4K 超高清演播室的设计与应用

卞 雷

（宿迁市宿豫区融媒体中心（宿迁市宿豫区广播电视台），江苏 宿迁 223801）

0 引言

随着科技的发展和观众的需求提升，电视节目制作和播出正面临着从高清向超高清的技术转型[1]。4K 超高清电视具有3 840×2 160 的分辨率，是高清电视的4 倍，能够提供更清晰、更细致、更真实的画面效果，给观众带来更好的视觉体验[2]。4K 超高清电视技术的应用，不仅需要相应的前期拍摄、后期编辑及播出传输等设备和系统，也需要设计相应的演播室系统来支撑大型节目的制播任务。

1 4K 超高清演播室设计方案

4K 超高清演播室是使用4K 分辨率的视频设备和系统构建的演播室，可以提供高清晰度、高色彩度、高动态范围的视频内容[3]。文章的设计方案以中型规模的4K 超高清演播室系统为例，主要由视频系统、音频系统及画分监看系统组成。

1.1 视频系统

视频制作系统是4K 超高清电视节目制作的关键系统，主要由摄像机的接入、外来信号的接入、信号制作、信号调度交换以及信号的输出5 个部分组成。

1.1.1 摄像机的接入

摄像机接入部分在设计过程中涉及摄像机的选择、信号的传输和处理等方面。在摄像机的选择方面，可以考虑使用索尼公司生产的HDC-5500 4K 高动态范围（High Dynamic Range，HDR）等专业的演播室摄像机产品。该类摄像机具有高分辨率、高动态范围及高色彩空间等特点，可以提供优质的4K 超高清图像。为了保证摄像机的灵活性和可靠性，演播室设计还需要配备摄像机控制单元和基带处理器单元。其中，摄像机控制单元负责对摄像机的各项参数进行调节和控制，基带处理器单元负责对摄像机的输出信号进行格式转换和编码。在信号的传输和处理方面，设计采用网际互连协议（Internet Protocol，IP）方式，即将摄像机的输出信号封装成IP 数据包，通过网络交换机或其他设备进行传输和分配。这一设计需要遵循电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）ST 2110 标准。该标准规定了视频、音频、同步及元数据等信号在IP 网络中的传输格式和方法，为4K 超高清演播室的视频系统提供了先进、可靠的技术方案。从设计的角度来看，摄像机接入部分的实施需要经过不断测试和优化，以确保系统在稳定性和兼容性方面达到最佳表现。

1.1.2 外来信号的接入

4K 超高清演播室的设计方案中，关键设计之一为外来信号的接入能力。在演播室设计方面，可选择采用GV UHD1100 设备来实现信号的帧同步、上变换以及色域转换。处理后的外来信号被统一为3G×4 2-SI 模式的标准4K 信号，为整个系统提供高质量的输入信号。标准化的4K 信号进入GV NODE 设备，经过超高清转换，将信号从传统的串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）格式转变为更为灵活的IP 格式，确保外部信号在演播室内的顺畅传递，可以为实现高质量的4K 超高清节目制作提供可靠的支持。

1.1.3 信号制作

在4K 超高清演播室的设计中，系统设计以全IP 化的框架为基础，采用ST 2110 标准进行视频、音频、同步和元数据等信号的传输和处理。为保障高效信号制作，建议使用GV K-Frame XP 全IP 4K/HD 切换台。该设备支持64 路输入和32 路输出，具有2 级M/E 制作能力。设备支持信号格式转换，如HDR/SDR、BT.2020/BT.709、50p/50i 等，以确保信号的兼容性和一致性。设计预留了多台4K 图文机、4K 字幕机及4K 特效机等设备，用于信号的包装、特效及字幕等处理，以提升节目的视觉效果和表现力。

1.2 音频系统

音频系统在4K 超高清演播室中为整体节目制作提供全面的音频支持，并与视频系统协同运行。系统设计将音频信号转换为基于SMPTE ST 2110 标准的IP 数据流，以实现音频的高效传输和交换。设计采用支持IP 输入输出的音频调音台、音频监视器及音频收录机等设备，以及支持IP 音频流的交换机、同步器及网关等设备，构建一个基于IP 的高灵活性和高可靠性的音频制作平台。设计构建一个基于Dolby Atmos、MPEG-H 等标准的先进三维声制作平台，支持三维声制作和监听的音频调音台、音频监视器及音频处理器等设备，为观众提供身临其境的声音感受。

1.3 画分监看系统

画分监看系统是为4K 超高清演播室提供画面监视和质量评估的系统，主要配合视频制作系统的运行。该系统设计除了保持有原来系统所有的画面分割、画面监视及画面测量等功能，还增加了画面增强、画面对比等新技术。画面增强设计采用人工智能技术，对输入的4K 超高清视频信号进行实时的图像质量提升，包括降噪、去模糊、增锐及调色等处理，以实现更加清晰和自然的画面效果。该系统设计还采用支持画面增强功能的视频处理器、视频监视器等设备，以及支持画面增强算法的软件平台，构建一个基于人工智能的画面增强平台。画面对比设计采用支持多路输入和输出的画面分割器、画面监视器等设备，以及支持多种格式和标准的视频信号发生器、视频信号分析仪等设备，构建一个基于SmartView 4K2 的画面对比平台，为用户提供更直观、更全面的视觉信息。

2 4K 超高清演播室的优势

2.1 提升视觉感知体验

4K 超高清演播室通过提供更高的画面清晰度和细节，为观众创造更出色的视觉体验和沉浸感[4]。以4K 分辨率为例，相较于高清分辨率，4K 每个像素点的信息量更加丰富，画面更为锐利，色彩更鲜艳，对比度更高，尤其在大屏幕观看时，效果更为明显，展现更多的细节和纹理，提升了整体视觉感知体验。4K 超高清演播室支持HDR 和宽色域（Wide Color Gamut，WCG），使画面更加逼真和自然。通过采用先进的编码和传输技术如高效率视频编码（High Efficiency Video Coding，HEVC），演播室实现了对HDR 和WCG 信号的处理和显示，确保画面的亮部和暗部均能保持细节，色彩的还原度和饱和度也更高，进一步展现了真实的光影和色彩效果。

2.2 创造沉浸式声音体验

4K 超高清演播室支持三维声制作和监听，通过多个扬声器或耳机模拟声音在三维空间中的分布和运动，实现了更为真实和沉浸的声音体验。演播室采用Dolby Atmos、MPEG-H 等标准，可以根据不同的场景和内容调整声音的方向、位置、深度和高度，使声音更具立体感和空间感。同时，通过IP 方式传输音频信号，实现了音频的高效交换和处理，提高音频的质量和稳定性。

2.3 多平台传播

4K 超高清演播室通过超高清、高清及标清同播的方式，覆盖有线网络、卫星、IPTV 等传输渠道，满足全国范围内不同层次和差异化的收视需求[5]。采用IP 全流程，支持网络设备接口（Network Device Interface，NDI）、实时消息传输协议（Real Time Messaging Protocol，RTMP）等网络协议，实现与互联网、移动端、社交媒体等新媒体平台的无缝对接，实现节目的多屏融合和跨平台分发，使得演播室具备更大的传播影响力和便捷的观看方式，推动了节目的多元化传播。

2.4 节约成本

4K 超高清演播室可以节约制作和播出的成本，提高效率和收益。通过采用IP 全流程，4K 超高清演播室实现视频、音频、同步和元数据等信号的统一传输和处理，减少设备的数量和类型，降低设备的采购和维护的费用，简化系统的架构和管理，提高系统的灵活性和可靠性。同时，通过采用先进的编码和传输技术实现对4K 超高清信号的高效压缩和传输，降低带宽的需求和消耗，减少传输的延迟和丢包，提高传输的质量和稳定性。

3 4K 超高清演播室的具体应用

3.1 《国乐大典第四季》录制

《国乐大典第四季》是一档凸显中国民乐魅力的综艺节目，以跨界合作为特色，邀请不同年代、不同音乐风格的音乐人与国乐手合作。节目的制播采用4K 超高清演播室，实现了端到端的全IP 化架构，支持12G 单流的4K 信号传输和切换，极大地提高了画面的清晰度和细节表现。该演播室使用索尼的XVS 系列4K 超高清IP 切换台，符合SMPTE ST 2110 标准，支持HDR 和WCG 制作，使得画面色彩更加生动丰富，对比度更为出众。为实现“所看即所得”的效果，4K 超高清演播室还使用了IP 多画面分割监看系统，能够灵活调用交换机的IP 信号源，提供了直观的实时监视体验。录制过程中，索尼的4500 硬盘服务器用于4K 信号的收录，并将信号实时推送到后期编辑网，方便后期制作和最终播出。

3.2 南方卫视“唱享”音乐会的竖屏制作直播

南方卫视“唱享”音乐会以“读信”为主题，呈现一场户外音乐慢综艺。该节目的录制采用4K 超高清演播室系统，创造了全新的观看体验。节目制作利用5 个4K 讯道机进行竖屏拍摄，通过L 支架旋转90°拍摄，导播区与调像区的屏幕均旋转90°，实现了独特的画面展示。IP 分控中心对台内其他区域演播室的制作进行服务和调度，提升了系统的覆盖范围和利用率。在直播过程中，4K 超高清演播室系统采用IP 流监看模式，监看系统各个节点信号，支持HDR 和SDR，确保画面质量。通过转换，将直播信号输出相应的4K 和高清SDI 信号，分别供电视台和网络平台播出，满足了不同平台的需求。

4 结语

随着技术不断演进，4K 超高清演播室必将在广播与电视领域中发挥更为重要的作用，为观众带来更丰富、更震撼的视听体验。通过文章的设计与应用分析，期待这一先进技术在未来继续推动节目制作的发展，为观众呈现更加精彩纷呈的视听盛宴。