广播电视台4K超高清播出系统关键技术

毕志刚

（大连新闻传媒集团，辽宁 大连 116000）

0 引 言

2019年，我国工业和信息化部、国家广播电视总局等多部门联合发布超高清视频产业发展行动方案，明确制定“4K先行，兼顾8K”的技术发展路线，要求各地区加大超高清播出系统的建设力度。4K超高清视频技术的推广和应用，为广播电视行业的制作、采编、播出的进一步发展提供了巨大的机遇和良好的前景。随着技术水平的不断提高以及相关支持政策的落实，各地区4K电视产业呈现高速、蓬勃发展态势，4K超高清电视深受人们青睐。在这一背景下，广播电视台应认识到4K技术的重要性，明确发展目标，不断优化系统规划设计与建设，积极引进先进关键技术，加大系统建设力度，为观众带来全新收看体验，提高整体播出效果。

1 4K超高清音视频的技术要求

1.1 更高的清晰度与帧频

目前，4K超高清音视频对分辨率的要求为3 840×2 160，约为传统高清视频的4倍。同时，4K技术对帧频也提出了更高的要求，需要＞50帧的逐行扫描，最高帧频处于100～120这一区间内。由于帧频的显著提升，4K技术所呈现的画面更为真实、细腻，同时对用户带宽、存储的要求也明显提升。

1.2 宽色域

对色域范围进行分析，通常情况下，标准清晰度（Standard Definition，SD）与高清晰度（High Definition，HD）并无明显差异，两者均在Rec.709标准范围内。而4K超高清音视频对宽色域提出了更高的要求，其色域范围遵从Rec.2020标准。与高清电视存在明显差异，4K技术的应用使电视的色域更为宽广，且颜色类型十分丰富，能够实现对真实图像的有效还原，画面的现实感、真实感明显增强。

1.3 高动态范围

高清电视的动态范围也具备明确的标准规定，主要以标准尺寸比（SDR）为主要标准，对比度为1 000∶1，最高亮度为100 nit。而4K超高清电视对动态范围的要求明显提高，以高动态范围（HDR）为主要标准，其目标在于对瞳孔保持本来状态时，对动态范围具备的特性进行再现[1]。相较于标准尺寸比，高动态范围的电视峰值亮度明显提高，可以对多数高亮度范围区域的色彩层次、灰度进行有效再现。

1.4 三维音频

4K超高清播出系统对节目音频声也提出了更高的要求，需要其支持立体声或者5.1的环绕声，条件允许的情况下应支持三维声，能够为观众带来更强的声音沉浸感，使观众具有身临其境的感觉。三维音频制作播出格式应采用合理的扬声器声道布局，确保其声道信号丰富[2]。

2 4K超高清视频播出系统的规划设计

2.1 规划建设思路

为了进一步提高电视台节目的画面播出质量，电视台应严格按照国家相关技术规范，进一步推动4K超高清采集制作、总控播出及互动分发等系统的建设，提高有线电视、交互式网络电视以及互联网电视中超高清播出系统的应用频率，积极引进先进设施设备，如超强摄像机、导播台、手持稳定器等，构建一套可靠、完善、支持4K HDR全流程节目制作及直播的演播室。其中，确保HDR的码率、编码量化值等参数满足运行要求，能够消除编码块效应，充分体现视频图像的高分辨率、高帧率及宽色域等优势[3]。

2.2 综合框架

具体设计规划时，应遵循简洁、可靠、高效的设计原则，在此基础上对系统进行设计。4K超高清播出系统由多个子系统组成，根据功能对其划分，具体包括总控系统、控制系统、传输系统及监控系统等，满足上载、传输、播出及监控等要求，为节目播出的稳定性、安全性及便捷性提供保障。各系统的功能概述如下。

（1）播控系统。播控系统是整个系统的核心，具备电视台内外信号交换、调度及监控等功能，同时能够与其他子系统的相关业务进行交互。

（2）总控系统。总控系统是电视节目、频道信号传输的重要纽带，能够向播控系统传输满足要求的音视频指令，提供多种信号类型，如时钟信号、同步信号等，为超高清视频的顺利播出夯实基础。

（3）整备系统。该系统具备迁移、上载、缓存等诸多功能，能够为台内各业务模块提供素材交互与处理功能，且支持倒计时、台标、动画等处理功能；能够对素材进行处理和命名，之后生成相应的节目清单，并将其传输至主备、二备播出视频平台，由此实现全部备播过程。

（4）编单系统。该系统位于各子系统的中间环节位置，具有承上启下的桥梁、枢纽作用。采用该系统，能够对节目单、广告等信息进行编排、核对、传输，支持50帧精度。信息传输时，以清单的形式将相关信息传输至播控系统，控制系统结合最终获取的节目单，实现各类信号的自动化切换。

（5）传输系统。该系统与编单系统实现信号的有效交互，其作用为与外界联系。播控系统对其传输信号，传输系统再将其输送至下游单元。

（6）监控系统。该系统能够对设备运行、信号交换变化、播出状态等参数进行实时、全方位监控，通过音视频监控图的形式，显示不同信号检测点的4K画面图像；针对各类信号设定相应的阈值，如果超出阈值，发生异常，监控系统及时发出预警和提示指令，并将报警数据纳入数据库。

（7）辅助系统。该系统的作用为日志交互，能够提供日志及故障信息，可作为分析系统运行情况的参考依据，发现异常问题及时将故障报告给监控系统。

2.3 音视频链路

对音视频架构而言，4K超高清播出系统以4路3G-SDI基带系统架构为基础。播控系统结合播出串联单实现对视频服务器及末端倒换器的有效控制，自动启动硬盘播出、线路直播、图文混合叠加及应急切换等功能[4]。

all in one结构是核心服务器的主要基础，可以结合节目单的要求进行自动播出，根据具体安排进行一系列操作，如插入广告、字幕以及台标等，有效处理音频信号，对音视频的链路结构进行全面优化。SDI架构是播出系统的重要基础，根据标清黑场同步，与高标清的播出标准相同。系统中涵盖多类视频服务器，支持同构主备及异构二备的播出。前者可采用视频服务器实施集群建立，后者则采用单机视频服务器建立，不同通道中均能够有效叠加图文信息，实现硬盘播出、线路直播等功能。系统还能够对垫片播放器进行合理配置，保证具备台标的紧急垫播信号可以24小时处于稳定播出状态，为应急播出提供信号层面的支持。主备倒换器设置于链路末端，SDI信号对其具有良好的适用性，可以便捷完成换帧级别的转换。

在常规播出条件下，播出控制设备对倒换器等设备进行有效控制，根据串联单完成自动播出。当信号出现中断情况，发生故障问题，主备路信号检测后及时倒换。处于应急播出状态时，工作人员对各类信号进行倒换十分方便，可以一键完成相关操作，实现对视频服务器及倒换台输出信号的有效监控。在线监测设备能够实现对各节点音视频信号的有效分析，并检测主备路呈现是否相同，针对异常状况实时报警。

3 广播电视台4K超高清播出系统关键技术

3.1 时码控制技术

广播电视台4K超高清播出系统严格按照目前行业标准进行规划建设，视频图像分辨率为3 840×2 160，帧频＞50，在此基础上进行逐帧扫描，满足4K超高清视频系统的设备及图像质量要求[5]。由于过往采用的25p播控技术已无法满足目前的要求，对控制逻辑进行适配改造十分必要，要在保证文件码率格式合理的基础上，保证播控软件能够全面识别节目单中的50p文件信息。该项技术的定位更为准确，生成指令更为可靠，通过VDCP协议便能够有效传输至服务器端口。服务器完成软件信号的接收工作后，对软件信号中的帧位进行转换，转换后以标准化的文件格式呈现，之后结合节目时码轨道的码数以及软件传输的指令进行帧精度定位，效果确切。

3.2 4K净切换技术

4K超高清播出系统采用4路4K信号，所采用的设备具备4线3G-SDI基带信号。4K信号的传输以Qua-link形式为主，因此能够有效解决信号净切换相关问题。具体配置阶段，链路的末端采用4台双路二选一倒换器，能够实现4路4K信号的有效输出，且具备多个3G-SDI输入端口和输出端口，由4台3G四选一切换设备构成。设备具备帧同步功能，支持净切换，控制系统采用GPI技术能够完成4路信号帧精度的净切换。对GPI切换信号进行传输的过程中，视频能够自动、高效切换，具备较强的链路处理能力和先进的算法。音视频的调度切换能够确保画面无损、随时切换且标准兼容。全部切换信号均能够满足帧精度同步的要求，弥补传统模式下交换矩阵难以进行净切换的不足。通过对净切换技术的合理运用，能够有效避免系统在频道切换过程中发生黑屏、卡顿等问题。工作人员在倒换器中采用帧同步技术，通过GPI进一步加强对切换指令的控制，实现全部信号的净切换，确保音视频的流畅性与高帧率。

另外，对播出系统进行设计的过程中，GPI与切换面板的连接方式为并联，但是GPI所在设备如果出现短路等故障问题，必然会对切换面板和设备GPI的关系造成影响，导致其准确判断电位水平困难，对净切换效果造成不利影响。为了改善这一现状，工作人员可以将信号限流装置用于系统中，将其设置在面板和设备间，保证发生电路故障时不会对GPI造成影响，为4K超高清播出系统的稳定运行提供保障。

3.3 画面一致性比对技术

过往，广播电视台播出系统中，视频及音频监控系统多采用内核编程接口（Kernel Programming Interface，KPI）对画面存在的故障问题进行分析。通常情况下，与时间阈值相比，KPI的报警时间延长，因此时效性较差。对此，工作人员在实际设计阶段，需要借助画面一致性比对技术对KPI报警的不足进行分析，采取有效的措施进行解决，对各路不同的4K信号进行高效、实时、全方位的收集，结合现有的真值逻辑强化对信号的监控，并形成可靠的判断依据，保证4K信号和服务器与画面相应的输入要求相符[6]。为了进一步保证连接信号的一致性，需要借助对比仪进行分析，同时连入多个输入端口，对各路数字分量串行接口信号进行标记，保证信号传输逻辑合理、完整。对比的过程中，对于两路信号相同位置的1/4画面，设备可以进行两两对比。当对比发现差异显著，及时进行判断，也就是说两路不同的4K信号有所不同。针对3路不同信号，同样进行两两对比。基于对各路4K信号实际参数的全面分析，为解决相关问题提供参考依据。

使用一致性比对技术时，还需要加强对其运行逻辑的分析。比如，画面存在单路信号，而信号不一致，不存在报警情况，而输出信号和某路备选画面一致，则需要进行不切换操作；而画面为单路信号，内容不同，输出信号与其他各路画面不同，无报警情况，应进行不切换操作；当画面为三路不同，且输出信号无报警情况，需要操作为不切换；当画面三路不同，输出信号存在报警情况，应结合规定的优先级切换至另一路画面。

4 结 语

4K超高清播出系统对清晰度、帧频、三维音频等方面提出了更高的要求，系统的设计要点繁多，整体结构复杂。广播电视台应加强对各类关键技术如时码控制技术、4K净切换技术以及画面一致性比对技术等的利用，为系统的建设和应用提供技术保障，为广大观众提供全新的观看体验。