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分析

【摘要】随着广播电视技术水平的不断提高，构建4K超高清演播室已成为现代广播电视台发展的必然趋势。因此，相关人员必须综合分析每个设计细节，进而实现演播室视频系统、音频系统改造升级目标。基于此，本文简单分析超高清演播室设计原则，并深入研究实例分析及设计方案的创新性，以供参考。

【关键词】4K融媒体演播室；视频系统；音频系统

中图分类号：TN929                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.15.019

随着我国社会经济不断发展和进步，人们对广播电视视频画质及传输的要求也越来越高，使得很多电视台都对内部演播室进行了不同程度的4K升级改造，这就要求设计人员在综合分析电视台资金投入与实际需求的前提下，合理选择系统构架与系统设备应用，从而真正构建一个4K超高清融媒体演播室。

1. 超高清演播室设计原则

1.1 兼容性设计原则

在设计演播室4K超高清视音频系统时，必须采用上下变换与超高清画质结合的系统运行模式，以超高清切换装置为建设基础，采用录放像机或EFP摄像机作为主要信号来源，并在整体设计中充分考虑高清与标清等多种格式的信号连接。除此之外，还应充分考虑笔记本电脑HDMI信号、VGA信号等各种多媒体装置的信号接入，这就要求设计团队在实施系统内部设计时，除需考虑普通HD-SDI相关信号外，还应在系统内部布设足够数量的转换器来满足各种媒体装置信号的连接要求，并将信号数据全部转换成为演播系统设备可识别的信号数据，最后传输至切换台，进而增强整体系统对于各种设备和信号的兼容性。

1.2 可靠性设计原则

在广播电视台日常工作中，信号传输的准确性与时效性对于整体节目播出而言尤为重要。因此，必须在系统设计时充分考虑整体系统运行的稳定性。为解决此类问题，相关机构可采用冗余设备的设计模式，在同一演播室内布设两台相同规格的切换装置，采用一主一备的独立双通道设计模式，保障演播设备在发生紧急故障时，能够在第一时间内进行数据备份，并将信号快速切换至备用设备以实现无缝连接，进而增强整体系统运行的稳定性。

1.3 扩展性设计原则

不同电视广播节目对于演播室内视频系统结构的要求也不相同，为便于后续设备维护与拓展，设计人员必须重点针对信号传输装置在未来升级更新方面，做好一系列预留性数据接口设计，进而使其能够充分适应各种节目播出模式。此外，为便于后续设备维护工作，设计人员应在各个设备关键节点区域合理布设跳线，保障其在后续使用过程中，一旦发生设备紧急故障能够在最短时间内找出设备异常区，并运用跳线装置将其断开，避免引发播出事故。

1.4 灵活性设计原则

演播室内通常会接入播出返送、多媒体及摄像机等输入信号，而关于输出信号方面除直播节目信号外，还包括如灯光监看、技术监看及现场录制等多种信號。为便于不同信号的分发和处理，相关设计人员必须基于系统实际设备实际架构，在内部配置相应的视频矩阵，并将其作为信号传输调度中心，使其通过信号矩阵作用，真正实现多用途、多渠道的信号分发，进一步增强整体演播室系统设计的灵活性。

2. 实例分析

2.1 项目简介

以某广播电视台4K超高清融媒体演播室设计项目为例，其在演播室升级改造项目当中，主要拟建一套4K超高清6+1迅道演播室，并以12G-SDI作为主要演播支撑系统，用以满足各种电视节目4K超高清制作需求。就整体建设目标而言，升级改造后的电视台演播室可满足以下几点要求：第一，动态范围必须符合相应的HLG格式要求。第二，帧率必须达到50P且兼容其他60P帧率需求的节目制作。第三，应达到3840×2160高清分辨率及BT.2020色域要求，下文将主要针对演播系统的各个分系统及设备设计方面做重点阐述。

2.2 关键设计方案

2.2.1 系统定位

本次案例演播室系统升级项目，主要包括集成部分设计与视频、音频系统设计，其中主要功能模块为控制系统、远程操作系统、TALLY系统、音频系统、视频系统及同步系统等，整体以12G-SDI演播室系统架构为核心，可满足全流程下演播室各种4K HDR方面的视频制作需求，且具备面对各种突发事件的应急反应能力和其他各个环节的控制功能。在整体系统运行操作过程中，主要以HD SDR和4K HDR为主要运行模式。

2.2.2 系统架构

本次案例系统基本构架主体视频链路为12G-SDI架构，并利用相应的架构功能来构建各种切换台与格式切换等核心模块，导播监视系统则分别采用多画面4K画质分割装置和工业级4K画质大屏，系统基带信号中的4×3G信号可经过内部转换器进行转换，使其成为可识别系统信号格式并连接到系统当中。整体演播室升级系统构架，全面遵循4K演播室系统升级的可拓展性、灵活性和可靠性等基本设计原则，并合理运用冗余主备链路构架模式结合一体化控制功能，全面实现对内部输入输出信号的调度控制和状态检测。为有效提升系统运行的安全性与稳定性，本次案例系统主备链路主要以无单独崩溃点设计作为主要设计模式，并借助内部应急预案功能模块，确保演播室设备在发生突发事故时，不会对系统内部信号输出造成任何影响，进而满足案例机构节目录制与实时直播的质量需求。12G-SDI系统架构，如图1所示。

2.3 视频系统设计与信号源设计

2.3.1 视频系统设计

项目组在经过一系列分析后，最终确定本次案例项目中视频系统设备及子系统布设方案，具体如下：采用超高清4K摄像机6套、一体化4K广播级云台摄像机1套、硬盘录像机和相机4台、图文包装12G-4K字幕系统1套、无轨虚拟超高清演播合成系统1套、混合现实有轨跟踪演播系统3套等装置。为满足系统装置未来升级拓展需求，案例项目设计人员还专门布设机动摄像迅道2套，其可支持多种信号源和多种品牌的外接设备接入。此外，还配备了超高清2M/E4K切换台和两台超高清1M/E4K切换台（一主一备），作为本次案例项目系统的主切换装置。基于系统功能可扩展性方面的考虑，本次案例演播室视频系统可兼容各种不同格式传输信号，且信号接入速度极快，还支持全程HDR超高清视频制作，进而满足广播电视台各种日常超高清视频录播任务与直播任务需求。

2.3.2 信号源设计

基于案例项目基本升级改造需求，故而项目组在设计系统信号源时，为保障演播室系统结构的功能拓展和稳定性，综合制定了一系列信号源设计方案，具体包括以下几方面：第一，采用6+1模式来设计迅道规模，即为一体化超高清4K云台摄像机+6套超高清4K摄像机（EFP型）构成。在此种模式运行下，演播室摄像装置可随时发送相应的Free-D传输协议，且能够根据内部虚拟系统的详细数据信息结构来运行各种操作指令。第二，在系统内部布设包装图文在线视频字幕系统模块，主要为各种直播节目提供字幕制作和在线包装等功能。第三，布设混合式有轨跟踪演播系统，使其同时支持有轨跟踪3个迅道混合制作需求。第四，构建1套完整的虚拟化无轨合成系统功能模块，使其与内部云台摄像装置相互配合，共同营造出一系列虚拟化电视节目效果。第五，在整体视频系统视频构建过程中，设计人员将格式处理装置设计为8通道，其中2个内部通道主要用于转换各种节目输入输出信号，可满足从4K格式到HD格式的基本转换需求，又可满足SDR与HDR之间的全部功能转换需求。而其余6个外来信号接收通道，可完全满足视频系统本身色彩校正和4K格式处理要求。

2.4 切换设备与监控系统设计

2.4.1 切换设备

本次案例项目在切换设备装置设计方面，主要包括以下几点：第一，在切换系统中，主要布设了1台超高清4K切换台装置，用于电视台相关节目的日常切换与制作，且在切换装置拥有30多路输入接口，完全能够满足广播电视台日常运行的基本功能要求。第二，另外配备两台超高清4K切换台，其中12G-SDI信号接入接口数量超过16路。其中一台装置在飞行箱外侧布设，主要用于对电视台户外相关电视节目的录制。而另一台装置则安装于演播室内，主要用于电视节目切换的备用装置。第三，通常来讲，超高清主切换台的相关功能要求必须高于2M/E，故而设计人员将内部全功能性切换面板配置设定为2M/E以上。在全程4K超高清模式运作下，必须将每级切换台配备4个键位以上，并基于相应系统结构，布设不少于8通道的动态视频存储装置，且应拥有静止画面8通道数据存储功能。除此之外，在本次案例设计方案中，支持多画面3通道视频输出，可完全将其作为导播监控等方面的备份通道。

2.4.2 监控系统

本次案例项目在监控系统模块设计方面，主要包括以下几点：第一，共配置4K多画面16通道分割装置3台，每台设备支持4通道内各种视频的同时输出功能。且在3台分割装置的共同运行下，可满足12块不同监控大屏的监控与画面的同时输出。第二，设计团队在现场布设工业级4K高性能监视器来保障对演播室24小时持续监控的需求。其中10台监控装置用于同步监控多种演播画面，另外2台监控装置主要用于对预监信号数据与导播主监信号数据的监控。第三，在技监工位区域布设1台广播级4K HDR高性能监视器，用以时刻显示各个分区演播设备的信号质量及运行状态。第四，在工位监看区域布设4台常规型4K监视器，其主要用于对外来信号与延时信号的监控。另外，在监控系统中还增设了相应的解嵌监听装置，用以保障整体监控数据的准确性和时效性。

2.5 通道设计与音频系统设计

2.5.1 通道设计

基于本次案例项目电视制作方面的规范要求，在通道设计阶段必须充分考虑整体系统中的技术实用性与功能拓展性。因此，在主用与备用切换装置信号输出阶段，将信号再经过一系列转换处理的输出形式设定为12G基带信号。除此之外，为降低信号输出受到设备运行因素的限制，可在系统设计过程中，配备两台相同型号的倒换器装置，在信号输出时可采用双通道结构信号输出模式。这样一来即使某个输出装置出现故障，也可在内部进行无缝转换，完全不会对整体通信效果造成任何影响。而PGM音频信号则主要通过基带嵌入器内部功能处理后进行输出，进而使整体输出系统通道可对全面内部加嵌信号进行监听、监视。除此之外，还应构建应急故障处理系统，保障主链路在运行过程中一旦发生故障，便可快速将信号数据无缝连接至备用链路。

2.5.2 音频系统

本次案例项目音频系统主要以调音台装置作为控制核心，并全面基于AES3相关标准要求实施整体设计，进而保障系统设计完成后不但能够满足音频系统16声道嵌入功能，还可满足立体声道、5.1声道及单声道方面的音频文件传播输出需求。案例系统中主调音台设备线路音频输出装置为8路以上、话筒装置为16路以上，同时支持现代16通道数字音频信息输出。在周边系统设计方面应重点基于信号数据处理与信号数据分配等方面的设计要求，同時充分考虑到信号在均匀分配的情况下，不会对音频质量造成任何影响。除此之外还将两台有源监听装置布设到了内部监听系统当中，并配备了两台音视频机架和监听耳麦。而对于演播系统中可能出现的紧急情况，本次案例项目组通过两台调音台设备一主一备设计方案，来实现对于各种音频系统衔接的无缝切换。一旦1号调音台装置发生设备故障，那么2号备用调音台便可迅速地接管信号数据输出，进而实现无缝连接。

2.6 周边设备

为保障视频系统与音频系统各项功能顺利实施，增强各项系统功能运行的安全性和稳定性，项目组选择周边设备时，严格基于案例项目系统设备规范要求，采用可混插的高度集成机箱板卡作为周边设备的主要设计结构。除此之外，还基于模块化设计方式进行整体机械设计，进而便于设备装置的后续运维及检修管理。最后系统结构中帧同步器、解嵌器、嵌入器、D/A转换器及A/D转换器等装置，也必须符合项目需求和国家有关标准。

3. 设计方案创新性分析

项目组基于对整体演播室改造系统中的各项要求规范之上，在演播系统中同时布设了多种超高清4K专业化设备，且在基于多元化平臺设计理念的前提下，同时兼顾电视纪录片、新闻及新媒体等多种节目类型相关要求，对整体演播系统设备应用流程进行了重新梳理与重构，使工作人员能够在系统整体运行阶段，运用内部一体化控制系统来完成相应的演播室处理任务，其中主要包括演播室灯光控制、设备跟踪及图形渲染等多个方面的智能化控制。相比传统控制技术而言，该技术不但可以完成基本的演播功能，还能充分满足内容集中管理、视频统一制作、播出统一控制等要求，进而在最大程度上增强整体演播工作的便捷性。此外，为满足大众现代化需求，还可在后续更新设计当中以无代码化节点编辑方式，真正实现演播信息快速交互和三维可视化显示，从而增强观众与节目的互动性，拓宽节目受众范围。

4. 结束语

针对系统结构、设备选型、信号流程及分析设计等方面，制定完善的演播室4K兼容升级改造方案，并充分利用最新的技术构架，在最大程度上增强演播设备的利用率和性价比，从而在保障演播室系统安全、稳定的前提下，在最大程度上提升了系统设备的实用性、经济性。

参考文献：

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作者简介：谢兵旺，湖北省武汉市，研究方向：广电领域系统集成.