趙貴華

（中央廣播電視總臺(tái)，北京 100859）

中央廣播電視總臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“總臺(tái)”）為了推動(dòng)2021央視春晚開展技術(shù)創(chuàng)新，以北京冬奧8K轉(zhuǎn)播為目標(biāo)，以總臺(tái)超高清視音頻制播與呈現(xiàn)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為研究平臺(tái)，聯(lián)合企事業(yè)科研單位，積極推進(jìn)總臺(tái)8K超高清電視的科技創(chuàng)新，研發(fā)了8K制播呈現(xiàn)全鏈路試驗(yàn)系統(tǒng)，包括8K演播室和后期制作系統(tǒng)、8K IP主控調(diào)度分發(fā)系統(tǒng)、8K播出系統(tǒng)、8K AVS3編解碼系統(tǒng)、8K IP電視集成分發(fā)和接收系統(tǒng)。

2021年2月1日至2月28日，總臺(tái)8K超高清電視頻道在臺(tái)內(nèi)以IP網(wǎng)和5G網(wǎng)組播方式進(jìn)行播出試驗(yàn)。2月11日除夕夜，總臺(tái)8K超高清播出試驗(yàn)頻道對(duì)2021年央視春晚進(jìn)行8K直播，為廣大用戶提供了超清畫質(zhì)、絢麗多彩的視覺盛宴。

1 世界8K超高清電視發(fā)展情況

日本是最早開展8K超高清電視技術(shù)研究和電視節(jié)目制作播出的國(guó)家。2018年12月日本開通了首個(gè)8K超高清電視頻道，并以衛(wèi)星傳輸?shù)姆绞讲コ?，分辨率? 680×4 320，幀率為59.94P ，色彩深度為10 bit，采用HEVC編碼，碼率為100 Mb/s。歐洲近幾年對(duì)體育節(jié)目和國(guó)際重大賽事進(jìn)行了8K超高清電視的衛(wèi)星傳送。2018年5月歐洲衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商SES首次通過其衛(wèi)星系統(tǒng)播出8K超高清電視信號(hào)，分辨率為7 680×4 320，幀率為60P，色彩深度為10 bit，采用HEVC編碼，碼率為80 Mb/s。而對(duì)于北美，基本上是采用網(wǎng)絡(luò)流媒體服務(wù)的方式提供超高清電視節(jié)目，未見到正式的8K超高清電視節(jié)目播出。

2021年2月1日，央視8K超高清電視頻道播出試驗(yàn)儀式在北京梅地亞中心順利舉行，發(fā)布儀式現(xiàn)場(chǎng)播放了8K超高清電視頻道試驗(yàn)系統(tǒng)籌備建設(shè)宣傳片，展示了8K技術(shù)給電視帶來(lái)的全新升級(jí)。按照國(guó)家《超高清視音頻產(chǎn)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃（2019年—2022年）》預(yù)測(cè)，2022年中國(guó)超高清視頻產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模將超過4萬(wàn)億元。根據(jù)全國(guó)家用電器工業(yè)信息中心的數(shù)據(jù)，2019年中國(guó)8K電視銷量約2.3萬(wàn)臺(tái)。從近年來(lái)電視行業(yè)整體發(fā)展情況來(lái)看，電視機(jī)已進(jìn)入存量市場(chǎng)，年銷量保持在470萬(wàn)臺(tái)左右，按照5%的滲透率計(jì)算，2022年8K電視銷量預(yù)計(jì)將達(dá)到23.5萬(wàn)臺(tái)。

2 總臺(tái)8K超高清電視制播創(chuàng)新研究

2018年10月1日總臺(tái)開播了4K超高清電視頻道，加快推進(jìn)了4K超高清節(jié)目?jī)?nèi)容和4K電視機(jī)的快速發(fā)展。近兩年來(lái)，總臺(tái)注重8K超高清技術(shù)的研究，承擔(dān)了相關(guān)科研項(xiàng)目和重大活動(dòng)超高清制作，積極推動(dòng)了8K超高清技術(shù)和項(xiàng)目的創(chuàng)新發(fā)展。

2.1 5G+4K/8K超高清制播示范平臺(tái)項(xiàng)目

2020年，總臺(tái)牽頭承擔(dān)了國(guó)家發(fā)改委“5G+4K/8K超高清制播示范平臺(tái)”項(xiàng)目，項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括在總臺(tái)北京總部和上海傳媒港建設(shè)5G+4K/8K超高清制播系統(tǒng)、5G超高清業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施、建設(shè)便攜式5G+4K/8K直播編碼傳輸系統(tǒng)、AVS2/AVS3標(biāo)準(zhǔn)超高清電視影院直播系統(tǒng)，以及5G和超高清相關(guān)測(cè)試體系等。該項(xiàng)目在建設(shè)的同時(shí)，開展科研創(chuàng)新完成5G+4K/8K相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的研制，并制定國(guó)家或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目建成后，將首次實(shí)現(xiàn)基于5G技術(shù)的“云管端”全新業(yè)務(wù)模式，形成年產(chǎn)10 000小時(shí)超高清節(jié)目制作能力，并全面對(duì)接總臺(tái)電視、新媒體、電影平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)4K/8K超高清電視節(jié)目在各平臺(tái)的直播、點(diǎn)播，滿足人民群眾更高的收視體驗(yàn)需求。

2.2 8K超高清圖像測(cè)試序列

超高清圖像測(cè)試序列是廣播電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于廣電技術(shù)裝備與節(jié)目質(zhì)量的檢測(cè)?？偱_(tái)聯(lián)合國(guó)家廣電總局規(guī)劃院，共同制作的4K/8K超高清電視圖像序列獲得國(guó)際高度認(rèn)可，其中65個(gè)超高清電視圖像序列已被ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）接受，成為ITU-R BT.2245國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用國(guó)際4K/8K超高清電視系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)評(píng)估。

2.3 國(guó)內(nèi)重大活動(dòng)的8K超高清制作

總臺(tái)采用8K超高清技術(shù)錄制了國(guó)慶70周年慶祝活動(dòng)和2020年央視春晚，獲得了大量的8K超高清節(jié)目素材并積累了豐富的8K制作經(jīng)驗(yàn)。2020年，總臺(tái)制作了首部全流程8K系列紀(jì)錄片《美麗中國(guó)說》，共5集，每集30分鐘。這是總臺(tái)首部以自然為題材的8K系列紀(jì)錄片，該片用8K超高清技術(shù)真實(shí)地再現(xiàn)了中國(guó)特有的大熊貓、羚牛、中華秋沙鴨等物種憨態(tài)可掬、自由自在的生存狀態(tài)，無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)際傳播中都受到人們真心喜愛和廣泛歡迎。這部高品質(zhì)的8K系列紀(jì)錄片也是總臺(tái)全面構(gòu)建“5G+4K/8K+AI”戰(zhàn)略布局、推動(dòng)技術(shù)和內(nèi)容深度融合的最新成果。

2.4 4K/8K超高清制播平臺(tái)研究項(xiàng)目

隨著超高清制播技術(shù)的發(fā)展，廣播電視系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)逐漸由SDI向IP化過渡。2019年，總臺(tái)負(fù)責(zé)科技部4K/8K超高清制播平臺(tái)項(xiàng)目研究，主要研究國(guó)產(chǎn)化超高清IP制作技術(shù)和設(shè)備，包括研發(fā)大帶寬、高吞吐量滿足廣電IP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)產(chǎn)化路由交換設(shè)備，開發(fā)SDN綜合控、管、監(jiān)管理系統(tǒng)，構(gòu)建IP調(diào)度交換矩陣的組網(wǎng)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)、業(yè)務(wù)流調(diào)度、可視化監(jiān)控監(jiān)測(cè)方案，基于IP架構(gòu)的國(guó)產(chǎn)化媒體節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品研發(fā)和歸一化視音頻信號(hào)處理產(chǎn)品研發(fā)，并對(duì)PTP時(shí)鐘在廣電IP域中組網(wǎng)方式進(jìn)行研究以及IP架構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)制播系統(tǒng)的應(yīng)用適配研究等。

2.5 科技冬奧8K重點(diǎn)專項(xiàng)研究

總臺(tái)負(fù)責(zé)了科技冬奧重點(diǎn)專項(xiàng)“超高清8K數(shù)字轉(zhuǎn)播技術(shù)與系統(tǒng)項(xiàng)目”，針對(duì)8K數(shù)據(jù)量大、碼率高、效率低的困難與挑戰(zhàn)，重點(diǎn)研究冬奧賽事的8K圖像收錄、處理、存儲(chǔ)、傳輸、顯示技術(shù)和轉(zhuǎn)播系統(tǒng)。項(xiàng)目圍繞“冬奧超高清8K數(shù)字轉(zhuǎn)播技術(shù)與系統(tǒng)”采集制作、編碼傳輸和終端呈現(xiàn)，從關(guān)鍵技術(shù)、平臺(tái)構(gòu)建和應(yīng)用示范三個(gè)層次進(jìn)行研發(fā)和實(shí)踐。研究8K內(nèi)容采集制作關(guān)鍵技術(shù)并制定適合中國(guó)的8K電視轉(zhuǎn)播制作的流程和規(guī)范；研究基于有線電視網(wǎng)絡(luò)超高清8K跨域傳輸覆蓋、入戶接收技術(shù)及應(yīng)用，并對(duì)超高清8K圖像顯示技術(shù)和終端設(shè)備進(jìn)行研制，構(gòu)建涵蓋采集、制作、編碼、傳輸、點(diǎn)播和呈現(xiàn)于一體的冬奧超高清8K數(shù)字轉(zhuǎn)播平臺(tái)。

3 總臺(tái)8K超高清電視制播系統(tǒng)

2020年，總臺(tái)依托國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合華為、格非、當(dāng)虹科技等視音頻技術(shù)廠商，共同開展技術(shù)研究，積極推動(dòng)超高清技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，整個(gè)研究涵蓋了從前端制作、調(diào)度分發(fā)、播出控制到終端呈現(xiàn)等系統(tǒng)，具備了全流程8K視音頻編輯制作和播出分發(fā)能力。

3.1 8K電視演播室和后期制作系統(tǒng)

8K超高清電視演播室系統(tǒng)采用SMPTE-2110國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)壓縮8K信號(hào)制作，系統(tǒng)中切換、拍攝、放像、字幕包裝等8K設(shè)備均采用IP信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高帶寬低延時(shí)處理和傳輸。演播室輸出采用4個(gè)12 Gb/s的視頻IP組播信號(hào)流方式實(shí)現(xiàn)8K超高清信號(hào)傳輸。8K超高清電視節(jié)目視頻錄制信號(hào)格式為7 680×4 320/50p、HLG/1 000 nit、10 bit、BT.2020色域，音頻格式為5.1環(huán)繞聲格式。

總臺(tái)建設(shè)4K/8K超高清后期制作系統(tǒng)，可直接導(dǎo)入8K超高清原碼文件（如XAVC）進(jìn)行編輯，也可采用4K或高清代理編碼制作流程。編輯完成后，輸出成品工程文件到精編工作站套片，完成編輯、調(diào)色與音頻文件交互、合成等工作，確保8K超高清電視節(jié)目圖像的高質(zhì)量要求。圖1為8K電視演播室和后期制作系統(tǒng)。

3.2 8K IP主控調(diào)度分發(fā)系統(tǒng)

8K IP主控調(diào)度分發(fā)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)全臺(tái)各8K超高清電視制播系統(tǒng)間的8K超高清電視信號(hào)調(diào)度和分發(fā)。對(duì)于視頻信號(hào)，按照SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行IP化封裝并采用4個(gè)12 Gb/s的視頻IP組播信號(hào)流方式實(shí)現(xiàn)全臺(tái)各系統(tǒng)間8K超高清電視信號(hào)的調(diào)度和交換；對(duì)于外來(lái)的8K信號(hào)，按照臺(tái)內(nèi)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理后，納入全臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)使用。音頻信號(hào)按照SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全臺(tái)范圍分發(fā)，按照4個(gè)音頻IP組播流方式實(shí)現(xiàn)8K超高清信號(hào)的全臺(tái)各系統(tǒng)間的調(diào)度和交換，各制播系統(tǒng)按需從IP流中取用。圖2為8K IP主控調(diào)度分發(fā)系統(tǒng)。

3.3 8K 超高清電視播出系統(tǒng)

8K超高清電視播出系統(tǒng)用于播出的控制、管理、監(jiān)控，其視音頻交互接口采用無(wú)壓縮IP或SDI，IP鏈路采用4路SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)作為封裝調(diào)度的參考依據(jù)，SDI鏈路采用4路12 Gb/s信號(hào)傳輸。4路子畫面的分割采用SQD方式。對(duì)HDR、環(huán)繞聲和三維聲的元數(shù)據(jù)及編碼信號(hào)進(jìn)行透?jìng)鳌?/p>

8K超高清電視節(jié)目文件格式采用SQD方式分割為4個(gè)4K子文件，節(jié)目文件整備主要來(lái)自于臺(tái)內(nèi)制作島，制作島將成品播出節(jié)目文件及其技審單送播；節(jié)目單據(jù)由播出系統(tǒng)內(nèi)部生成與管理，節(jié)目文件技審單由制作島送播文件時(shí)一并提供。圖3為8K超高清電視播出系統(tǒng)。

圖1 8K電視演播室和后期制作系統(tǒng)

圖2 8K IP主控調(diào)度分發(fā)系統(tǒng)

圖3 8K超高清電視播出系統(tǒng)

3.4 8K AVS3編解碼系統(tǒng)

AVS3標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、聚焦8K超高清的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，總臺(tái)以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了8K超高清電視傳播體系。AVS3標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新了塊編碼結(jié)構(gòu)模式，在運(yùn)動(dòng)模型方面引入高階參數(shù)模型，并通過塊匹配方法在參考幀中找到最佳匹配。推進(jìn)AVS3標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，使得中國(guó)在4K/8K超高清產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專利上擁有自主權(quán)，有利于推動(dòng)中國(guó)超高清視頻產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展。

8K超高清電視信號(hào)編碼器，具備4×12 Gb/s和SMPTE ST 2110的8K超高清信號(hào)輸入接口，ASI和TS/IP碼流輸出接口；8K超高清電視信號(hào)解碼器，具備ASI和TS/IP碼流輸入接口，4×12 Gb/s和SMPTE ST 2110的8K超高清信號(hào)輸出接口。圖4為8K AVS3編解碼系統(tǒng)。

3.5 8K IP電視集成分發(fā)和接收系統(tǒng)

8K超高清IP電視播控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于IP化的8K信號(hào)播出和控制，總臺(tái)IPTV網(wǎng)絡(luò)直播組播傳輸遵循UDP協(xié)議，組播中的節(jié)目采用透明傳輸，利用用戶分組來(lái)鑒權(quán)管理；時(shí)移、回看單播傳輸遵循HLS協(xié)議。8K超高清電視視頻采用AVS3標(biāo)準(zhǔn)，碼率不低于120 Mb/s，音頻采用信源透?jìng)鳌?/p>

總臺(tái)以華為海思芯片為核心，研發(fā)了8K編解碼器和8K/4K轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，滿足8K超高清電視終端呈現(xiàn)需求。8K機(jī)頂盒解碼芯片支持AVS3輸出HDMI 2.1接口。圖5為8K IP電視集成分發(fā)和接收系統(tǒng)。

4 2021央視春晚8K超高清電視制播呈現(xiàn)

為了規(guī)范8K超高清電視制播和2021年央視春晚8K應(yīng)用，2021年1月總臺(tái)發(fā)布了《中央廣播電視總臺(tái)8K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)要求》，內(nèi)容涵蓋8K節(jié)目制播流程、視音頻基本技術(shù)參數(shù)、視音頻制作技術(shù)要求、總控系統(tǒng)技術(shù)要求、播出系統(tǒng)技術(shù)要求、播出信號(hào)編碼壓縮技術(shù)要求、分發(fā)技術(shù)要求、大屏幕顯示技術(shù)要求等方面。2月1日，總臺(tái)8K超高清電視頻道在臺(tái)內(nèi)以IP網(wǎng)和5G網(wǎng)組播方式進(jìn)行播出試驗(yàn)，用戶可通過8K AVS3機(jī)頂盒收看。同時(shí)，總臺(tái)聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通以及中國(guó)廣電，除夕夜將央視春晚的8K超高清電視信號(hào)傳送到北京等10個(gè)城市公共場(chǎng)所的大屏幕同步直播。圖6為2021年央視春晚8K超高清制播和屏幕呈現(xiàn)流程。

圖4 8K AVS3編解碼系統(tǒng)

圖5 8K IP電視集成分發(fā)和接收系統(tǒng)

圖6 2021年央視春晚8K超高清制播和屏幕呈現(xiàn)流程

4.1 信號(hào)制作和傳輸

為制作2021央視春晚8K PGM節(jié)目信號(hào)，總臺(tái)在春晚演播大廳布置了9臺(tái)8K攝像機(jī)，其中包括3臺(tái)訊道機(jī)和6臺(tái)單機(jī)進(jìn)行拍攝。在8K導(dǎo)控室部署了8K播放服務(wù)器和字幕包裝設(shè)備，通過8K演播室系統(tǒng)輸出主備兩路央視春晚8K PGM節(jié)目信號(hào)。圖7為8K超高清演播室系統(tǒng)和立柜機(jī)房。

在光華路辦公區(qū)總控機(jī)房新建IP主控調(diào)度分發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)8K信號(hào)調(diào)度系統(tǒng)的部署和應(yīng)用。該系統(tǒng)采用無(wú)壓縮IP化方式，實(shí)現(xiàn)全臺(tái)8K制播系統(tǒng)間的信號(hào)調(diào)度分發(fā)，確保8K畫面的質(zhì)量和效果。在復(fù)興路辦公區(qū)三層播出域建設(shè)8K頻道播出系統(tǒng)，春晚8K直播送播信號(hào)格式為8K HDR、5.1環(huán)繞聲+立體聲。在光華路辦公區(qū)總控建立8K AVS3編碼系統(tǒng)對(duì)播出傳送的信號(hào)進(jìn)行處理，并提供主備兩路120 Mb/s碼率的8K信源送至IPTV平臺(tái)進(jìn)行分發(fā)?？偱_(tái)和浪潮集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)了國(guó)內(nèi)首款8K信號(hào)接收機(jī)頂盒。該機(jī)頂盒采用華為海思最新芯片可對(duì)8K央視春晚視頻流進(jìn)行解碼，滿足8K終端設(shè)備收看需求。

4.2 屏幕呈現(xiàn)

為了向臺(tái)內(nèi)用戶展示央視春晚8K超高清圖像，總臺(tái)在北京四址、上海國(guó)際傳媒港及深圳大灣區(qū)制作中心共6個(gè)辦公區(qū)制作了超高清技術(shù)展板，設(shè)立了LED屏幕或8K電視機(jī)。總臺(tái)IPTV平臺(tái)接收總控傳輸?shù)腁VS3編碼格式的8K節(jié)目流，使用流媒體集群系統(tǒng)通過總臺(tái)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)推送UDP組播流視頻信號(hào)和HTTP單播流視頻信號(hào)，輸出碼率為120 Mb/s，總臺(tái)用戶可通過8K機(jī)頂盒直接收看8K春晚節(jié)目。

同時(shí)，總臺(tái)聯(lián)合四大運(yùn)營(yíng)商將央視春晚8K播出信號(hào)傳輸?shù)奖本?、上海、深圳、廣州、成都、杭州、濟(jì)南、青島、?？凇⒏Ｖ?0個(gè)城市的35塊戶外大屏幕或8K電視機(jī)同步呈現(xiàn)，8K超高清大屏均選擇城市地標(biāo)景點(diǎn)或人流集中的廣場(chǎng)進(jìn)行部署?？偱_(tái)IPTV平臺(tái)通過專線傳輸U(kuò)DP組播流視頻信號(hào)和HTTP單播流視頻信號(hào)至當(dāng)?shù)?K超高清機(jī)頂盒，同時(shí)通過專門研制的解碼設(shè)備將HDMI2.1信號(hào)轉(zhuǎn)4路HDMI2.0或者12 Gb/s信號(hào)，最終將解碼后的4路信號(hào)傳輸給8K超高清戶外大屏呈現(xiàn)。圖8為成都和廣州兩地8K央視春晚屏幕呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖7 8K超高清演播室系統(tǒng)和立柜機(jī)房

圖8 成都和廣州8K央視春晚屏幕呈現(xiàn)

2021年春節(jié)期間，總臺(tái)開展8K超高清電視頻道播出試驗(yàn)，并進(jìn)行央視春晚8K直播，對(duì)全球8K超高清電視發(fā)展具有引領(lǐng)和示范意義，這標(biāo)志著中國(guó)已走在世界超高清電視發(fā)展的前列?？偱_(tái)以2021年央視春晚8K超高清電視直播為契機(jī)，將繼續(xù)發(fā)揮在視音頻制作領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加快推進(jìn)超高清電視的創(chuàng)新發(fā)展，讓廣大人民群眾真正體驗(yàn)到8K超高清節(jié)目帶來(lái)的無(wú)以倫比的視聽享受，助力中國(guó)超高清電視產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。