适用于高职院校的小型超高清虚拟演播室探索

吕米佳

（广州城市职业学院 艺术设计学院，广东 广州 510405）

0 引 言

近三十年来，电视视频技术实现了跨越式的发展，实现了从标清、全高清、4K超高清（Ultra High Definition，UHD）到8K超高清的转变。2012年，由日本NHK电视台提出的7 680×4 320分辨率正式被国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）认可为8K标准并对外发布。2018年，NHK电视台正式宣布8K电视信号正式开播[1]。

在国内，2020年，新华社首次采用“5G+8K+卫星”实时报道全国两会。2022年，北京组织建立了全球首个城市级8K播放体系，开通了国内首个8K频道用以直播北京冬奥会。

广州城市职业学院的虚拟演播室始建于2007年，最初是基于SDTV标清标准的演播室。2012年，演播室升级为HDTV全高清标准。近几年，学院也在持续购入4K超高清设备。2022年，随着新校区的建设发展，学院也开始着手探索8K超高清演播室建设。

1 超高清技术

1.1 超高清分辨率

超高清是近三十年来历经标清、高清、全高清发展而来的最新一代的视频技术，由国际电信联盟ITU制定，在广播电视领域广泛应用。在ITU制定的BT.2020规范中，超高清共有两个阶段：第一阶段称为4K UHD，分辨率为3 840×2 160，第二阶段为8K UHD，分辨率为7 680×4 320。

高分辨率是超高清最显著的特点。8K超高清视频显示的像素相当于16个全高清视频或者4个4K视频的像素之和，7 680×4 320分辨率一帧画面的总像素就达到了33 177 600，其物理清晰度相对4K大幅提升。但对超高清画面的视觉感官，还应包括动态范围、色彩空间、色彩位深度及帧速率等多重因素。

1.2 高动态范围

动态范围，指视频中反映人眼所能看到的最亮白色与最暗黑色之间的颜色和对比度。传统的动态范围为标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR），而高动态范围（High Dynamic Range，HDR）可以使视频画面的更具有真实感。HDR有多种形式，目前4K超高清中最常见的是HLG（混合对数伽马），最初由英国BBC电视台和日本NHK电视台提出，广泛应用于广播电视领域，优点是兼容性较好，但由于不能提供元数据，因此在后期空间上具有一定的局限性。比HLG更佳的是依照SMPTE ST2084标准开发的HDR10，可以带有静态元数据。此外，还有HDR10+、高级HDR、杜比视界等标准，可带动态元数据，可以在后期制作时灵活地在场景中更改元数据，丰富后期空间。

1.3 广色域

色域，也就是色彩空间，指画面中人眼可辨识的色谱中的色彩范围。广色域（Wide Color Gamut，WCG）能显示更多的色彩。二十多年以来，广色域标准一直在发展，在模拟电视的标清时代，色彩空间标准为BT.601。到了数字电视高清时代，色彩空间逐渐扩展到BT.709。到了超高清时代，色彩空间发展到了BT.2020和DCI-P3标准，支持更丰富的色彩。这两个标准也被称为WCG。

1.4 高色深

色彩位深度，是指数字电视中每个像素使用的位数。通常，每个像素都由红、绿、蓝三种颜色的子像素组成。实际上，8 bit色彩位深度使用的位数为8 bit×3=24 bit，三种颜色加起来则有1 600万种色彩变化。8 bit的色彩位深度在SDR的应用场景是基本够用的，但是在超高清HDR应用场景下，由于动态范围变大，8 bit会略显不足。目前的高色深（High Color Depth，HCD）指的是10 bit或者12 bit的色彩位深度。其中10 bit可以使每种颜色有1 024种颜色的变化，三种颜色可超过10亿种色彩变化。

1.5 高帧率

帧速率，指的是每秒画面的帧速度，一般电影为24 f·s-1，电视为25p/50i（PAL）或29.97p/59.94i（NTSC）。高于上述帧速率的50 f·s-1、60 f·s-1，甚至是100 f·s-1、120 f·s-1被称为高帧率（High Frame Rate，HFR），在一些运动场景如赛车、体育比赛中具有一定的优势。

1.6 国内标准

2021年，中央广播电视总台发布的《8K超高清电视节目制播技术要求（暂行）》的技术指标提出，8K超高清的分辨率为7 680×4 320，帧速率为50p，HDR为HLG/1 000nit，色彩深度为10 bit，色域为BT.2020。

2 超高清演播室的设计

广州城市职业学院艺术设计学院的广播影视节目制作专业群是省级高水平专业群，精准对接影视制产业链中后端。该演播室的设计应符合行业8K超高清标准，同时要与原有设备兼容，还应满足教学实训的要求。

2.1 超高清演播室系统

演播室系统可参考2021年中央广播电视总台发布的《8K超高清电视节目制播技术要求（暂行）》的技术指标进行设计，在满足8K超高清UHDTV-2（7 680×4 320/50p，HLG/1 000nit，10 bit，BT.2020色域）的制作同时，能向下兼容UHDTV-1、HDTV、SDTV标准。

目前，8K超高清演播室制作流程有两种方式，即基于SMPTE ST2110标准的IP化制作流程（以下简称IP方式）和基于SMPTE ST2082标准的4×12G SDI 8K基带信号制作流程（以下简称SDI方式）。

IP方式是目前较为先进的方式，中央人民广播电视总台已经在2022年冬奥会8K超高清直播上进行了实践。其原理是将8K超高清基带信号转为IP信号，以IP的形式进行信号处理，包括摄像机、切换台、监视设备等设备均使用IP信号在系统中进行制作，实现高带宽、低延时处理和传输[2]。视频的格式也不再受限制，压缩的JPEG XS、H.265格式，或者是无压缩的8K、4K超高清格式都可以以IP方式在网络中进行处理。IP方式可脱离SDI板卡，双向传输更为灵活，使资源分配和共享更为方便[3]。IP方式是未来发展的主要方向，国内外主流媒体也在从SDI到IP化的方向转型。

SDI方式是传统演播室系统常用的方式，从标清到超高清已经发展了三十多年，主要优势在于延迟低、简单、可靠。电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）在2015年发布的ST2082标准中提出，12G-SDI可 提 供11.88 Gb·s-1带 宽，通 过 四 链 路12G-SDI，可以实现47.52Gbp·s-1的带宽，刚好可满足UHDTV-2（8K）规格超高清视频的带宽需求。四链路12G-SDI的每个链路传输四分之一的8K视频，然后将信号通过SQD（平方除法四分裂）或者2SI（两个样本交织）的方式组合成8K的图像[4]。SDI方式可以兼容现有的摄像机、切换台及字幕机等设备，但线路的布置会比较复杂，摄像机需要机身支持4路12G-SDI输出，市面上可供选择的型号不多。SDI方式技术成熟、维护简单，对旧设备的兼容性好，成本较低，是一种成熟的解决方案。

上述两种方式中，尽管IP方式的8K超高清制作系统更为先进，也是未来的发展的方向，但艺术设计学院最终还是选择了传统的SDI方式，主要原因如下。

（1）成本控制。IP化的成本较高，核心设备被少数几家厂家垄断，价格高昂。而SDI方式发展了三十多年，选择面广，可以有效地控制成本。

（2）设备兼容。学院原有设备如摄像机、切换台等仍在正常使用，其都是SDI接口，若强行IP化，这些设备可能会被淘汰。

（3）人力成本。学院现有人员对传统SDI设备更加熟悉，若改为IP方式，将增加现有人员的学习成本，以及产生人员招聘的问题。

2.2 演播室工作核心设备

8K超高清摄像机选择国产的博冠B1 8K 50P小型化广播级超高清摄像机。该摄像机曾在2022年北京冬奥会上进行直播信号采集，支持7 680×4 320/50p，HLG/1 000nit，10 bit，BT.2020色域的8K超高清标准，机身自带4路12G-SDI接口，可以直接将无压缩的8K基带信号接入切换台和采集工作站，从采集、制作到传输满足超高清演播室制作[5]。

8K超高清切换台选择ATEM Constellation 8K。该切换台搭载40路12G-SDI输入和24路12G-SDI输出，可以同时支持10个8K讯道，也可以将单个8K讯道灵活转为4个4K讯道。该切换台内置了对讲、切换、色键及调音台等功能并进行了整合，有效降低了成本，非常适合学院演播室的使用。

8K超高清录像机选择HyperDeck Extreme 8K HDR硬盘录像机，支持四链路12G-SDI的8K基准信号输入，可应对UHDTV-2（8K）、UHDTV-1（4K）、HDTV、SDTV等标准，兼容原有的所有设备，支持录制H.265和ProRes格式的8K视频文件。

基于以上选择的主要设备，设计的演播室系统整体拓扑如图1所示。

图1 演播室系统拓扑图

2.3 虚拟演播室

目前，市面上成熟的8K超高清虚拟演播室较少，本文推荐两个方案。

一是采用基于4K全高清的成熟产品，通过后期升级来获得8K的支持。比如VisionMagic、Cgangs V3D等虚拟演播室系统，这些系统可兼容无轨跟踪和机械传感两种跟踪技术。尽管这种虚拟演播室系统目前最高仅支持到4K超高清，但市场的发展速度很快，可预留升级到8K的接口。

二是采用Ulitimatte 12 8K合成处理器。该设备带有四链路12G-SDI接口，可以支持8K超高清抠像。Ultimatte 12系列型号设有帧存储功能，可以加载来自3D建模播出场景中预先渲染好的静帧，满足固定多机位的8K虚拟拍摄。Ulitimatte 12合成处理器还可以结合Unreal虚幻引擎进行跟踪[6]。

2.4 演播室的布局

由于实训楼的结构限制，该演播室布局为长25.2 m，宽8.4 m的长方形，包含了虚拟拍摄区、超高清摄像区、工作及播控区、学生观摩区及设备间等区域，如图2所示。

图2 演播室总体布局

演播室右侧为学生观摩区，采用每行10个座位、共5行的阶梯座位形式。在学生观摩区前方的左右两侧设置两台移动式8K超高清的70英寸电视，便于学生仔细观看和分析摄像画面。中间区域为工作及播控区，两侧放置了切换台、电视墙、录像机、字幕机及工作站等设备，是进行节目制作的主要实训区域，要预留足够空间方便学生开展活动。

演播室最左侧为虚拟拍摄区，其中蓝箱规格为8 m长、4 m深、4 m高，采用阻燃聚酯玻璃钢拼装组合，底漆采用美国ROSCO公司生产的标准电视系统专用漆。

3 结 语

在8K超高清技术蓬勃发展时代，超高清演播室系统的全面IP化是先进的技术，是发展的趋势，但造价高昂，并非所有高职院校都有充足的预算去对标行业高端。本文提出的小型8K超高清虚拟演播室，通过选择四链路12G-SDI的技术，器材国产化、小型化，整合精简冗余设备，符合8K超高清的标准的同时，降低了建设成本，为同类院校建设高性价比8K超高清虚拟演播室提供了思路。