 系统集成

在考虑演播室未来将从1.5G-SDI升级为12G-SDI的前提下，系统布线应按照12G-SDI的标准进行，以避免二次集成。下面以佳耐美线缆进行举例。佳耐美公司针对12G-SDI传输特性特别推出的L-5.5CUHD和L-3.3CUHD线缆有各自的特点[6]。

（1）对于12G-SDI设备而言，大部分国际知名品牌在接口设计方面选择了HD-BNC（High-Density）接口，而L-5.5CUHD不支持压接HDBNC接头。因此，如果要选择L-5.5CUHD线缆，还需要经过双通或转接线进行转换才能进行连接。而这一步会增加不必要的风险和坏点。如果不是特别长的距离，不建议采用L-5.5CUHD作为演播室内的常规连接线缆。

（2）L-3.3CUHD的线径限制了标称衰减特性，如图6所示，在100 m标称的情况下，L-3.3CUHD线缆的衰减不如高清时代常用的L-4.5CHD+。因此，L-3.3CUHD线缆常常会在布线空间有限、对线径要求高的场景（如转播车）中使用。在演播室中，不推荐采用L-3.3CUHD进行12G-SDI的常规布线。

图6 不同型号线缆的传输特性

综上所述，对于演播室内的12G-SDI系统，推荐使用大部分的L-4.5CHD+综合少量L-5.5CUHD进行系统布线。

考虑到800 m2高清演播室中的线缆传输距离均不长，本次建设均采用L-4.5CHD+的线缆进行布线。在视频端子板的选择上，也采用了支持12G-SDI的 BCJ-JRUDK。经笔者实测，该套布线方案，12G-SDI在经过50 m传输后，示波器上可保证信号稳定连续，且没有任何报错。

4 结 语

在选择建设高清或超高清系统时，建设者不能只考虑当前的演播室设计，而要从各个角度进行规划和考虑，如与播总控的对接，全台统一同步系统的规划与设计，演播室群之间的信号资源共享以及演播室群的中心集控系统建设等等。有好的规划，才能有好的结果。未来将是融合媒体的时代，如何规划、建设全台演播室，如何将手中的演播室资源“融”在一起，发挥出最大的功效，都将是未来系统建设者们值得深思的问题。