宋吳宇

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035）

0 引 言

國家廣播電視總局在2016-2018年相繼發(fā)布相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并于2018年發(fā)布了《4K超高清電視技術(shù)應(yīng)用實施指南》，在節(jié)目制作、播出、編碼、傳輸及顯示等重要技術(shù)參數(shù)方面提出明確要求，成為我國4K超高清電視發(fā)展的技術(shù)性綱領(lǐng)。而4K超高清技術(shù)的發(fā)展，將是我國廣電行業(yè)的又一次重大技術(shù)升級，涉及面廣、影響巨大，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。

1 4K超高清技術(shù)

2014年巴西世界杯的部分重要場次首次采用了4K轉(zhuǎn)播方式，部分觀眾有幸參與了體驗。實際效果可以用驚艷來形容，卓越的畫質(zhì)給觀看者帶來了極致的視覺體驗，使觀眾留下了深刻印象。對比現(xiàn)在的標(biāo)清或高清，4K的優(yōu)勢體現(xiàn)在諸多方面[1]。

（2）色深。色深主要針對顯示硬件，10 bit是4K技術(shù)規(guī)定的色深，要求RGB中每一個顏色有2的10次方，總數(shù)為1 024×1 024×1 024種色彩搭配，約10.7億種，相比于8 bit的色深1 677萬種顏色提升了64倍，差距懸殊。從實際表現(xiàn)來看，10 bit色深輸出的顏色更加飽滿，色階過渡也更加流暢。

（3）HDR。HDR全稱High-Dynamic Range，即高動態(tài)范圍圖像，跟普通圖像相比，其可以提供更多的動態(tài)范圍和圖像細節(jié)，類似于人眼自動適應(yīng)光線變化的能力。通過高亮度渲染后的亮度調(diào)整，可以達到更佳的分辨效果。

（4）色域。色域即色彩空間，4K技術(shù)采用BT.2020色域標(biāo)準(zhǔn)。它覆蓋了CIE 1931色彩75.8%，是當(dāng)前顯示設(shè)備中最大的色彩空間，遠遠超過HDTV所采用BT.709色彩空間。色域越高，顯示出的顏色就越多，高色域能比低色域顯示出更多種類的顏色，越能接近、還原事物原有的色彩。

（5）幀率。幀率即每秒的畫面數(shù)量，幀數(shù)越高，人眼所識別到的畫面越流暢。高幀數(shù)對應(yīng)高帶寬，HDTV的標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)為24幀，國家廣播電視總局實施指南要求4K幀數(shù)為50幀，其畫面流暢度相比HDTV會有顯著提升，但占用空間相應(yīng)地也會有所增加。

盡管4K技術(shù)具備諸多優(yōu)點，但用戶要體驗到真正的4K，難度卻不小。例如，雖然消費者購買了4K顯示器，但真正的4K片源數(shù)量很少，可選擇余地很小。其次，普通家庭基本依靠網(wǎng)絡(luò)App或者IPTV觀看視頻，盡管網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普及，但網(wǎng)絡(luò)速率穩(wěn)定支持4K視頻觀看的條件尚不具備。最后，4K解碼芯片功耗較大，加上家庭用戶采用筆記本或手機觀看1 080P和4K影片時視覺觀感差別不大，因此4K需求在很大程度上都局限于各大電視臺和運營商內(nèi)部，全面推廣還需時日[2]。

2 4K傳輸

隨著各級廣電機構(gòu)和運營商的持續(xù)投入，4K項目建設(shè)正有條不紊地進行，隨之而來的是傳輸系統(tǒng)的相應(yīng)升級改造。信號傳輸過程會根據(jù)不同的場景選擇不同的傳輸方式。

為了有效提高學(xué)生語言文字的應(yīng)用能力，可以在閱讀或者課堂教學(xué)中開設(shè)各種實踐活動，這個活動設(shè)計可以由學(xué)生和教師共同參與，以此來加強學(xué)生在語言方面的訓(xùn)練。在整個活動中可以讓學(xué)生的語言文字能力得到提升，使自身的學(xué)科素養(yǎng)不斷提高，同時還加強了教師與學(xué)生之間的交流和溝通。

2.1 基帶無壓縮方式

如果信號傳輸采用基帶無壓縮方式，傳統(tǒng)方式是采用文件化卡帶進行錄制，運送回節(jié)目制作單位進行制作，時效性差，需要大量卡帶用于節(jié)目存儲轉(zhuǎn)送。4K的基帶帶寬可以達到12 Gb·s-1，相當(dāng)于1 080P HDTV的3 Gb·s-1的4倍，占用存儲空間是高清標(biāo)準(zhǔn)的8倍，非常消耗卡帶資源。因此也可采用以下3種傳輸方式[3]。

（1）當(dāng)距離較短時，可采用同軸電纜方式完成。同軸傳輸也具有兩種方案，一種為單根12 Gb·s-1，建議傳輸距離小于50 m。另一種為3×4 Gb·s-1，即采用4根同軸電纜，每根電纜傳輸3 Gb·s-1，距離150 m左右。發(fā)送端需要同時發(fā)送嵌入SMPTE數(shù)據(jù)，接收端在接收到SMPTE數(shù)據(jù)后才可完全識別發(fā)送端的信號。這種方式一般將整個4K信號進行4等分分割（SQD-Square Division）或者二取樣交織（2SI-2 Sample Interleave）后，需要將音頻嵌入信號嵌入第一路3G-SDI中，同時，在接收端，4路信號的同步相當(dāng)重要。SQD（Square Division）原理如圖1所示，2SI（2-Sample Interleave）原理如圖2所示。

圖1 SQD（Square Division）原理

圖2 2SI（2-Sample Interleave）原理

（2）具備光纖資源的條件下，可以選擇基帶信號光傳輸，一般光纖的帶寬為10 Gb·s-1，低于4K的帶寬，但4K攝像機可以將4K信號轉(zhuǎn)換為文件格式通過普通光纖完成傳輸。具備百G級別以上光纖資源的情況下，也可以直接使用4K信號傳輸。對于采用SQD或2SI方式的信號，需要在接收端完成信號的拼接。

（3）網(wǎng)絡(luò)資源豐富的地區(qū)，可以考慮通過IP的方式進行傳輸。攝像機輸出的HD-SDI信號通過網(wǎng)關(guān)完成IP轉(zhuǎn)換，進而進入數(shù)據(jù)交換機，利用當(dāng)?shù)豋TN網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進入制作機房。其缺點是必須要求網(wǎng)絡(luò)分配足夠的帶寬資源，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的丟包丟幀現(xiàn)象。

4K基帶無壓縮方式傳輸方案如圖3所示。

圖3 4K基帶無壓縮方式傳輸方案

2.2 基帶壓縮編碼方式

1 080 P高清視頻的編碼大都采用H.264標(biāo)準(zhǔn)，而對于4K甚至8K分辨率的超高清畫質(zhì)視頻，當(dāng)前大多采用HEVC方式，即H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的核心是采用16×16像素大小的宏塊，相比于H.264，HEVC提供了更多更優(yōu)質(zhì)的改進，主要體現(xiàn)在新增編碼樹單元（CTU），其功能與H.264的宏塊類似，但比H.264中的像素宏塊更大，最大可以支持64×64，最小16×16，尺寸由編碼器設(shè)置。更大的CTU在壓縮高像素視頻時表現(xiàn)更為高效。壓縮方式的改進使其效率提升了1倍以上，對于相同圖像質(zhì)量的視頻，采用HEVC方式編碼只占用一半的空間。也可以這樣說，當(dāng)兩者占用相同空間，HEVC方式的圖像質(zhì)量更好[4]。

在信號傳輸過程中，如果帶寬或者光纖資源不足，可根據(jù)實際情況對信號進行壓縮編碼。壓縮后的帶寬可根據(jù)實際情況調(diào)整，基本在12～50 Mb·s-1。有測試機構(gòu)對4K信號采用不同碼率編碼后，再對解碼后的信號進行測試，發(fā)現(xiàn)碼率在16 Mb·s-1時，解碼后的圖像質(zhì)量下降較小，可考慮作為傳輸過程中的壓縮碼率，既保證了信號質(zhì)量，同時也節(jié)省了帶寬資源。而經(jīng)編碼后的信號會以ASI或者IP形式輸出，可采用衛(wèi)星、光纖、有線網(wǎng)絡(luò)甚至5G無線網(wǎng)絡(luò)等多種方式完成傳輸。不管采用何種方式，傳輸帶寬均遠遠低于基帶信號，成為切實有效的傳輸手段?；鶐嚎s編碼方式傳輸流程如圖4所示。

圖4 基帶壓縮編碼方式傳輸流程

（1）在既無光纖也無網(wǎng)絡(luò)的戶外環(huán)境，只能借助于衛(wèi)星通道進行傳輸。受帶寬限制，只能采用壓縮編碼完成信號傳輸，上星碼率最高可達30 Mb·s-1，滿足高速傳輸?shù)男枨?，還保證了很高的圖像質(zhì)量。

（2）具有OTN網(wǎng)絡(luò)或者光纖資源的區(qū)域，具備4K基帶信號傳輸?shù)哪芰?。但基帶信號對帶寬要求極高，在遠距離傳輸過程中極大地消耗網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，使帶寬使用成本指數(shù)級提高，性價比不高。因此在實際應(yīng)用中都會進行壓縮編碼，可根據(jù)接收端使用需求壓縮至12～200 Mb·s-1，在緩解網(wǎng)絡(luò)壓力的同時，大大降低了傳輸成本，傳輸過程甚至可以在SDH這樣的舊一代傳輸網(wǎng)絡(luò)中完成。

（3）現(xiàn)在市面上的4K編碼器具有傳統(tǒng)ASI接口輸出和網(wǎng)絡(luò)IP接口輸出，可滿足不同場合需求。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)達地區(qū)，IP傳輸表現(xiàn)得更為方便靈活，但也有其不可忽視的缺點。受制于網(wǎng)絡(luò)的特性，延時成為一個不可忽視的問題。在保證圖像質(zhì)量和低延時的情況下，IP傳輸將成為一個可靠的手段，相比于傳統(tǒng)光纖有著更低的使用成本，定會成為未來信號傳輸?shù)囊粋€重要手段。

（4）隨著5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署和商用，5G+4K概念被提及，即開展基于5G網(wǎng)絡(luò)的4K超高清視頻傳輸、VR制作及編輯等多項應(yīng)用。隨著技術(shù)的逐漸成熟，其已經(jīng)開始在很多場景應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛的今天，流媒體快速發(fā)展，以后還會不斷有新的、更具吸引力的流媒體服務(wù)推出，滿足人們對更高視頻質(zhì)量的觀看需求，因此5G+4K在這一領(lǐng)域成為當(dāng)下最完美的組合。

4K的傳輸技術(shù)及方案經(jīng)過多年的技術(shù)積累與沉淀，已經(jīng)在應(yīng)用過程中逐漸走向成熟，相信在不久的將來將會送入千家萬戶，大大提升用戶的觀看體驗。

3 4K制作

4K畫面的分辨率相比于現(xiàn)有的高清畫面提升了4倍之多，在視角角度方面也比現(xiàn)有高清畫面大得多，可以使觀眾獲得更佳的臨場感和感官上的震撼。但4K的制作、傳輸?shù)纫幌盗辛鞒掏度刖薮?，如果使用傳統(tǒng)的現(xiàn)場制作方式，需要消耗大量的人力、物力及財力。而如果利用當(dāng)前發(fā)達的光纖資源或者網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠程制作，現(xiàn)場團隊制作人員可以大大減少。

3.1 現(xiàn)場制作

4K現(xiàn)場制作的演播室、轉(zhuǎn)播車等方案已經(jīng)成熟。系統(tǒng)架構(gòu)與傳統(tǒng)高標(biāo)清架構(gòu)類似，區(qū)別在于設(shè)備，如4K攝像機、4K切換臺及4K監(jiān)看等。攝像機受基站控制，實現(xiàn)信號采集。4K基帶信號從攝像機輸出，進入基帶信號處理單元。信號處理單元將12G SDI或4×3G SDI信號送往切換臺或者矩陣。采用4×3G SDI方式，4路信號綁定切換臺邏輯，即4路信號同切模式?，F(xiàn)場制作需要部署攝像機、基站、切換臺、調(diào)音臺及收錄系統(tǒng)等大量設(shè)備，制作成本高昂。

隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)化部署成本急劇下降，業(yè)內(nèi)人士認為IP化現(xiàn)場制作也許會成為一個主流方向。但IP化發(fā)展也面臨技術(shù)發(fā)展過程中普遍存在的問題，即技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。架構(gòu)方面采用類似SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)），用IP交換機取代傳統(tǒng)的基帶矩陣，但交換機協(xié)議和功能上的劃定方面，還是體現(xiàn)出各個廠家之間的博弈。一些廠商建議使用為傳統(tǒng)音視頻傳輸使用的專用交換機，但價格較高。而另一部分廠商推薦使用通用化交換機，使用成本較低，并且更符合SDN架構(gòu)中的交換機功能。然而最終哪種方案被廣泛接受，業(yè)內(nèi)并未達成共識。最后的選擇仍取決于用戶。SDN架構(gòu)現(xiàn)場制作方案如圖5所示。

圖5 SDN架構(gòu)現(xiàn)場制作方案

3.2 無壓縮遠程制作

一般所說的無壓縮是相對于4K攝像機的源信號，在后續(xù)的傳輸環(huán)節(jié)不增加壓縮編碼，透傳發(fā)送。但當(dāng)前市面上的4K攝像機為了傳輸環(huán)節(jié)考慮，輸出信號實際上都經(jīng)過了淺壓縮處理。無壓縮遠程制作方案如圖6所示。

圖6 無壓縮遠程制作方案

攝像機系統(tǒng)的光纖模塊將光信號直接接入DWDM系統(tǒng)業(yè)務(wù)單元，完成信號傳輸，實現(xiàn)遠程制作。這里需要注意的是，攝像機的光纖模塊波長必須符合ITU標(biāo)準(zhǔn)要求的標(biāo)準(zhǔn)波長，DWDM才能完全識別。如果攝像機的光纖模塊波長無法被DWDM識別，則需要在DWDM前端增加波長轉(zhuǎn)換器，將波長轉(zhuǎn)換為DWDM可識別的標(biāo)準(zhǔn)波長。接收端反向操作，還原信號。也可以實現(xiàn)基于DWDM的基帶信號遠程制作。

攝像機系統(tǒng)自身適配的IP輸出模塊可將信號直接接入現(xiàn)場側(cè)數(shù)據(jù)交換機，數(shù)據(jù)交換機單個接口帶寬可達25 G以上。如果多機位同時工作，可以使用數(shù)據(jù)交換機多個端口Trunk來擴展帶寬。數(shù)據(jù)交換機以光口輸出接入DWDM，本地DWDM業(yè)務(wù)單元輸出進入本地側(cè)交換機光口，電口輸出接入制作系統(tǒng)，在城域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)延時只有幾毫秒，完全滿足制作要求。

3.3 壓縮遠程制作

信號的無壓縮遠程制作能夠使圖像質(zhì)量得以完整保留，但由于其超大的帶寬，嚴(yán)重占用光纖網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，成本居高不下。因而，可以考慮在圖像質(zhì)量和碼率方面做出一些犧牲，有效降低傳輸帶寬，降低帶寬使用成本。當(dāng)前業(yè)界認為比較成功的淺壓縮編碼方式有TICO和JP2K兩種，實際操作過程中其效果都接近于無損級別。

TICO（Tiny Codec）是一種數(shù)據(jù)淺壓縮技術(shù)。淺壓縮是基于小波算法逐幀實現(xiàn)視頻壓縮，有效降低了視頻傳輸延時。該技術(shù)采用4∶1壓縮算法將4K 12 G信號壓縮至3 G帶寬，很好地適配了現(xiàn)有高清的3 G網(wǎng)絡(luò)，成為遠程制作的優(yōu)選項。

JP2K也是基于小波變換的壓縮編碼方式，不同于JPEG離散余弦變換（DCT）的壓縮編碼方式。與TICO相比，兩者性能相當(dāng)，壓縮比低，計算復(fù)雜度高，3G級帶寬無法滿足其傳輸要求。如果作為遠程制作使用，需要10 G級別的帶寬。如果要實現(xiàn)多機位的遠程制作，帶寬壓力更大。

因此，即使TICO和JP2K都能對4K基帶信號進行一定的壓縮處理，使其占用帶寬相應(yīng)減少，但對于大型賽事等需要多機位同時制作的場景，網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力陡增。再加上編解碼延時、網(wǎng)絡(luò)延遲過高等影響，遠程制作效果不及預(yù)期，并不是推薦選項。

隨著5G商用網(wǎng)絡(luò)的普及，5G+4K的傳輸與遠程制作應(yīng)用方案已經(jīng)在部分場景使用。穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)、超低的延時、低廉的傳輸和制作成本、簡單的一站式解決方案等一系列優(yōu)點，使其成為未來極具潛力的優(yōu)質(zhì)方案。爆發(fā)的自媒體和云計算的加入更使其如虎添翼，市場上基于云計算的遠程制作中心已經(jīng)初露頭角，未來必定在制作領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

4 結(jié) 語

基于信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，4K在傳輸和制作方向上呈現(xiàn)出多種態(tài)勢，可根據(jù)實際情況選擇最優(yōu)方案。安全穩(wěn)定的傳輸方案為制作提供了良好的基礎(chǔ)保障，上佳的制作又能通過傳輸技術(shù)將優(yōu)質(zhì)的畫面展現(xiàn)在用戶面前。兩者相輔相成，相互促進。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展引領(lǐng)了新一代的傳輸和制作技術(shù)方案的形成，IP化以其精簡的架構(gòu)、快速的部署、高效的運作以及低廉的運營成本吸引了眾多潛在客戶，運營商們及時跟進加速產(chǎn)業(yè)布局，科技廠商加速相關(guān)軟硬件設(shè)備研發(fā)，積極應(yīng)對4K高質(zhì)量傳輸和高效遠程制作。