段永良 吳澤揚

（南京傳媒學院傳媒技術學院，江蘇 南京 211172）

電視節(jié)目制播系統(tǒng)IP 化是大勢所趨，是通過將轉播系統(tǒng)里的視音頻信號經過編碼、糾錯、封裝，轉換成IP 信號進入以太網交換機為核心的網絡系統(tǒng)中。

目前國內外廣電系統(tǒng)技術架構正在迅速從SDI 基帶信號模式向IP 信號模式轉變。國內已經建成或者在建的超高清4K/IP 系統(tǒng)情況大致如下：在 4K/IP 建設方面，亞洲在世界范圍內處于領先地位，尤其是中日韓三國發(fā)展迅速。早在 2016 年就開始有騰訊、央視、浙江衛(wèi)視等開始嘗試NMI、TICO 的淺壓縮IP 系統(tǒng)，隨著技術的發(fā)展和標準的更新，自2019 年開始成規(guī)模地建設面向無壓縮符合 SMPTE2110 標準IP 系統(tǒng)，已建成并運行的有廣東臺24 訊4K/IP 轉播車，湖南臺超高清4K/IP 轉播車，黑龍江電視臺、云南電視臺、CMG 轉播車以及上海文廣 SMG32 訊道S1 轉播車等。IP 標準從早期的百家爭鳴的狀態(tài)逐步發(fā)展為如今公認的 SMPTE ST2110 標準，包括 SMPTE ST2110-10、SMPTE ST2110-20、SMPTE ST2110-30、 SMPTE ST2110-40 在內的四個標準，分別對 IP 包中數據流的傳輸進行了標準定義。

以混合IP 架構超高清電競制作系統(tǒng)為例，介紹SDI 系統(tǒng)、IP 系統(tǒng)、系統(tǒng)設備方案、電視制作系統(tǒng)的IP 化。系統(tǒng)設備方案包括視頻系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、TALLY 系統(tǒng)、通話系統(tǒng)的詳細設備選型及其技術要點和優(yōu)勢。

混合IP 架構是指在實現系統(tǒng) IP 化的同時保留 SDI部分。

1.SDI 系統(tǒng)

電視節(jié)目制作系統(tǒng)主要指視頻系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)。視頻系統(tǒng)是由多路攝像機信號和其他圖像信號輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠對本地多路輸入信號進行實時切換、在線包裝，對制作完成的信號進行發(fā)射或推流。音頻系統(tǒng)往往需要對多路輸入音頻進行混音制作，根據不同節(jié)目的需求及時調整音頻輸出，最終與視頻信號加嵌成完整的視音頻節(jié)目信號。制作完成并發(fā)射的視音頻節(jié)目信號一般先傳輸到電視臺播控中心，再由播控中心進行技術審核、內容審核等環(huán)節(jié)后進行統(tǒng)一調度，通過發(fā)射臺向全國各地甚至全世界進行發(fā)送。網絡直播是通過網絡推流的手段，將制作完成的視音頻節(jié)目信號傳送至網絡進行分發(fā)，觀眾通過網絡觀看直播節(jié)目。

超高清晰度分為4K/8K，對應分辨率為3840×2160/7680×4320。

電競節(jié)目制作播出系統(tǒng)主要類型有EFP、ESP 兩種，常見的飛行箱系統(tǒng)、轉播車系統(tǒng)屬于EFP 形式，屬于“臺外”作業(yè)的節(jié)目生產方式，機動性強，通常對活動或比賽等舉辦場地進行臨時搭建并投入使用，適用于體育類、文藝類等場地變化多樣的節(jié)目制作。本系統(tǒng)采用 ESP 形式，即電子演播室制作，相比 EFP系統(tǒng)，ESP 系統(tǒng)在設計建造之初便充分考慮了后期投入使用的錄制、播出要求，系統(tǒng)集成度高，同時也具備很強的靈活性。

自20 世紀80 年代末電視進入數字化時代以來，SDI（串行數字接口）在制作系統(tǒng)中就無處不在，伴隨著電視從標清到高清再到超高清，經歷了幾次重大的升級后，現有最高規(guī)格的12G-SDI 比特率可以達到12Gbps。SDI 也因低延時、易安裝、易維護及其點對點傳輸帶來了安全性。

2.IP 系統(tǒng)

本系統(tǒng)是基于索尼IP Live 系列產品進行開發(fā)和研究。視頻系統(tǒng)的圖像采集部分由兩大部分組成，首先第一部分是由6 臺索尼HDC-3500 4K 超高清攝像機組成的訊道攝影機系統(tǒng)，第二部分是由12 臺PTZ 相機組成的選手攝影機系統(tǒng)，這兩部分組成了本系統(tǒng)的視頻信號采集部分。除此之外，在設計之初還預留了多個4KIP 訊道及SDI 訊道，方便后期進行拓展升級。

切換系統(tǒng)由索尼的XVS-70004K/IP 多格式切換臺和VMC1 IP 切換臺組成。索尼的XVS-7000 多格式切換臺支持SDI、IP 同步制作能力，信源由SDI 輸入和IP 輸入兩部分組成，SDI 信源由視頻矩陣、攝像機控制單元組成，同時切換臺接入IP 交換機與IP 網絡進行數據交換。VMC1 IP 切換臺支持SDI、IP 信號同步輸入，負責選手畫面的制作，信源來自PTZ 相機和NDI 攝像機兩部分，在視頻系統(tǒng)中充當二級臺的作用，負責制作選手畫面并輸出一路信號供節(jié)目使用。系統(tǒng)中SDI 域和IP 域之間的轉換通過IPG 來完成，IPG 在系統(tǒng)中起到網關的作用，可以讓SDI 外部輸入的信號轉換為IP 數據進入IP 網絡中使用，也可以是IP 網中的數據轉換為SDI 信號進入基帶鏈路中使用，使IP 制作網和基帶制作網得以互通。

系統(tǒng)中數據交換的核心設備是兩臺華為CE6865-48SCQ 核心交換機以及兩臺Arista SVC-7020TR 數據交換機。主備核心交換機負責系統(tǒng)內主要信號的并行傳輸，在SMPTE ST2022-7 無縫切換機制的保護下，經交換機傳輸的任何一路數據出現問題時都會自動切換為另一路，保障了鏈路安全。主備數據交換機負責視頻播放器、視頻服務器、推流服務器等數據的并行傳輸。

監(jiān)看系統(tǒng)核心是以視頻矩陣為信源的畫分服務器，畫分服務器由多張畫分板卡組成，不同的畫分板卡負責不同監(jiān)視器信源的輸入和不同畫分格式的設置。監(jiān)看設備由屏墻及技術區(qū)的技術監(jiān)視器兩部分組成，導播間屏幕墻由6 臺索尼4K 電視機組成，OB 導演區(qū)域的屏幕墻由4 臺索尼4K 電視機組成，技術監(jiān)看區(qū)域配備了索尼BVW-HX310 專用監(jiān)視器作為技術監(jiān)看。其中VMC1 第二制作區(qū)的監(jiān)看由VMC1 主機直接輸出多畫分信號接入監(jiān)看系統(tǒng)。

IP 系統(tǒng)與SDI 系統(tǒng)在工作流程上最大的區(qū)別是IP系統(tǒng)中高度依賴SDN 管理設備對系統(tǒng)中的設備進行管理。該系統(tǒng)采用的是索尼的IP Live System Manager（LSM）管理軟件來對系統(tǒng)中的設備進行統(tǒng)一的管理，通過該管理軟件實現設備之間IP 信號的調度、控制系統(tǒng)設備與交換機組成的系統(tǒng)矩陣傳輸的IP 信號、自動檢測IP 鏈路故障位置并自動修復等功能。在系統(tǒng)投入使用前會給IP 網絡中的每個設備分配固定的IP 地址，這些IP 地址將會被統(tǒng)一記錄下來整理成“通訊錄”，方便后續(xù)的管理工作?；鶐Р糠謩t是以視頻矩陣為核心，對系統(tǒng)內的SDI 信號通過跳線板的方式進行統(tǒng)一的管理和信號的調度。

整個系統(tǒng)的IP 部分使用雙備份設計，主備交換機雙網并行，實現了雙網結構，保障了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。還加入了部分基帶鏈路為整個系統(tǒng)提供了托底保護作用，在IP 系統(tǒng)出現故障時可以及時切換傳輸通道，為系統(tǒng)的安全播出增添了一道穩(wěn)定的安全防線。

3.系統(tǒng)設備方案

3.1 視頻系統(tǒng)設備方案

視頻系統(tǒng)由攝像機、攝像機控制單元、PTZ 攝像機、主切換臺、副切換臺、切換面板、核心交換機、數據交換機、視頻矩陣、視頻服務器、視頻播放器、IPG、上下變換設備等組成。

4K 攝像機系統(tǒng)：攝像機選用的是索尼的HDC-3500 4K 超高清攝像機，利用先進的 2/3 英寸 4K CMOS 成像器，以及能消除“果凍效應”和“閃光帶”的全域快門技術，能拍攝出優(yōu)異的圖像效果。上述技術使得 HDC-3500 能夠拍出具有 4K 高分辨率、低噪聲、出色靈敏度和高動態(tài)范圍的原始圖像，同時實現ITU-R BT.2020 廣播標準的寬彩色空間。同時還能拍攝高動態(tài)范圍圖像，并支持索尼的 SR 實時工作流程，可同時進行 HDR/SDR 制作。IP 攝像機擴展適配器能讓HDC-3500 直接輸出ST 2110 信號，無須配備單獨的 CCU，進而簡化與 IP 遠程制作系統(tǒng)的連接流程。攝像機控制單元選用的是索尼HDCU-3500，具有多功能內置接口以及千兆以太網線路接口，負責攝像機信號的傳輸。搭配RCP-1500 操作面板實現對攝像機的控制。

PTZ 攝像機選用的是NetTek NDI PTZ2 Camera，是一款同時支持IP、SDI、HDMI 傳輸的PTZ 攝像機，支持記錄超高清視頻信號，僅通過一根網絡電纜就可以進行連接、捕獲和控制。本系統(tǒng)內將12 臺PTZ 攝像機同時接入IP 網絡和SDI 系統(tǒng)中，IP 網絡部分由副切換臺VMC1 直接從IP 網絡中獲取后進行切換制作，SDI 系統(tǒng)中則是PTZ 相機輸出的SDI 信號直接進入視頻矩陣，在視頻矩陣的輸出端由NC1 視頻轉換模塊將SDI 域轉換為NDI 域進入VMC1 中作為信號源。

切換臺：系統(tǒng)內切換臺分為主切換臺和副切換臺。主切換臺選用的是索尼XVS-7000 多格式切換臺，支持IP 和SDI 同步制作以及強大的4K 制作能力。支持最高6 級M/E，最大輸入量為112 路BNC 接口，最大輸出量有48 路BNC 接口，16 路帶格式轉換輸出和8路多畫分輸出，以及配備了符合ST2110 協(xié)議的100G IP 接口，搭配索尼IPC-X7000 切換面板實現各種功能的操作。副切換臺選用的是NetTek TriCaster VMC1 IP 制作系統(tǒng)，最高支持8M/E，支持4 路SDI 輸入和4 路SDI 輸出、44 路NDI 輸入和35 路NDI 輸出，可以很方便地取用同一網絡中的NDI 設備輸入和輸出。在本系統(tǒng)中VMC1 主要直接從網絡中采集了PTZ 攝像機以及字幕機、視頻播放器等，以及從SDI 系統(tǒng)中的PTZ 相機信號通過NC1 I/O 信號處理模塊轉換為NDI信號后進入網絡的PTZ 相機信號后，實現對選手畫面的制作和輸出。

該方案下主切換臺和副切換臺都分別與IP 和SDI域都進行了相應的連接，而且這種連接是實時同步的，制作也是實時同步的。當系統(tǒng)正常運行時系統(tǒng)將以IP網絡為主線進行切換，當某一IP 鏈路出現故障時，基于SMPTE 2022-7 無縫切換機制將會先自動切換至備用的IP 鏈路，這是IP 系統(tǒng)的一種保護機制。但當IP 系統(tǒng)出現重大故障導致系統(tǒng)癱瘓時，純IP 系統(tǒng)可能面臨系統(tǒng)失效的情況，混合IP 架構則可以手動將輸出總線切換到以視頻矩陣為核心的基帶系統(tǒng)上，保障節(jié)目制作正常運行。這種設計就是前文提到的基帶托底保護機制，這種保護機制也是混合IP 架構的獨有的優(yōu)勢，在系統(tǒng)出現故障時能夠最大程度上保障整體系統(tǒng)的安全。

主切換臺連接圖和副切換臺連接圖如圖1、圖2所示。

圖1 主切換臺連接示意圖

圖2 副切換臺連接示意圖

錄像機：錄像機選用的是AJA 的Urtal Plus 4K 錄像機，支持4K 錄制、多通道錄制、多種編碼格式錄制。最高可以錄制Apple ProRes 4444 XQ 2K/60 fps 或Avid DNxHR HQX 4K/30 fps 視頻文件，最高支持4K 4：2：2 10bit 輸出，由此也可以用作4K 監(jiān)看信源，同時可以通過以太網對其進行控制和配置。

錄像機連接示意圖如圖3 所示。

圖3 錄像機連接示意圖

制作轉換單元：選用HDRC-4000 在系統(tǒng)中作為視頻信號HDR 上下轉換的設備，HDRC-4000 可以提供多種信號轉換功能，以適應各種分發(fā)標準—空間轉換、HDR/SDR 轉換、色域轉換和光電轉換函數轉換。該單元支持高清 1920 x 1080/1280 x 720 和 4K信號格式。

制作轉換單元HDRC-4000 功能如圖4 所示。

圖4 制作轉換單元HDRC-4000 功能示意圖

SDI-IP 信號處理單元：本視頻系統(tǒng)是基于混合IP架構的設計方案，必然存在許多環(huán)節(jié)需要在IP 域和SDI 域之間進行轉換。例如：本系統(tǒng)中由切換臺輸出的PGM 節(jié)目信號經IPG 板卡進行轉換接入IP 網絡，字幕機Key 信號和Fill 信號、視頻播放器的SDI 信號進入IP 網絡，以及監(jiān)看系統(tǒng)的技術監(jiān)看區(qū)的技術監(jiān)視器的SDI 信源則來自另外一塊IPG 板卡從IP 網絡中轉換的IP 信號等，都需要IPG 板卡來完成。IPG 板卡均安裝在NXL-FR316單元內，由其提供安裝框架及電源。系統(tǒng)中使用的IPG 板卡型號為SONY NXLK-IP50Y，支持高清/4K HDR 下的SMPTE ST2110 視頻流，帶有8 個1.5/3G-SDI 端口和兩個SFP28（25Gb）以太網端口。其運行原理如圖5 所示。

圖5 IPG 運行原理示意圖

視頻系統(tǒng)中還有其他跟制作相關的設備例如視頻播放器、視頻服務器等。

3.2 音頻系統(tǒng)設備方案

音頻系統(tǒng)由調音臺、監(jiān)聽設備以及拾音麥克風組成。

調音臺：調音臺選用的是Lawo mc236。這款調音臺能夠提供最多160 個輸入通道，同時具有32 個環(huán)繞聲通道，支持5.1 環(huán)繞聲制作。傳輸方面Lawo mc236支持各種原生IP 標準，配備了多個光模塊接口，同時支持B.B、PTP 兩種同步方式，能夠很方便地接入SMPTE ST2110 系統(tǒng)。Lawo mc236 是一款具有數字音頻矩陣的一體式調音臺，在使用方面更加地靈活。

監(jiān)聽設備：監(jiān)聽設備選用的是GENELEC 8030C二分頻監(jiān)聽音箱和GENELEC 7360 低頻音響組成的5.1環(huán)繞聲監(jiān)聽系統(tǒng)。GENELEC 8030C 二分頻監(jiān)聽音箱設計小巧緊湊，但仍保留了高輸出、低染色、寬頻帶的優(yōu)異特性。小巧的設計使該款音箱很適合在音頻間進行架設，同時能很好地還原真實的聲音，為系統(tǒng)提供了準確的監(jiān)聽音源，幫助制作團隊制作準確的聲音。

3.3 同步系統(tǒng)設備方案

同步系統(tǒng)設備由主備同步信號發(fā)生器、同步信號倒換器、1GE、40GE 光接口模塊、MOP 線纜、同步信號分配器組成。SPG8000A 主同步參考發(fā)生器由兩個Tektronix SPG8000A 同步信號發(fā)生單元和一個 Tektronix ECO8000 自動轉換單元組成，應用于系統(tǒng)中時鐘同步，它提供多種視頻參考信號，例如：黑場、高清三電平同步以及串行數字和復合模擬測試模式。對于 IP 安裝，兩個或多個 SPG8000A 單元的組合能夠支持精確時間協(xié)議 （PTP）IEEE 1588，用于基于 IP 技術的廣播設備和控制系統(tǒng)的時鐘同步。同步信號分配器則主要將SPG8000A 提供的黑場信號分配給系統(tǒng)內的其余設備。

3.4 TALLY 系統(tǒng)設備方案

TALLY 系統(tǒng)的核心設備是TALLY 控制單元，選用的是TSL 的TALLY 控制單元，系統(tǒng)內所有的TALLY 信號都來自該控制單元。

3.5 通話系統(tǒng)設備方案

通話系統(tǒng)分內場和導播間兩部分。其中選用的是RIEDEL 的TANGO Matrix intercom 有線通話系統(tǒng)，由通話基站和通話面板組成。內場則使用的是RIEDEL的BOLERO WIRELESS INTERCOM 無線通話系統(tǒng)，由無線通話腰包、多個通話天線以及帶POE 供電的通話交換機組合而成。兩部分通過通話矩陣連接而成，實現實時通話的串聯(lián)，各個工位前的通話面板可以進行通道切換，選擇需要進行通話的分站。

4.電視制作系統(tǒng)的IP 化

基于IP 架構的制作系統(tǒng)的優(yōu)勢主要有以下幾點。

4.1 傳輸帶寬大

以4K 超高清視頻信號為例， 分辨率為3840×2160，色域方面Rec.2020 標準能呈現約2 倍的色彩數量，與高清的8bit 量化相比，4K 的10bit 量化使得圖像的明暗層次擴大了三倍，與此同時碼率也大幅提升。

4.2 拓展能力強

IP 化既是在TCP/IP 平臺上，采用IP 數據包的形式讓數據在鏈路上進行傳輸，系統(tǒng)內所有信號都進入IP 交換機，串行數據由此變成了并行數據，根據制作需求如果需要在系統(tǒng)內加入新的設備或是信號源，只需要增加端口數量就可以實現，方便臨時組網。

4.3 系統(tǒng)構造簡潔

相較于SDI 架構，IP 架構中的IP 設備如交換機等體積一般來說比較小，線纜的使用數量因其很大的單路傳輸帶寬，線纜的使用量大幅減少，加上以太網線纜相比SDI 線纜更加纖細，使得系統(tǒng)整體的布線構造簡單。

目前我國電視臺內數字化和網絡化升級已經進入全媒體、超高清時代。隨著融合媒體、4K、8K 等超高清技術的發(fā)展，從數字廣播電視傳輸到節(jié)目制作播出，傳輸需要的帶寬和線纜問題愈發(fā)突出，電視臺現有的以SDI 基帶視頻接口和專用SDI 數字視頻矩陣為基礎的技術架構已難以滿足?；谀壳暗那闆r，越來越多的廠商推出了支持全IP架構的臺內基礎設施產品和解決方案。IP 化相比SDI 的優(yōu)勢在于：IP 網絡覆蓋范圍大、傳輸技術成熟、布線簡單、可重用設備、較傳統(tǒng)設備而言節(jié)約投資，且IP 信號壓縮編碼方式非常成熟、上下游業(yè)務以及相關設備的IP 化進程也不斷加快。這些都促使了制作系統(tǒng)IP 化必將成為電視媒體未來發(fā)展的趨勢。

運用于電視系統(tǒng)的IP 協(xié)議：

4.3.1 SMPTE ST2110-10：系統(tǒng)時序和定義

該標準規(guī)定了系統(tǒng)時序模型和所有基本流的共同要求。其中最重要的內容就是 PTP 協(xié)議、RTP 時間戳、SDP 協(xié)議三大塊。

PTP 的全稱是Precision Time Protocol（精確時間控制協(xié)議），協(xié)議的主要內容為系統(tǒng)內每個設備都應包含有一個設備內部時鐘，并通過精確時間協(xié)議給網絡上每一個設備提供一個通用的參考時鐘。

RTP 時間戳（Real-Time Transport Protocol）實時傳輸協(xié)議，發(fā)送端使用RTP 時間戳標記每個視頻、音頻和輔助數據包，用來表示采樣時間。

SDP（Session Description Protocol）會話描述協(xié)議。每個流中包含了一組元數據，會話描述協(xié)議的作用就是用來告訴接收端該如何解釋收到的數據，如傳輸視頻流時，SDP 向接收端解釋了包括分辨率、取樣格式、色彩空間等信息在內的所有相關數據。在ST2110 系統(tǒng)中，所有的信息解釋都依靠SDP。

4.3.2 SMPTE ST2110-20：無壓縮的視頻流

SMPTE ST2110-20 定義了三種傳輸流中視頻流的傳輸。該定義下傳輸的是無壓縮的視頻流，即跟SDI中傳輸的無壓縮圖像一樣，不同的是在ST2110-20 定義下視頻圖像是以像素組為單位進行傳輸的，即只傳輸視頻中有效的部分。這種傳輸方式有效地縮小了視頻圖像的數據的體積，加上傳輸十分緊密和與輔助信號分離后，釋放了更大的帶寬。

4.3.3 SMPTE ST2110-30：PCM 數字音頻

對音頻系統(tǒng)來說，SMPTE ST 2110 的主要優(yōu)勢在于與視頻領域的整合。在過去，視頻系統(tǒng)使用與 AES3或 MADI 連接的音頻語言，在接入音頻系統(tǒng)時有時必須使用 SDI 嵌入/去嵌入設備的視頻語言。由于目前音頻系統(tǒng)已經在使用網絡技術，而 ST 2110 與已為AES67 完成的工作密切相關，因此對于視頻團隊來說，采用 ST 2110 是簡化鏈接的可控補充。

4.3.4 SMPTE ST2110-40：輔助數據

與ST 2110-20、ST 2110-30 相似，ST 2110-40 指的 是 從VANC（Vertical ANC） 或HANC（Horizontal ANC）中提取輔助數據包（字幕，時間碼，廣告觸發(fā)器等），并將它們放入帶有自定義標頭的RTP數據包中。在實際集成中，字幕機和下游觸發(fā)部分的信號也以 ST 2110-40 的形式包裝。

結語

超高清視頻技術和IP 技術這兩種技術的結合應用，是廣播電視制作系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。超高清視頻技術能夠帶來更高的節(jié)目質量、帶來更好的觀看體驗，而逐漸發(fā)展成熟的IP 傳輸方式則是實現超高清節(jié)目制作的基礎。低延時、高帶寬、高速度的特性使得超高清節(jié)目制作更加方便，同時也豐富了節(jié)目的內容，給節(jié)目制作系統(tǒng)帶來了更多的可能性。

本文結合實際的應用場景，從技術層面出發(fā)，介紹了運用于電視行業(yè)的 IP 技術及其標準規(guī)范，從技術特點和國家標準規(guī)范兩方面詳細介紹了超高清視頻技術。并從實際應用出發(fā)，探討超高清視頻技術與 IP 技術相結合，實現超高清制作系統(tǒng) IP 化的條件及方式方法。