某广播电视台4K 超高清播出系统改造设计路线

吕世春

（中国广电四川网络股份有限公司甘孜州分公司，四川 甘孜 626000）

0 引言

广播电视台作为主要的媒体机构，不仅要紧跟科技发展的步伐，满足观众对高品质内容的需求，而且要与其他平台和竞争对手保持竞争力。4K 超高清播出系统的改进，不仅能提高画面质量和观感效果，还能带来更高的竞争力和商业价值。在市场需求不断增长的背景下，广播电视台需要投资升级播控设备和技术，以满足观众对4K 超高清内容的追求，赢得更多的观众和广告商的青睐。

1 4K 超高清技术概述

4K 超高清是指视频分辨率达到3 840×2 160或4 096×2 160 的一种显示技术。相比于传统高清（1 920×1 080）或标清（720×576），4K 超高清具有更高的像素密度，屏幕上可以呈现更多的图像细节和更为清晰的图像边缘。4K 超高清技术支持更广阔的色域范围，能够呈现更真实、更细腻的色彩。4K 超高清技术具备更高的对比度和更暗的黑色水平，能够保留更明亮的白色和更细腻的阴影细节，图像在明暗过渡时更具细腻性和明亮度。

2 某区县广播电视台播出系统现状

2.1 当前播出系统的技术配置和局限性

某地广播电视台当前播出系统只支持标清（720×576）和高清（1 920×1 080）分辨率，无法提供4K 超高清分辨率体验。播出系统无法准确还原高动态范围（High Dynamic Range，HDR）和广色域（Wide Color Gamut，WCG）的图像，导致观看体验存在局限性。当前系统在处理和传输4K 超高清内容时还存在数据传输速度不足的问题，影响内容的流畅播放和传输稳定性。由于4K 超高清的视频文件体积相对较大，当前播出系统的存储容量和处理能力难以满足4K 超高清节目的需求。部分旧有设备也无法兼容4K 超高清格式，导致无法正常播放或需要更换设备以适应新的播出系统。

2.2 传统播出系统与4K 超高清播出系统的差距

传统播出系统的分辨率较低，无法提供4K 超高清的细腻画质和更高的清晰度，而4K 超高清播出系统能够呈现更多细节和更为逼真的图像质量。该区县传统播出系统也无法准确还原HDR 和WCG图像，而4K 超高清播出系统具备更广阔的色彩表现能力，使得图像更丰富、更鲜明。此外，4K 超高清播出系统需要更大的带宽、更高的存储和处理能力，以及支持4K 超高清格式的设备。总体上看，该区县传统播出系统的改造升级面临网络和设备等技术挑战。

3 改造路线设计

若将4K 超高清播出系统设计为网状结构，则该系统平台的控制、管理与监控核心为播出控制系统。4K 超高清技术的快速推广和普及带来了内容制作和传输的挑战。播出系统不仅需要支持4K 超高清信号的生产和传输，还需要具备强大的性能和稳定性，以应对复杂的播出环境和需求。

3.1 4K 超高清播出系统软件架构设计

本次设计的软件架构嵌入了分布式超高清转码模块、4K 画面一致性比对和4 链接3G-SDI 净切换全新功能模块。该区县的传统播出系统使用专用的硬件设备进行视频处理和转码，转码效率和处理能力可能有限。引入分布式超高清转码模块后，可以利用分布式计算资源进行视频转码，提升转码效率和处理能力，并能支持更高分辨率的视频处理。在画面一致性比对上，该区县的传统播出系统没有专门的模块来实现画面一致性比对功能，画面质量和色彩表现的一致性无法得到保证。引入4K 画面一致性比对功能模块后，能够自动检测不同画面输出之间的差异并进行调整和校准，确保多个4K 播放器或4K 视频源在画面质量和颜色表现上的一致性。在3G-SDI 净切换方面，该区县传统播出系统使用传统的视频切换设备来实现信号的切换，需要手动控制切换过程，切换时间较长。引入4链接3G-SDI 净切换功能模块可以实现在4K 超高清播出系统中多个3G-SDI 信号之间的快速、平滑的切换，确保信号质量和连续性，提升播放切换的效果[1]。

本次软件架构除了嵌入了三大模块以外，还在以往的25 帧播控模块基础上，升级成50 帧控制逻辑。4K 画面一致性比对功能模块用于确保播出系统中的多个4K 播放器或4K 视频源在画面质量和颜色表现上的一致性。该模块通过对比不同的画面输出，可以检测到画面显示设备之间的差异，并自动进行调整和校准，以达到画面一致性的效果；4 连接3G-SDI 净切换功能模块用于实现在4K 超高清播出系统中多个3G-SDI 信号之间的净切换。该模块通过使用专门的切换设备和算法，可以在不影响信号质量和连续性的前提下，实现快速而平滑的切换过程。

本次播出系统的控制、管理与监控平台的软件架构除了实施层级、模块化处理以外，强化了各个层级之间的相互关系，对不同的模块明确功能边界，确保后续的功能迭代与新技术模块引入。

3.2 4K 超高清播出系统业务流程

该区县电视广播播出系统传统的节目整备业务、单据编排业务、播出控制业务和系统监控业务与4K 超高清播出系统的对应业务相比，传统系统的节目整备业务主要涉及标准清晰度（Standard Definition，SD）或高清晰度（High Definition，HD）的节目制作和编辑；4K 超高清系统的节目整备业务需要针对4K 分辨率进行节目的制作和编辑，使节目素材达到更高的分辨率和图像质量要求[2]。同时，需要考虑4K 格式的处理能力和存储需求。传统系统的单据编排业务通常针对SD 或HD 的节目单进行编排和安排；4K 超高清系统的单据编排业务需要针对4K 节目源进行编排和调度，确保4K 节目的播出顺序和时间表。传统系统的播出控制业务主要通过专门的硬件设备来实现播放控制和切换操作；4K 超高清系统的播出控制业务引入专门的4K播放控制设备，支持更高分辨率的视频播放控制和切换操作。传统系统的系统监控业务主要关注传统播出系统的设备状态、连接等指标的监控；4K 超高清系统的系统监控业务需重点关注4K 播放设备、网络带宽及存储容量等与4K 播出相关的指标进行监控，以确保4K 播出系统的稳定性和性能。

将区县电视广播播出系统传统的节目整备业务、单据编排业务、播出控制业务和系统监控业务进行改造，使其适应4K 超高清播出系统，需要对原有的SD 或HD 节目制作流程进行改造，增加对4K素材的处理能力和工具。可使用适合4K 超高清的摄影设备、后期制作软件等来制作和编辑4K 节目。改造素材采集环节优先选择支持4K 分辨率的摄像机和采集设备，筛选出适合4K 播出的素材，并调整现有的节目审批标准和流程，确保4K 节目符合相关规定和高品质要求[3]。

在单据编排业务改造方面，更新节目单的编排工具和系统，支持4K 节目的编排和调度。考虑4K节目时长与转码、传输所需时间的因素，需精确安排节目的播出时间和顺序；为4K 节目设计跳板节目，用于平滑过渡和灵活调整播出节目，确保4K 节目的高质量播放。在播出控制业务改造方面，升级现有的播出设备，包括播放器、调度器等，以适应4K 超高清播出需求[4]；同时引入自动化播出控制系统，实现对4K 节目播放的自动调度、切换和广告插播等功能，减少人工干预。在系统监控业务改造方面，使用高速的以太网和网际互连协议（Internet Protocol，IP）传输技术，确保足够的带宽和低延迟，引入专门的4K 信号监控设备，对4K 节目播出进行质量监控，确保画面质量、色彩一致性和稳定性；优化系统监控软件，及时收集和分析与4K 播出相关的数据，并生成相应的报表、指标和警报。

3.3 技术架构

针对区县电视广播播出系统的视音频链路及周边和视频服务器系统进行改造设计，能够适应现代化的需求和技术发展。首先，应先升级摄像头、监控摄像机等设备到高清或4K 分辨率，提高图像质量和细节展示能力；增加网络摄像机的应用，实现远程监控和管理功能；使用数字音频调音台和音频处理器，提供更精确的声音调整和效果处理功能；增加多路音频输入和输出接口，支持多声道音频处理和编码功能；引入高清或4K 的视频分配器、切换器和转换器，支持多信号源的异步切换和跨系统平台的视频转换[5]。其次，针对4K 超高清播出系统的资源存储需求，需增加存储设备的容量，以适应更大规模的媒体内容存储需求，使用高速磁盘阵列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID）或云存储解决方案，提高存储性能和可靠性，并引入现代化的视频编码标准，如H.264、H.265 等，提供更高的图像质量和更低的比特率，从而减少传输带宽和存储空间的占用。最后，将视频服务器系统迁移到基于IP 网络的架构，支持远程访问和管理，简化系统监控和维护。例如，使用云计算和虚拟化技术，提供弹性扩容和灵活的资源分配方式。

4 结语

随着4K 电视和设备的普及，观众对更高质量的内容和观看体验的需求不断增加。对区县广播电视播出系统进行4K 超高清改造升级，可以满足观众对高质量内容的需求，提高媒体竞争力，适应市场发展趋势。尽管4K 超高清的视频数据量较大，但现代的视频编码技术和网络传输技术能够实现更高效的压缩和传输。改造升级后的系统可以更好地利用带宽和存储资源，提供高质量的视频流媒体服务。