电视台超高清4K融媒体演播室视音频系统 及集成部分设计研究

刘俊雄

（中山广播电视台，广东 中山 528403）

0 引 言

从当前电视台发展趋势来看，国家广播电视总局提出了关于4K电视发展的相关要求，这对传统的视音频系统提出了挑战。为了更好地适应未来发展趋势，中山广播电视台立足于技术现状和资金筹备等情况，在经济适用、安全可靠的基础上开展了融媒体演播室视音频系统的改造升级，以满足未来一段时间内4K超高清电视节目的制作需求，值得关注。

1 项目简介

中山广播电视台拟建设一套6+1讯道4K超高清演播室系统，该系统为12G-SDI基带制作系统，建成后可满足4K超高清电视节目虚拟制作需求。从项目建设的目标来看，改进后的电视台要能够满足当前超高清制作的相关技术标准，即分辨率 3 840×2 160、帧率50P（兼容60P制作）、BT.2020色域、动态范围符合HLG格式等。

2 关键设计方案

2.1 系统设计的基本需求

2.1.1 系统的基本定位

该项目中所设计的电视台超高清4K融媒体演播室视音频系统及集成部分包含视频系统、同步系统、音频系统、TALLY系统、远程制作系统以及控制系统等若干功能模块，整个系统为12G-SDI架构模式，能够适应全流程下4K HDR视频制作的功能需求，并具有良好的应急反应与控制系统。在系统运行中，根据需求设定为4K HDR与HD SDR两种模式。

2.1.2 系统基本架构

以12G-SDI为主视频链路架构构建双切换台核心，采用了4K工业级大屏加4K多画面分割器为导播监视模块，系统中的4×3G基带信号可经过格式转换后连接到系统中。整个系统架构兼顾了安全性、灵活性以及可拓展性的设定要求，采用了主备冗余链路的结构模式，并借助一体化控制系统优化完善信号状态检测与调度控制[1]。为全面提升整个系统架构的安全性，本次系统设计选择无单一崩溃点的主备链路设计模式，并通过应急预案确保单一设备发生故障的情况不会影响系统正常的信号输出过程，可以满足电视台实时直播与节目录制的质量控制标准。

2.2 视频系统设计方案

本次设计方案设置了6套4K超高清演播室摄像机、1套广播级一体化4K云台摄像机、3套有轨跟踪混合现实演播系统、1套4K无轨虚拟演播合成系统、1套12G-4K图文包装字幕系统以及 4台硬盘录/放像机等。考虑到系统未来功能拓展的需求，设置了2套机动摄像机讯道，可以有效支持其他品牌或其他信号源的接入。除此之外，配置2M/E4K超高清切换台为主切换，2台1M/E4K超高清切换台中的1台作为备切换。基于对系统功能的考虑，设计方案中的视频接入系统可以快速接入不同格式的信号，并且全程支持超高清HDR视频制作，能完成超高清直播与录播。

2.3 系统信号源设计

根据电视台节目播出的要求，系统信号源设计应考虑到系统节目的稳定性与功能拓展。

（1）讯道规模设计采用“6＋1”模式，即4K超高清EFP摄像机匹配（6套）＋4K超高清云台一体化摄像机（1套）。该设计方案下，4K云台摄像机可以实时发送Free-D协议，根据虚拟系统的反馈结果运行。

（2）设置在线包装图文字幕系统，可以提供在线包装与制作字幕的功能。

（3）设置有轨跟踪混合式演播系统，能够支持3个讯道有轨跟踪混合合成制作要求。

（4）配置1套无轨虚拟演播合成系统，可以与云台摄像机配合来制作营造虚拟化的节目展示 效果[2]。

（5）在视频制作系统中设置8通道多格式处理器，其中有6个通道可以接入外来处理信号，符合4K高清处理格式与色彩校正的要求。另外两个通道用于转换输出节目信号，能够满足从4K至D格式转换的一般要求和从HDR至SDR的功能转换设定要求。

2.4 切换设备设计

（1）在切换系统设备中，配置1台4K超高清切换台用于节目制作与切换。该切换台有30路以上的SDI输入接口，符合系统日常运行的功能设定 要求。

（2）配置2台4K超高清切换台，有不少于16路的12G-SDI输入接口。其中一台设备安装在飞行箱外侧，用于户外节目录制；另一台放置在演播室，作为节目制作的备切换。

（3）由于4K主切换台的功能要求标准应高于2M/E，因此配置高于2M/E的全功能切换面板。在4K模式下，切换台每级都配置了4个以上的键，并且对应系统中至少设置了8通道动态画面存储器，可以支持8通道静止画面数据存储需求。此外，该设计方案支持4通道多画面输出，可以作为导播监看的备份通道。

2.5 监控系统设计

（1）配置3台16通道4K多画面分割器，每台分割器同时支持4通道视频资料输出的要求。在3台分割器的支持下，能够同时满足12块大屏观看与监控的要求。

（2）现场配置12台工业级4K监视器，满足全天候无缝监控的要求。其中2台监视器用于导播主监与预监信号监控，另外10台用于多画面同步 监控[3]。

（3）在技监工位设置一台4K HDR广播级监视器，该监视器可以随时显示系统信号质量信息。

（4）在工位监看位置设置4台4K监视器，用于监看延时信号与外来信号。除此之外，增设解嵌监听功能。

2.6 通道设计要求

根据4K超高清电视制作的相关要求，通道设计应综合考虑整个系统功能拓展与技术可行性的要求。主备切换台在输出信号期间，可经倒换器处理后以12G基带形式完成输出。此时为避免输出过程受到限制，在设计中同时准备两台倒换器，在输出信号时可采用“二选一”的方法输出信号，即使单个设备出现故障也不会影响通信效果。音频PGM信号由基带嵌入器处理后完成输出，整个系统通道具有对加嵌的信号进行监视与监听的功能[4]。此外，设置故障应急控制系统，当主链路发生系统故障时可以快速切换至备用链路。

2.7 音频系统设计

以调音台为核心，按照AES3标准开展设计，确保设计后的系统能够满足16声道音频嵌入的功能要求，同时支持单声道、5.1声道以及立体声道的音频传播要求。该系统的主调音台为16推子数字调音台，话筒＋线路音频大于等于16路输入与8路输出，同时支持16通道数字音频输出。周边系统设计应充分考虑到系统信号分配与信号处理的相关要求，并兼顾大量信号加嵌业务处理对硬件系统的要求，最终确保信号可以均匀分配且不会影响音频质量。在监听系统中设置了2台有源监听音箱，2幅专业监听耳机与2台对应的音视频机架监听装置。针对系统可能出现的应急状态，采用了主备调音台混合的设计方法，通过“二选一”装置可以实现无缝隙切换。当主调音台发生故障时，备用调音台依然可以发出信号。

2.8 周边设备

考虑到视音频系统设计的基本功能，为确保整个系统功能稳定良好，设计选择了品质高、性能稳定的知名品牌周边设备。在周边设备处理中，严格按照系统设备的使用要求，采用具有高集成度、可混插的机箱板卡结构[5]。设备采用模块化设计模式，方便后期检查与运维管理。此外，系统中的A/D转换器、D/A转换器、嵌入/解嵌器以及帧同步器等需要满足国家标准。

3 设计方案创新性分析

根据对系统性能设定的相关要求，在超高清演播平台设计中同时配置了多种专业化设备。在一平台多形式设计规范的基础上，兼顾新媒体、新闻、纪录片等不同类型节目播出的要求，电视台与设计公司技术人员进行合作之后对超高清演播生产流程进行了重构与梳理，在整个系统运行期间可借助自动化控制系统完成一系列视音频处理工作，包括图形渲染引擎、跟踪设备以及灯光等的自动化管控[6]。与传统技术方案相比，该技术方案能够实现统一控制播出、统一制作平台、统一内容管理等方面的要求，技术人员可按照自动化控制的要求统一控制播出与平台制作等。

对于当前的广播电视行业而言，新媒体技术带来的冲击不容忽视。为了顺应时代发展潮流，充分考虑到人们参与节目的可能性，在设计方案中利用无代码化节点编辑的手段实现大数据三维可视化和快速交互，可以在外部数据支撑的基础上实现演播平台与外场观众之间的互动，有助于扩大电视台受众范围。

4 结 语

根据案例分析，该音频系统及集成部分设计方案在技术上具有可行性，能够支持电视台超高清节目制作的基本要求。与传统的设计方案相比，所提出的设计方案在技术手段与设计思路上都实现了创新，符合未来社会发展的基本要求，能够满足未来一段时间内电视台业务工作的需求，值得类似项目借鉴参考。