小成本下的综艺演播厅大屏控制系统4K化改造

泰州广播电视台：李家驹

目前，大屏显示技术发展日新月异，巨型屏、异型屏随处可见，屏幕像素越来越高，往往能带来令人震撼的效果。与此同时，观众的要求也水涨船高。因此，对于尺寸较大的LED屏幕显示来说，传统高清系统已经与之不相匹配。然而，作为市级电视台，无论是前端的摄像系统，还是后端的播出系统，仍然还是停留在高清技术的标准之上，对于全面4K化改造并没有提上日程。处在这样的矛盾之间，如何通过小成本来提升综艺演播厅大屏显示的效果成了一个很好的研究方向。

1. 现有系统简介

首先，我们对演播厅原有大屏显示系统的现状做了充分研究。通过数据分析，800平米演播厅使用的是P4屏体，每块屏体分辨率为128*128，整屏宽28块，高10块，分辨率为3584*1280，即约460万像素。高清视频图像画面分辨率为1920*1080，即200多万像素。原有系统是按照高清标准建设，在这种情况下，便损失了260万像素所能承载的清晰度。此外，横向大约2个像素点用来显示了本应该1个像素点显示的内容，也造成了画面边缘锯齿化，清晰度明显下降，视觉感受上会让观众有一种模糊的感觉。在这样的情形之下，我们决定对800平米综艺演播厅大屏控制系统进行4K化的改造，以提升大屏画面显示质量。

2. 4K化改造思路选择

我台800平演播厅大屏显示与控制系统项目建于2018年，控制系统按照高清标准建设。在此情形之下，改造有两种思路：

一种思路是进行大投入翻建。将大屏显示与控制系统全部更换，采用分辨率更高的屏体，这样的优势不言而喻，但是问题也很多。首先这样改造费用很高，对于地市级电视台来说资金压力很大。其次，大规模改造会导致演播厅施工周期长，而800平演播厅是我台唯一一个大规模综艺演播厅，肩负着经营创收的重要任务。现如今整个经营环境不佳，若在此时长时间停用势必会对经营创收造成很大的影响。综上所述，大规模的改造推翻重来确实不合时宜。

第二种思路则是进行小投入的微改造。改造过程中保留原有屏体，仅对800平演播厅大屏导控系统进行4K化改造，将原有大屏拼接处理器的输入信号由高清输入改为4K输入，从提升画面本身分辨率与大屏实际利用率的角度去提升大屏画面显示的质量。

经讨论研究，此次改造我们选用的是第二种思路。一方面，从理论上，4K画面的分辨率为3840*2160，现有屏体的分辨率为3584*1280，在水平方向上，4K画面的显示基本做到了点对点对应。另一方面，我们通过现场实验对比对大屏显示高清画面与显示4K画面进行直接客观的对比。实验中我们选取一幅有文字的4K画面。通过端口输入源的调整，让大屏左半边显示下变化的高清画面，右半边显示4K画面，经肉眼比对，我们能直观感受到两个半屏的清晰度的差异，左半屏的图像边缘尤其是文字边缘比较模糊，锯齿化严重，而相比之下，右半边屏幕显示的4K画面清晰度高，画面质量改善明显。

总体来看，这样的改造思路有很多优点。第一，改造费用不高，保留了原有的大屏主体，保护了前期投资。第二，改造周期不长，对于演播厅经营创收的影响不大。第三，效果提升明显，横向几乎做到了点对点的显示，如此改造提升了大屏利用率，视频图像分辨率有效提高，画面质量明显改善。

3. 方案论证

在系统设计上，如何控制好成本也是本文论述的一大重点，做到保护前期投资。操作方式仍需便捷可靠，方便操作人员使用。在这样的思路下对系统进行调整。

3.1 源设备的选择

在此次改造过程中，我们将原有大屏资源进行充分利用，让其整体效果得到提升。原大屏显示源设备为两台非线性编辑器，型号为惠普Z820，视频处理软件采用的是Eduis8，输出板卡采用的是Decklink Studio 4K采集与输出卡。经研究我们发现此卡能够最高输出30帧4k分辨率的画质，且同时拥有3G-SDI输出口与HDMI-4K视频输出。但这里存在几个问题，一方面，此卡无法输出高帧的4K画面，另一方面，此卡为HDMI-4K输出，安全性和扩展性不佳，此外，Z820处理4K画面能力不足。所以这里考虑对源设备进行调整，考虑调用型号为Z8的新工作站，并配备DeckLink 8K Pro采集与输出卡。

新非编配备了Eduis10作为视频处理软件，无论是从硬件还是软件上看，性能较之前都有很大提升，在处理4K画面时更加轻松高效。其配备的DeckLink 8K Pro是一款先进的第三代8速PCI Express采集和输出卡，专为高分辨率8K流程所打造，搭载4个12G-SDI接口，其还可对四个12G-SDI接口进行配置，以高达4K DCI 60p的任意格式或帧率实现四路不同视频流的多通道采集和输出。

在前期测试中，也发现一些问题，Eduis10在显示输出时有一定的缺陷，显示输出无法达到或50帧以上，所以无法实现高帧画质输出，这就需要一些周边设备辅助才能让系统正常运行，这点在下面的设备选型中会具体地讲述。当然如果说选择更换显示输出能达到50帧的设备，固然也能解决这样的问题，但是经询价，此设备的价格较高，如果选用此设备，那么此次改造在小成本下是无法完成的。

3.2 视频处理器的调整

源信号提升的问题得到论证之后，接下来就要考虑原有的视频信号处理器、发送卡的带载能力能否满足要求。我们现有的视频处理器诺瓦MCTRL500，它的总带载为230万个像素。发送模块包含了两张发送卡，这里我们用两张发送卡去拼凑出一幅460万像素的画面，这与现有大屏的分辨率基本吻合，设备则不需要调整。

4. 具体方案与设备选型

论证完可行性，接下来就需要对整个系统进行全盘考虑，此改造系统是4K信号与高清信号混合的系统，核心设备的更换与周边设备的调整选型，都要配合整个系统进行。

4.1 具体方案

此次改造保持了原有系统框架结构基本不变。核心处理部分，切换台从高清换成4K，改造后的输入信号为4路4K信号与4路高清信号的混合输入信号，输出信号变为4路4K输出信号。系统框图具体调整如图1所示。

图1 系统框图

4.2 设备的选型

4.2.1 切换台选型

作为800平米演播厅视频系统的核心，切换台起着重要的作用，它是信号的调度中心，这里我们使用的是一款松下AV-HS410MC 4K切换台，此切换台为高清版本的升级款，其物理接口、外形大小、按键布局与先前的高清切换台基本一致，对于节目部门的操作人员来说，操作方式几乎没有发生变化。另外，此切换台还能够兼容4K信号与高清信号混合输入，灵活性较强。

4.2.2 格式转换器的选型

此次改造过程中共增加3个4K格式转换器，上文提到前端视频输出源最高只能输出2160p30的画面，预接入50p的系统中，则需要通过4K格式转换器的转换才能实现。在切换台的输出端，同样需要使用4K格式转换器将12G-SDI信号转换为HDMI-4K信号接入大屏拼接处理器，实现4K信号的输出。综上所述，4K格式转换器的使用让所有的信号在系统中都“跑”了起来。这里选用的4K格式转换器是BMD公司的一款广播级格式转换器——Teranex AV，Teranex AV拥有仅67毫秒的极低延迟特性，能以极快的速度将任何HDMI或SDI视频格式转换成不同格式，能以10bit品质提供多种上、下、交叉变换和格式转换，并且可达2160p60格式，完全满足我们的当前要求。

其次此系统还选用了2个4K下变换器。对于系统的矩阵部分，改造后系统仍使用原有的高清矩阵，4K信号则需要通过下变换器进行格式转换才能进入矩阵系统。这里我们选用中帝威公司(DeviceWell)型号为MD2092的12G SDI下变换器。这是一款国产4K级信号转换器，基于广播级单链路12G SDI信号设计的4K级信号转换设备。此设备还内置HDMI编码器，支持4K信号下变换至全高清HDMI信号输出，接口丰富。设备的SDI输入信号频率自动适应，无须额外设定，简单实用。

4.2.3 周边设备的选型

由于源信号格式的改变，音频解嵌的问题也需要重新考虑。在高清系统中使用的音频解嵌器已经无法正常使用，且此系统对于2台非编辑的采集与输出卡做了调整，DeckLink 8K Pro采集与输出卡在设计的过程并没有保留RS-422控制的辫子线接口，因此不能独立输出音频信号。因此，我们只能通过新的音频解嵌器来满足需求。选用BMD公司的一款音频解嵌设备--Teranex Mini SDI to Audio 12G，将音频信号分离输出至调音台，以保证音频信号的传输。

另外，对于外来信号部分，该系统对原有的帧同步卡进行了升级，将原有的仅能传输1.5G-SDI信号的帧同步卡换为3G-SDI帧同步卡。

对于系统的监看部分，为了节约成本，我们只增加了一台4K监视器对送大屏的4K信号进行技术监看。而对于画分监看，则采用2台4K分辨率电视机，实现低成本的4K监看。

5. 结束语

此次泰州电视台800平演播厅大屏系统4K化改造选用的是对大屏控制系统进行4K化微改造的方案。一方面，在改造效果上，随着屏体利用率变高，其清晰度相较之前有了大幅提升，改造效果达到了先前的预期。另一方面，在成本控制上，此次改造方案并没有大动作的改造，我们尽可能多地保留了原有设备，保护前期投资，同时也利用好台里的一些闲置资源，仅用十余万资金便完成了此次改造任务，相比全系统4K化建设而言，此次改造在保证效果的前提下节约了四五十万的资金投入，达到了花小钱办大事的目的。

另外，从长远的角度来看，随着技术进步，4K化时代也许会提前到来，IP模式也许会成为未来电视视音频技术的发展方向。那么处在这样一个发展变革的十字路口，对于创收经营压力增大的地市级电视台来说，选择小成本的4K化改造方案，既节约了成本，也规避了风险，不失为明智之举。