基于5G+4K 超高清直播的广播电视工程技术

张宏斌

（郑州广播电视台，河南 郑州 450000）

0 引言

在当今的广播电视工程领域，5G 网络与4K超高清技术的结合已成为一项重大的技术革新，对广播电视制作、传输和接收过程的影响不容忽视。本文针对基于5G+4K 超高清直播的广播电视工程技术进行深入探讨，旨在解析5G 网络与4K 超高清技术融合背后的工程原理及其对广播电视行业带来的深刻变革。5G 以其高带宽、低延迟的特性，为4K 超高清视频的实时传输奠定了坚实的网络基础。4K 即分辨率为3 840×2 160 像素的视频技术，以其4 倍于传统高清视频的清晰度，为观众带来了更为细腻和生动的视觉体验。

1 5G+4K 超高清直播发展趋势

5G 作为最新一代移动通信技术，其显著特征包括高数据速率、低时延、大容量、广连接和高可靠性，为高带宽、高数据量的4K 超高清视频传输提供了理想的通信环境。4K 分辨率，即3 840×2 160 像素，提供了比1 080p 标准更高的清晰度，使得视频内容更为细腻、色彩更为鲜明。在5G 网络的支持下，4K 直播不仅能够实现高效的视频数据传输，还能保证视频播放的连续性和稳定性，从而提供无与伦比的视觉体验。5G+4K 超高清直播技术在广播电视工程中的应用已经显示出多个发展趋势，可提供高清晰度的视频画面，使内容更加清晰[1]。网络基础设施的优化升级，包括5G 基站的密集部署和高带宽网络的覆盖扩大，都是实现高效4K 直播的前提。高效视频编码（High Efficiency Video Coding，HEVC）也在不断发展，以适应4K 视频传输对数据压缩和解压缩效率的高要求。这些技术进步使得4K 视频能够在5G 网络中实现高效、低延迟的传输，从而支持实时直播。5G+4K 技术在广播电视领域的应用促进了端到端生态系统的建设。从视频内容的采集、编辑、编码到传输、分发和显示，每个环节都需要相应的技术支持和创新。例如，4K 摄像机和编辑软件的升级、基于云计算的视频处理平台的发展，以及更为先进的4K 显示技术，都是这一生态系统不可或缺的组成部分，为广播电视行业的商业模式创新开辟了新路径。

2 5G+4K 超高清直播的广播电视工程技术

2.1 5G

5G 是第五代移动通信技术，核心特征包括更高的数据传输速率、更低的延迟、更大的网络容量和更广的连接性。这些特性对于支持4K 超高清视频直播的需求至关重要。5G 的高速数据传输能力可达到10 Gb·s-1以上。这意味着相比于4G，其下载和上传速度提高了数十倍，从而为4K 视频内容的实时传输提供了强大的支持。图1 为5G+4K 超高清现场直播系统架构。5G 网络的低延迟特性，即端到端的延迟时间低至1 ms，保证了直播过程的实时性和流畅性，对于保持直播视频的连贯性和减少画面卡顿现象至关重要[2]。5G 的大容量特性，即能够支持更多设备的同时连接，对于广播电视行业的直播活动来说意味着可以在更大范围内、更多场合进行高质量直播，无论是大型体育赛事、音乐会还是其他重大活动，都可以实现高效的视频传输。5G 网络的广连接性使得城市中心到偏远地区都可以享受到高质量的直播服务，对于扩大广播电视节目的受众范围、提高节目覆盖率具有重要意义。5G 在广播电视工程技术中的应用还体现在其对多种新兴技术的支持上，如边缘计算、云计算和物联网等。边缘计算的应用可以实现在网络边缘进行数据处理，从而减少数据传输到中心服务器的需求，降低延迟，加快响应速度，对于直播视频的快速处理和传输至关重要。

图1 5G+4K 超高清现场直播系统架构

2.2 4K

4K 亦称超高清，具有3 840×2 160 像素的分辨率，是传统1 080 p 高清分辨率的4 倍。这一显著提升的分辨率不仅带来了更加细腻和清晰的图像，还极大地改善了视觉体验的丰富性和沉浸感。4K技术的重要性在于它所提供的高像素密度，这使得图像在更大尺寸的显示屏上仍能保持其清晰度，对于大屏幕的广播电视直播尤为关键。4K 技术的应用不仅限于提高图像分辨率，还涉及色彩深度和动态范围的改善。4K 标准支持更高的色彩深度，可达10 位或更多，这意味着它能展示更丰富的颜色范围，从而提升图像的整体色彩表现，提供更加清晰的视频画面[3]。此外，与高动态范围（High Dynamic Range，HDR）技术的结合进一步加强了4K 图像的对比度，使得色彩更加鲜明，细节在高光和阴影区域更加清晰可辨。这些技术的融合，为广播电视行业提供了前所未有的图像质量，极大地改善了观众的视觉体验。4K 技术的实施也伴随着一系列的技术挑战，特别是在其与5G 网络结合用于直播时，对数据传输能力的要求极高。因为4K 视频相较于传统高清视频，需要更大的数据带宽来进行实时传输。这一挑战在5G 网络的高带宽和低延迟特性下得到了部分解决，但仍需优化编码和压缩技术来适应不同网络条件下的直播需求。

2.3 视频信息采集与制作

视频信息的采集涉及高分辨率图像的捕获，这在4K 技术中尤为关键。4K 分辨率要求采集设备具备高度精细的图像捕获能力。为此，采用高性能的4K 摄像机是必要的。这些摄像机不仅能捕获具有更高清晰度的画面，还能在不同光照和运动条件下保持图像质量。视频信息采集与制作地关键内容如表1 所示。编辑过程需要支持4K 分辨率，这意味着编辑软件和硬件设备必须能够处理大量的数据和复杂的图像处理任务。色彩校正、剪辑和视觉效果的添加在4K 视频制作中尤为重要，因为高分辨率的画面能够展现更多细节，对制作的精度要求更高。合成环节则涉及多个视频源的融合，要求技术处理能够在保持每个视频源质量的同时，实现无缝的整合。编码环节是制作过程的关键，特别是对于直播内容而言。HEVC 是处理4K 视频的标准，能够在保证视频质量的同时，大幅度压缩数据量，对于直播传输至关重要[4]。在5G 环境下，视频信息的采集与制作还需考虑网络传输的特性。5G 网络的高带宽和低延迟特性使得从采集现场到制作室的实时数据传输成为可能。

表1 视频信息采集与制作关键内容

2.4 编码设备的应用

在5G+4K 超高清直播环境下，编码设备不仅需支持高分辨率视频的处理，还需适应5G 网络的高速传输特性。这要求编码设备具备高效的压缩能力，以减少传输数据量，同时保持视频质量。HEVC 作为目前广泛应用于4K 视频的编码标准，相比于先前的H.264/AVC 标准，以大约一半的比特率传输同等质量的视频。这种高压缩比对于4K 超高清视频的传输至关重要，因为4K 视频的数据量巨大，未经压缩的视频数据无法在现有网络环境下高效传输，会影响设备利用率，难以满足播放需求[5]。HEVC 编码通过改进的编码结构、增强的内部预测和更有效的熵编码等技术实现了这一高压缩效率。此外，编码设备还需支持宽色域和HDR 视频的处理，这些都是4K 视频质量提升的关键因素。在5G 网络环境中，编码设备的作用不限于视频数据压缩。由于5G 网络的特性，如低延迟和高可靠性，编码设备还需优化视频数据的传输过程，以适应网络条件的变化。

3 结语

随着5G+4K 技术组合的普及和成熟，广播电视行业将迎来更高效的生产方式和更丰富的节目内容，将促进相关行业如网络通信、电视制作设备制造等的发展，推动整个产业链的创新和升级。这项研究不仅为理解和应用5G+4K 技术提供了理论基础和技术指导，也为广播电视行业的未来发展趋势提供了深刻的洞察。本文深入分析了这一技术组合的工程原理、应用挑战和行业影响，展示了5G 和4K 超高清技术在改进和创新广播电视工程技术方面的巨大潜力和价值。