文/李莉華

2015年，中國(guó)第一輛4K電視轉(zhuǎn)播車建成投用，依靠4根3G線的模式拉開(kāi)了從HD向UHD邁進(jìn)的大幕，此后，4K UHD應(yīng)用實(shí)踐逐步從轉(zhuǎn)播、演播推進(jìn)到試驗(yàn)頻道開(kāi)播。隨著技術(shù)體系的發(fā)展更新，4K UHD系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)出現(xiàn)了新的特點(diǎn)，有待在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和探討。

1.基礎(chǔ)核心從SDI走向IP化

當(dāng)前的4K UHD系統(tǒng)實(shí)踐，大多集中在演播、直播系統(tǒng)，分為兩種建設(shè)思路：一種是延續(xù)傳統(tǒng)的SDI基帶模式，從HD與UHD并存或同播需求出發(fā)，包括4K UHD＋HD、4K UHD變換HD等。4K UHD＋HD架構(gòu)，核心設(shè)備如切換臺(tái)各自獨(dú)立，適合4K-HDR／HD-SDR同播制作流程，但系統(tǒng)相對(duì)冗余且布線量巨大；4K UHD變換HD架構(gòu)，系統(tǒng)實(shí)質(zhì)工作在HD狀態(tài)下，如切換臺(tái)字幕疊加、攝像機(jī)調(diào)整等均處于HD設(shè)置，在面對(duì)4K UHD應(yīng)用時(shí)通過(guò)格式變換和HDR監(jiān)看設(shè)備完成處理，適合以HD運(yùn)用為主、極少UHD需求的場(chǎng)景；另一種是引入IP化模式，從安播需求和技術(shù)實(shí)際出發(fā)，現(xiàn)階段是以IP為主體、SDI/IP混合工作，包括4K UHD IP下變換HD、4K UHD IP + HD SDI等。4K UHD IP下變換HD架構(gòu)，系統(tǒng)工作在4K UHD狀態(tài)下，信號(hào)源統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為4K UHD IP進(jìn)入交換機(jī)，生產(chǎn)制作和信號(hào)調(diào)度均采用IP方式完成，HD應(yīng)用需求通過(guò)末端下變換實(shí)現(xiàn)，因此，SDI在系統(tǒng)內(nèi)占比明顯縮減，如承擔(dān)HD端信號(hào)監(jiān)看與調(diào)度、作為應(yīng)急處置設(shè)備等，適合輸入源和節(jié)目輸出多為4K UHD的情況；4K UHD IP+HD SDI架構(gòu)，4K UHD IP和HD SDI均為獨(dú)立、完整的鏈路，雖然建設(shè)預(yù)算相對(duì)較高，但便于發(fā)揮IP的先進(jìn)技術(shù)和SDI的熟悉優(yōu)勢(shì)，并完全適應(yīng)HD、UHD并存時(shí)期的各類應(yīng)用需求。

SDI模式，系統(tǒng)架構(gòu)能夠方便地從HD時(shí)代平滑升級(jí)，保持熟悉的操作模式和工作流程，并具備與HD系統(tǒng)相近似的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，但由于基于4根3G線或者1根12G線傳輸4K UHD信號(hào)，系統(tǒng)能力和擴(kuò)展性、可持續(xù)性受制于專業(yè)線纜能力的提升、接插件的損耗控制以及價(jià)格因素，難以滿足UHD系統(tǒng)未來(lái)體系化建設(shè)和業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求，目前，多被市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)、著重快速生產(chǎn)的制作公司和更看重HD需求保障的項(xiàng)目選用。IP模式，從已建成運(yùn)行的4K UHD系統(tǒng)來(lái)看，主要通過(guò)IP接口置換SDI接口實(shí)現(xiàn)IP化，采用J2K、LLVC、TICO、VC2等淺壓縮方式實(shí)現(xiàn)4K UHD編碼，通過(guò)SDI OVER IP完成IP化封裝與傳輸，雖然整體的IP化程度還比較低，周邊和HD視頻、音頻、通話等或多或少還需要IP/SDI格式轉(zhuǎn)換等傳統(tǒng)方式接入，但已經(jīng)逐步具備IP化節(jié)省設(shè)備空間、降低布線成本、路由靈活、擴(kuò)展便捷等特點(diǎn)，目前，在4K UHD演播、直播系統(tǒng)建設(shè)中日趨廣泛，并成為4K UHD總控調(diào)度、異地制作傳輸?shù)认到y(tǒng)規(guī)劃的首選。

2.IP化是循序漸進(jìn)的系統(tǒng)工程

從業(yè)界發(fā)展的主流來(lái)看，EBU、SMPTE、VSF、AMWA、AIMS等組織提出了開(kāi)放互通的媒體網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路線圖，從SDI起步，以SDI OVER IP為基礎(chǔ)，著力推進(jìn)媒體流實(shí)時(shí)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化、靈活性和高效率，逐步改變管理、處理和傳輸方式，創(chuàng)建全新的利用IT協(xié)議和設(shè)備的各種應(yīng)用，支持規(guī)?；南到y(tǒng)級(jí)資源自動(dòng)管理與設(shè)置，實(shí)現(xiàn)充分的協(xié)同、互作和連通，最終具備通用IP網(wǎng)絡(luò)安全、開(kāi)放的技術(shù)特點(diǎn)，適應(yīng)并發(fā)揮虛擬化、云化等技術(shù)優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，4K UHD系統(tǒng)的IP化還處于較為初級(jí)的階段，IP化實(shí)踐還在不斷的深化與發(fā)展中。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的4K UHD系統(tǒng)架構(gòu)，通常從鏈路設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，圍繞核心設(shè)備完成工作流程各環(huán)節(jié)的配置，除了核心設(shè)備負(fù)責(zé)信號(hào)處理與路由分配等，基本不涉及系統(tǒng)化管理，僅著力于鏈路狀態(tài)的運(yùn)維與監(jiān)控；引入IP模式的4K UHD系統(tǒng)，既要實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)的可管可控，又要有效運(yùn)用長(zhǎng)期共存的SDI等傳統(tǒng)專業(yè)設(shè)備，還需要構(gòu)建完整有效的媒體實(shí)時(shí)處理、傳輸體系，系統(tǒng)的、全面的綜合管理和控制變得尤為重要，因此，借鑒IP網(wǎng)絡(luò)分層思維和SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）方式，分離控制與數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)，將系統(tǒng)架構(gòu)劃分為管理控制、數(shù)據(jù)交互和業(yè)務(wù)應(yīng)用部分，從應(yīng)用需求出發(fā)規(guī)劃配置數(shù)據(jù)處理能力和系統(tǒng)管控能力（圖1）。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

圖2 三種IP視頻凈切換實(shí)現(xiàn)方式

業(yè)務(wù)應(yīng)用部分，涵蓋系統(tǒng)鏈路的各個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，如錄制、調(diào)度、切換、播放、監(jiān)看、通話、音頻處理等，包含傳統(tǒng)專業(yè)設(shè)備和IP化設(shè)備，按具體的業(yè)務(wù)類型適配不同的品牌和型號(hào)。管理控制部分，面向數(shù)據(jù)交互與業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)集中管控，需要提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)與配置、信號(hào)連接與路由管理、IP統(tǒng)一管理、設(shè)備資源統(tǒng)一管理、用戶及權(quán)限統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)測(cè)與維護(hù)等功能，還能夠行使一定的代理管理與服務(wù)能力，如實(shí)現(xiàn)交換機(jī)策略管理與下發(fā)、矩陣控制、音視頻聯(lián)動(dòng)切換、TALLY與動(dòng)態(tài)源名跟隨等。從實(shí)現(xiàn)機(jī)制上通常包含三個(gè)層面：頂層是SDN軟件化的管理與配置，提供設(shè)置、管理、操作的界面；中間層提供協(xié)議轉(zhuǎn)換與接口服務(wù)，具備硬件化的控制處理能力；底層獲取系統(tǒng)設(shè)備對(duì)外開(kāi)放的相關(guān)代理管控信息。

數(shù)據(jù)交互部分負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的流通，它的核心是交換機(jī)。為滿足4K UHD系統(tǒng)媒體流實(shí)時(shí)處理的要求，需要在保障帶寬的前提下支持IP視頻凈切換、有效控制IP網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等。實(shí)現(xiàn)IP視頻凈切換的方式有源切換、交換機(jī)切換和目的地切換，前兩者需要依靠專用交換機(jī)，涉及源端控制、流表控制等，后者簡(jiǎn)化對(duì)交換機(jī)的要求，基于IGMP（互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議）組播指令和目的地幀重復(fù)或短暫雙流實(shí)現(xiàn)切換（圖2）。為了擴(kuò)大交換設(shè)備的可選性并確保成熟度，目前，傾向于采用第三種切換方式以便于選擇通用型交換機(jī)。值得注意的是，4K UHD系統(tǒng)從實(shí)時(shí)處理、傳輸?shù)慕嵌葢?yīng)當(dāng)在帶寬保障方面實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞，交換設(shè)備需要基于數(shù)據(jù)流的大小配置，如交換的核心設(shè)備與邊緣設(shè)備采用葉脊結(jié)構(gòu)時(shí)，主干脊交換機(jī)和葉級(jí)交換機(jī)之間的總帶寬必須大于或等于葉級(jí)交換機(jī)和連接終端之間的總帶寬，也就是必須全面評(píng)估應(yīng)用設(shè)備整體的信號(hào)流量。

2.2 PTP同步

為確保在自身異步的網(wǎng)絡(luò)中正常運(yùn)行業(yè)務(wù)，常常需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間保持時(shí)鐘同步。4K UHD系統(tǒng)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)處理與傳輸專業(yè)媒體流，更離不開(kāi)高精度的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間傳輸協(xié)議作為支撐。PTP（精確時(shí)間協(xié)議）通過(guò)硬件方式能夠在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中達(dá)到亞微秒級(jí)精度，它通過(guò)靜態(tài)指定配置或者Best Master Clock算法動(dòng)態(tài)確定Grandmaster時(shí)鐘，作為應(yīng)用PTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘源，為域內(nèi)的所有設(shè)備時(shí)間提供同步參考。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的角度，通過(guò)PTP端口或?yàn)閺纳嫌瓮綍r(shí)間的從（slave）狀態(tài)，或?yàn)橄蛳掠伟l(fā)布時(shí)間的主（master）狀態(tài)，或只是在端口間轉(zhuǎn)發(fā)PTP協(xié)議報(bào)文并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)校正的“透明時(shí)鐘”狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱（主從之間兩個(gè)傳輸方向上的延時(shí)相同）的前提下，主時(shí)鐘和從時(shí)鐘交互同步報(bào)文并記錄報(bào)文收發(fā)時(shí)間，計(jì)算主從時(shí)鐘之間的平均傳送時(shí)間（延時(shí)）和從時(shí)鐘相對(duì)主時(shí)鐘的偏移，調(diào)整從時(shí)鐘的本地時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘同步。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，若測(cè)量發(fā)現(xiàn)平均傳送時(shí)間變化過(guò)大，可能是由交換機(jī)排隊(duì)滯留、網(wǎng)絡(luò)路徑改變等引起了不對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，應(yīng)查找引發(fā)因素并采取相應(yīng)的調(diào)整措施。

按照不同的應(yīng)用目的，PTP在IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上具體遵循ST2059、AES67等協(xié)議要求，它既能夠提供基本頻率和相位為IP化的實(shí)時(shí)制作、傳輸?shù)攘鞒谭?wù)，如參考 PTP 時(shí)期起點(diǎn) 1970 年 1 月 1 日 00∶00∶00（TAI）確定任意時(shí)間的視頻相位,也能夠通過(guò)測(cè)量BB（Black Burst）/三電平（Tri Sync）與PTP時(shí)鐘之間的關(guān)系, 確保IP/SDI混合工作流程中SDI 和IP 視頻之間的一致性，目前已經(jīng)成為4K UHD系統(tǒng)同步的基礎(chǔ)。

2.3 信號(hào)流傳輸

采用ST2022框架下的SDI OVER IP方式，是對(duì)視音頻及輔助數(shù)據(jù)的SDI形式添加IP、UDP、RTP、HBRMT等包頭打包，保持了視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)同步，也支持嵌入音頻。由于缺乏視音頻等的單獨(dú)路由，在4K UHD演播、直播流程處理和后期制作等環(huán)節(jié)面臨繁瑣的打開(kāi)到像素級(jí)和重新打包過(guò)程。為了簡(jiǎn)化制作處理的工作量，并為深化IT協(xié)議和設(shè)備應(yīng)用打下基礎(chǔ)，符合ST2110標(biāo)準(zhǔn)的4K IP流正在成為4K UHD信號(hào)封裝和調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)。

在ST2110的標(biāo)準(zhǔn)下，視頻、音頻和元數(shù)據(jù)基于RTP流分別傳輸，通過(guò)公共參考時(shí)鐘、設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘、媒體時(shí)鐘、RTP時(shí)鐘和RTP時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)序和同步。公共參考時(shí)鐘PTP通過(guò)相應(yīng)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)，網(wǎng)絡(luò)中的收發(fā)設(shè)備從其內(nèi)部時(shí)鐘生成媒體時(shí)鐘并與收到的公共參考時(shí)鐘對(duì)齊以便共享時(shí)期。媒體時(shí)鐘按照固定速率前進(jìn)，這個(gè)固定速率與幀速率或媒體采樣率同步，如視頻設(shè)備是90 kHz，音頻設(shè)備與所支持的PCM數(shù)字音頻采樣速率相同，可以是48 kHz、96 kHz和 44.1 kHz。RTP（流）時(shí)鐘采用與對(duì)應(yīng)媒體時(shí)鐘同樣的固定速率前進(jìn)，并保持與媒體時(shí)鐘的0偏移。RTP時(shí)間戳依據(jù)RTP流數(shù)據(jù)類型通過(guò)特定方式生成，能夠反映場(chǎng)景捕捉瞬間、信號(hào)對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)等，并結(jié)合RTP時(shí)鐘產(chǎn)生持續(xù)變化，是RTP流再生和同步的基礎(chǔ)。

視頻方面，由于ST2110僅發(fā)送視頻的有效部分，相比ST2022-6能夠顯著節(jié)約傳輸帶寬，有利于IP網(wǎng)絡(luò)傳送。它基本與分辨率無(wú)關(guān)（最大支持32767×32767），因此也并不局限于UHD應(yīng)用，在設(shè)備適配時(shí)有利于簡(jiǎn)化HD和UHD并存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要注意的是，在2110標(biāo)準(zhǔn)框架下，設(shè)備在發(fā)送視頻RTP流時(shí)存在著多種時(shí)序類型，如窄發(fā)送（N型）、窄線性發(fā)送（NL型）和寬發(fā)送（W型），而接收RTP流的設(shè)備同樣分為窄同步接收（N型）、寬同步接收（W型）和異步接收（A型）等時(shí)序類型，只有A型的設(shè)備能夠正常接收來(lái)自N、NL、W型發(fā)送時(shí)序的信號(hào)，其他的N型和W型接收設(shè)備只能在一定條件下接收來(lái)自不同時(shí)序類型的信號(hào)，這意味著在現(xiàn)階段規(guī)劃建設(shè)4K UHD系統(tǒng)時(shí)，即使上下游設(shè)備（特別是不同品牌型號(hào)間）均表示其提供的是符合ST2110標(biāo)準(zhǔn)的IP流，也應(yīng)當(dāng)了解可能由于時(shí)序類型的不匹配或是匹配條件的改變而影響信號(hào)的正常收發(fā)。

音頻方面，ST2110目前支持PCM數(shù)字音頻的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，暫未實(shí)現(xiàn)數(shù)字壓縮音頻的傳送，也還不能處理如Dolby Atmos中的對(duì)象音頻。它規(guī)定了A、AX、B、BX、C、CX這6個(gè)級(jí)別，其中A級(jí)是強(qiáng)制級(jí)別，支持48 kHz采樣、1-8通道數(shù)、1 ms包時(shí)間，B級(jí)和C級(jí)等擴(kuò)展級(jí)別則指定了更短的包時(shí)間如125us來(lái)減少延遲，更高的通道數(shù)如64來(lái)適應(yīng)MADI連接的需要。雖然ST2110與AES67在同步、流傳輸、數(shù)據(jù)包設(shè)置等操作原理和強(qiáng)制要求上一致，但不是無(wú)條件的兼容互換，支持AES67協(xié)議的設(shè)備必須增加對(duì)流和時(shí)鐘的一些強(qiáng)制性約束后才能符合ST 2110標(biāo)準(zhǔn)，如設(shè)備只能處于PTP從狀態(tài)，RTP時(shí)間戳相對(duì)于媒體時(shí)鐘的恒定偏移值只能為0等。而從當(dāng)前基于IP的音頻應(yīng)用來(lái)看，由于常用的LiveWire+、RAVENNA、DANTE等AOIP協(xié)議僅在音頻傳輸范疇歸入了AES67協(xié)議框架，在控制管理上大都還自成體系，因此符合AOIP、AES67、ST2110協(xié)議的音頻流和模擬、數(shù)字音頻將在近段時(shí)期內(nèi)在系統(tǒng)中共存，通過(guò)接口設(shè)備、交換設(shè)備在集中管控下實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換和交互。

3.IP化只是手段不是目標(biāo)

4K UHD系統(tǒng)傾向于利用IP技術(shù)建設(shè)，是希望利用IP網(wǎng)絡(luò)低成本、大容量、傳輸遠(yuǎn)、高安全性、高擴(kuò)展性等工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化體系優(yōu)勢(shì)，為4K、8K和三維聲、全景聲等更高質(zhì)量、更優(yōu)體驗(yàn)的視音頻實(shí)時(shí)制作、處理、傳播創(chuàng)造良好的技術(shù)環(huán)境。這個(gè)目標(biāo)不可能一蹴而就，既需要IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能力及容量的穩(wěn)步提高、相適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集的成熟完備和適用產(chǎn)品的大批量落地，更需要傳統(tǒng)媒體技術(shù)人員不斷地充實(shí)自身，認(rèn)識(shí)和掌握更全面、更廣泛的知識(shí)，為專業(yè)化傳媒網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展壯大保駕護(hù)航。