广播电视台4K超高清播出系统关键技术研究

李亚珩

（赤峰广播电视台，内蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

2019年，工业和信息化部、国家广播电视总局等部门联合发布了超高清视频产业发展行动计划，明确提出了4K先行、兼顾8K的总体技术路线，要求各省市要大力开展超高清播出系统建设[1-3]。4K超高清视频技术的成熟发展和应用，为广播电视行业采编和制作播出提供了更为广阔的发展前景[4-5]。随着技术的进步、政策的实施以及相关标准的出台，各地市相继实施了一系列4K电视产业应用[6]。赤峰广播电视台认真贯彻落实国家超高清视频产业发展战略，积极推动电视台超高清视频发展，早在2019年5月就投资4 500万元，开始实施全台电视高清化发展项目，对电视节目演播室、播出系统等采编播设备进行改造升级，正式开播赤峰高清频道、赤峰4K超高清频道，之后又购置了超高清视频设备。经过两年多的升级改造，赤峰广播电视台三个电视频道的高清改造顺利完成，使电视节目的可视度进一步提升，为观众带来了全新的观看体验，播出效果令人满意。本文提出赤峰广播电视台4K超高清播出系统总体架构，对4K超高清频道设计和播出技术进行探讨，对于其他地市广播电视台4K超高清播出系统的设计具有借鉴作用。

1 4K超高清视频播出系统架构

1.1 建设思路

为确保电视台高标清节目画面播出质量[7]，赤峰广播电视台严格遵照国家相关技术标准，加大超高清电视采集制作、总控播出、互动分发等系统建设，推动超高清电视在有线电视、IPTV及互联网电视的应用，采购广电级摄像机、导播台、手持稳定器等设备，建设一套完整的、支持4K高动态范围（High Dynamic Range，HDR）全流程节目制作和直播的演播室，如图1所示。HDR采用更高的码率和编码量化值，可有效消除编码块效应，表现出视频图像高分辨率、高帧率、宽色域、高动态范围及高码率的优势[8]。

图1 赤峰广播电视台高清演播厅

1.2 总体框架

该电视台超高清播出系统以简洁、可行、高效为设计原则，4K超高清播出系统架构总体上由播出控制系统、总控系统、整备系统、编单系统、传输系统、监控系统以及辅助系统等七个系统组成，满足上载、传输、调取、播出即监控等功能需求，使播出系统更具安全性、可靠性、便捷性[9]。

播出控制系统是电视台所有系统的核心部分，承担着台内外各类信号的交换、调度及监控工作，与其他六个子系统进行业务交互。

总控子系统是电视频道信号传输的中心枢纽，向播控系统传输符合条件的视音频命令，提供时钟信号和同步信号，以此保障超高清视频的顺利播出。

整备子系统具有迁移、上载、缓存、缩编等业务功能，为电视台各业务模块提供文件化的素材交互和处理功能，支持台标、挂角、跑马、动画及倒计时等图文处理功能，通过电台对素材进行编码命名，然后生成素材节目单，将节目单提前迁移到主备和二备播出视频服务器，由此实现整个备播过程[10]。

编单子系统处于各子系统的中间流程位置，发挥着承上启下的桥梁和信息枢纽的作用，对节目单、广告信息等素材可有效进行编排、校验、审核发送，可支持50帧帧精度。该子系统以清单的形式推送给播出控制系统。控制系统根据最终接收的节目单，完成各类信号的自动切换。

传输子系统可与编单系统进行信号交互，是负责对外联系的关键环节。播控系统将信号传输到传输系统，再由传输系统输出给下游单元。

监控子系统能够实时监测设备运行、信号交换、播出状态等数据，以视音频监控系统图的形式，显示各信号检测点的实时4K图像画面，对各种信号异常情况设定阈值，发现异常运行，及时将报警数据写入数据库，发出提示指令。

辅助子系统主要负责日志交互，提供故障、日志信息，用来体现系统的运行状况，发现系统存在异常，及时将故障报告给监控系统。

1.3 视音频链路

视音频架构方面，该系统采用4路3G-SDI基带系统架构。播出控制系统根据播出串联单控制All in One视频服务器和末端4×1倒换器，自动实现规定顺序的硬盘播出、线路直播、图文混合叠加以及应急切换等功能[11]。

2 广播电视台4K超高清播出系统关键技术

2.1 时码控制技术

赤峰广播电视台4K超高清播出系统依据广播电影电视行业标准《4K超高清视频图像质量主观评价用测试图像》（GY/T 329—2020），采用3 840×2 160 50p的4K超高清视频图像进行逐帧扫描[12]，适用于4K超高清视频系统和设备的图像质量主观评价[5]。由于传统的25p的播控技术无法满足现有需求，需要对控制逻辑开展50p适配改造。文件格式采用XAVC 500 Mb·s-1码率格式，确保播控软件可有效识别节目单中的50p文件的相关入出点。该技术定位更加精准，生成的指令更为有效，可采取VDCP协议传送到服务器端口。服务器收到播控软件发出的信号后，对播控软件信号中的帧位置进行转换，转换后以LTC+VITC的格式呈现出来，再根据节目时码轨道的LTC码和VITC码，按照播控软件下达的命令开始帧精度定位。

2.2 4K净切换

本系统链路设计了4路4K信号，采用4线3G-SDI基带信号的设备，以Qua-link方式进行4K信号的传输，由此解决4线信号净切换问题，如图2所示。实际配置过程中，在链路的末端选择的是4台双路二选一倒换器，共计输出4路4K信号，共有16个3G-SDI输入端口，8个3G-SDI输出端口，由4台3G四选一切换设备组成，本身自带帧同步，支持净切换，控制系统通过GPI技术能够实现4路信号帧精度净切换。在下达GPI切换信号时，视频能够自由快速切换，具有强大的网络链路处理功能和先进的净切换算法，音视频调度切换画面无损、即切即得、标准兼容，所有切换的信号都可以实现帧精度同步，解决了通用交换矩阵无法实现净切换的技术问题。

图2 4K净切换图

2.3 4K画面一致性比对

在4K音视频系统监控中，如果仅通过关键性能指标（Key Performance Indicator，KPI）对画面开展问题分析，是无法满足高清晰画面播放需求的。传统KPI报警时间阈值过长，极容易出现报警延迟问题。针对这一问题，系统可采取4K画面一致性比对技术进行修正，需技术人员全面采集4路4K信号，制定相关监控KPI的标准，并结合真值逻辑开展精准监控。当通过检测系统发现视频出现丢失、黑场、静帧、绿场、蓝场等各类纯色问题时，当音频出现静音、杂音、音调过高、音调过低等问题时，技术人员使用信号一致性比对仪将设备连接3G-SDI BNC输入端口，配置数量选择12个，能够有效对音视频信号进行全面采集和提取，满足主备和二备播出视频服务器Qua-Link 4K画面的输入需求。通过引入内容一致性比对，可精准实现对播放信号及网络链路的实时监控，快速找出发生故障的设备，根据系统的综合分析，确定最终完成主备和二备及垫片4路信号的应急切换。

3 结 语

自新系统运行以来，赤峰电视台提高了素材整备的效率，实现了每天24小时无间断播出，节目制作播出实现了高效化，电视频道画面更加清晰，节目质量更加优质，无论是播出业务还是视频质量，都达到了既定的目标，为广大电视观众提供了一场场视听盛宴，为讲好赤峰故事、传播赤峰声音，充分发挥了电视台媒体的作用，同时也验证了4K超高清电视播出系统从建设到运营的合理性。今后，赤峰电视台还需要借助信息技术升级的浪潮，不断开拓创新，努力为广大用户提供更加清晰、更为流畅、更高画质的超高清视觉体验。