【摘要】隨著廣播電視技術(shù)的不斷演進(jìn)，4K超高清播出系統(tǒng)成為行業(yè)發(fā)展新趨勢。本文詳細(xì)研究了該系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)，包括4K音視頻的高幀率、高分辨率等特性，系統(tǒng)架構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)，以及關(guān)鍵技術(shù)如時(shí)碼控制、4K凈切換和畫面一致性比對。在此基礎(chǔ)上，文章還探討了這些技術(shù)在播出系統(tǒng)中的具體應(yīng)用和優(yōu)化策略，旨在為廣電行業(yè)提供一套高效、可靠的4K超高清播出方案，推動技術(shù)應(yīng)用普及，提升用戶體驗(yàn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】廣播電視；4K超高清；播出系統(tǒng)

中圖分類號：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.21.003

廣播電視播放技術(shù)歷經(jīng)多次革新，已初步構(gòu)建起以4K超高清播放為核心的播放體系。4K超高清技術(shù)憑借其高幀率、高分辨率以及全景聲服務(wù)的優(yōu)勢，加之出色的可視效果，深受觀眾喜愛。該技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而來，有效融合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與廣電播放技術(shù)，顯著提升了用戶體驗(yàn)?，F(xiàn)階段，國內(nèi)對于4K超高清播放技術(shù)的研究與應(yīng)用上仍處于初步探索階段，其中，面板技術(shù)方面的挑戰(zhàn)成為其深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。在此背景下，本文深入探討廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)，旨在為突破4K超高清播放技術(shù)的發(fā)展障礙，推動其在廣播電視行業(yè)的廣泛應(yīng)用提供有力支持。

1. 4K超高清音視頻的技術(shù)優(yōu)勢

1.1 分辨率與幀率的顯著提升

現(xiàn)今，4K超高清音視頻都是采用3840×2160像素作為標(biāo)準(zhǔn)分辨率，這一數(shù)值大約是傳統(tǒng)高清視頻分辨率的四倍。不僅如此，4K技術(shù)因其對高幀率的需求，如逐行掃描需超50幀，最高幀率甚至可達(dá)100至120幀，使得畫面表現(xiàn)更為逼真細(xì)膩。然而，這也帶來了對用戶帶寬和存儲容量的更高要求。

1.2 寬色域的應(yīng)用

在4K超高清音視頻中，寬色域（Wide Color Gamut， WCG）技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。寬色域技術(shù)通過擴(kuò)展顯示器或投影設(shè)備能夠顯示的顏色范圍，提供了比傳統(tǒng)高清視頻更加豐富和真實(shí)的色彩表現(xiàn)[1]。這意味著更鮮艷的紅色、更鮮亮的綠色、更深邃的藍(lán)色以及更多種類的中間色調(diào)能夠被準(zhǔn)確地還原和呈現(xiàn)。寬色域不僅增強(qiáng)了畫面的視覺沖擊力，還使得圖像更加接近人眼在自然環(huán)境中所看到的真實(shí)色彩。

1.3 高動態(tài)范圍的顯著提升

高動態(tài)范圍（High Dynamic Range， HDR）技術(shù)是4K超高清音視頻中的另一項(xiàng)重要特性。HDR通過提升畫面中的亮度和對比度范圍，使得明亮部分更加明亮，而暗部細(xì)節(jié)則更加清晰可辨。這種技術(shù)能夠顯著增強(qiáng)畫面的層次感和立體感，使得圖像更加接近真實(shí)世界中的視覺體驗(yàn)。HDR還支持更豐富的色彩表現(xiàn)，使得畫面中的色彩更加飽滿和生動。目前，HDR有多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如HDR10、Dolby Vision、HLG等，它們都在不斷提升和優(yōu)化HDR的視覺效果。

1.4 三維音頻的引入

隨著4K超高清音視頻技術(shù)的發(fā)展，三維音頻（3D Audio）也逐漸成為標(biāo)配。三維音頻技術(shù)通過模擬聲音在三維空間中的傳播特性，使得觀眾能夠更加清晰地感受到聲音的方向性、距離感和空間感。這種技術(shù)不僅增強(qiáng)了音效的沉浸感和真實(shí)感，還使得觀眾在觀看視頻時(shí)能夠更加身臨其境地感受到場景的氛圍和情感。三維音頻的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，包括基于對象的音頻、基于場景的音頻以及結(jié)合了AI技術(shù)的音頻處理等。其中，基于對象的音頻技術(shù)通過定義聲音對象在三維空間中的位置和屬性，使得聲音能夠隨著畫面和場景的變化而自由移動和變化；而基于場景的音頻技術(shù)則通過模擬整個場景的聲學(xué)特性來呈現(xiàn)聲音的立體感和空間感。

2. 4K超高清視頻播出系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 核心規(guī)劃思路

發(fā)展4K超高清視頻播出系統(tǒng)的核心目標(biāo)在于顯著提高有線電視、交互式網(wǎng)絡(luò)電視以及互聯(lián)網(wǎng)電視中超高清播出系統(tǒng)的應(yīng)用普及率，使之成為行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。為此，需積極引進(jìn)并應(yīng)用包括高性能攝像機(jī)、先進(jìn)導(dǎo)播臺、手持穩(wěn)定器等在內(nèi)的最前沿設(shè)施設(shè)備，旨在構(gòu)建一套既高度可靠又全面完善，且能夠全方位支持4K HDR全流程節(jié)目制作及直播的演播室系統(tǒng)[2]。在此過程中，需嚴(yán)格把控技術(shù)細(xì)節(jié)，以保證編碼量化值、HDR碼率等參數(shù)均達(dá)到運(yùn)行的參數(shù)要求之上，最大程度地消除編碼塊效應(yīng)，從而更好地體現(xiàn)出4K超高清視頻在分辨率、幀率、色域等方面的優(yōu)勢。

2.2 系統(tǒng)綜合架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)規(guī)劃4K超高清播出系統(tǒng)時(shí)，須嚴(yán)格遵循簡潔、可靠、高效的核心原則。該系統(tǒng)由播控、總控、整備、編單、傳輸、監(jiān)控及輔助等子系統(tǒng)構(gòu)建而成。

（1）播控系統(tǒng)：播控系統(tǒng)是4K超高清播出系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)節(jié)目的實(shí)時(shí)播出控制。它根據(jù)播出串聯(lián)單自動或手動控制節(jié)目的播出順序和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)信號切換、圖文掛角、字幕走馬和臺標(biāo)疊加等播出效果，并監(jiān)控播出過程中的服務(wù)器狀態(tài)、節(jié)目狀態(tài)，確保安全播出。該系統(tǒng)支持50 P幀頻逐行掃描，實(shí)現(xiàn)超高清節(jié)目的精準(zhǔn)播出控制，并具備應(yīng)急解決手段，確保在突發(fā)情況下能夠迅速切換信號源，保障播出安全。

（2）總控系統(tǒng)：總控系統(tǒng)是播出系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)接收、處理、分發(fā)各類信號。它接收來自演播室、衛(wèi)星、電視車和光纖網(wǎng)絡(luò)等的外來信號，對接收到的信號進(jìn)行集中處理，包括信號放大、分配、切換等，并將處理后的信號分發(fā)至各個播出頻道或系統(tǒng)模塊?？偪叵到y(tǒng)需具備高度的穩(wěn)定性和可靠性，以確保各類信號能夠準(zhǔn)確無誤地傳輸至指定位置。

（3）整備系統(tǒng)：整備系統(tǒng)負(fù)責(zé)節(jié)目素材的導(dǎo)入、處理、審核和遷移，為播出系統(tǒng)提供合格的節(jié)目素材。它支持素材文件導(dǎo)入、轉(zhuǎn)碼、審片、遷移和技審，通過自動技審和人工復(fù)審相結(jié)合，確保節(jié)目素材的質(zhì)量，并將審核通過的素材遷移至視頻服務(wù)器等待播出。整備系統(tǒng)需具備高效的素材處理能力，以快速完成大量節(jié)目素材的準(zhǔn)備工作，同時(shí)還需具備嚴(yán)格的質(zhì)量審核機(jī)制，確保播出素材的質(zhì)量[3]。

（4）編單系統(tǒng)：編單系統(tǒng)負(fù)責(zé)播出節(jié)目單的編輯和管理。編播員使用系統(tǒng)中已完成整備的節(jié)目（包括硬盤素材、圖文素材）進(jìn)行編單，將廣告單、字幕單和節(jié)目單整合為一張播出串聯(lián)單，復(fù)核無誤后將播出串聯(lián)單發(fā)送至播控系統(tǒng)加載備播。編單系統(tǒng)需具備靈活的編輯功能和強(qiáng)大的管理能力，以滿足不同播出需求，同時(shí)還需與播控系統(tǒng)緊密配合，確保播出串聯(lián)單的準(zhǔn)確無誤。

（5）傳輸系統(tǒng)：傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將節(jié)目信號從播出系統(tǒng)傳輸至接收終端（如電視機(jī)、投影儀等）。它支持多種傳輸方式（如光纖、微波、衛(wèi)星等），確保節(jié)目信號在傳輸過程中的穩(wěn)定性和可靠性，并實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸和廣泛覆蓋。隨著信號IP化技術(shù)的發(fā)展，傳輸系統(tǒng)越來越傾向于采用IP化傳輸方式，以提高傳輸效率和靈活性。

（6）監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對播出系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障排查。它監(jiān)看監(jiān)聽播出系統(tǒng)各路信號源及系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)信號的運(yùn)行情況，對異常情況（如黑場、靜幀、靜音等）進(jìn)行聲光報(bào)警，并協(xié)助技術(shù)人員迅速判斷故障位置并采取措施排除故障。監(jiān)控系統(tǒng)需具備高度的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，以確保在故障發(fā)生時(shí)能夠迅速做出反應(yīng)，同時(shí)還需具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力，以輔助技術(shù)人員進(jìn)行故障排查和修復(fù)工作。

（7）輔助系統(tǒng)：輔助系統(tǒng)為播出系統(tǒng)提供必要的支持和保障服務(wù)，包括但不限于時(shí)鐘同步系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等。它確保播出系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的時(shí)間同步和設(shè)備正常運(yùn)行，提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和電力保障。雖然輔助系統(tǒng)不直接參與節(jié)目的播出過程，但其穩(wěn)定性和可靠性對播出系統(tǒng)的整體性能有著重要影響。因此，在設(shè)計(jì)和建設(shè)輔助系統(tǒng)時(shí)，需充分考慮其冗余備份和應(yīng)急處理能力。

2.3 音視頻鏈路設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4K超高清播出系統(tǒng)的音視頻架構(gòu)建立在4路3G-SDI基帶系統(tǒng)之上，能夠自動化執(zhí)行硬盤播出、線路直播、圖文混合疊加以及應(yīng)急切換等多項(xiàng)功能，顯著提升播出效率與靈活性。系統(tǒng)采用集成度高的all in one結(jié)構(gòu)作為核心服務(wù)器，能依據(jù)節(jié)目單要求自動播出，并執(zhí)行廣告插入、字幕及臺標(biāo)添加等操作[4]。此外，系統(tǒng)還支持同構(gòu)主備及異構(gòu)二備的靈活播出模式，每條通道都能有效疊加圖文信息，并支持硬盤播出和線路直播等功能。

3. 廣播電視臺4K超高清播出系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)碼控制技術(shù)

現(xiàn)階段國內(nèi)在4K超高清播出系統(tǒng)上遵循的是GY/T307-2017標(biāo)準(zhǔn)，其中設(shè)定50 Hz的幀率掃描頻率。傳統(tǒng)的播控系統(tǒng)一般都是采用25 P播出控制邏輯的幀頻掃描技術(shù)，但這種掃描頻率僅適用于高清或標(biāo)清播放系統(tǒng)，無法直接應(yīng)用于4 K超高清播出系統(tǒng)。為了確保4K超高清播放系統(tǒng)的順利實(shí)現(xiàn)，必須采用新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一些技術(shù)人員在設(shè)計(jì)工作中選擇了基于50 P播出邏輯的幀頻掃描方法，他們在原有的系統(tǒng)播出控制邏輯基礎(chǔ)上進(jìn)行了幀頻掃描技術(shù)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出新的幀頻掃描方法。該創(chuàng)新技術(shù)為播控軟件高效、準(zhǔn)確地識別50 P文件提供了技術(shù)支撐，使得系統(tǒng)能夠?qū)⒄_的幀精度播控指令傳遞給播放設(shè)備，從而保障播放系統(tǒng)的有序運(yùn)行。

例如，在處理50P素材時(shí)，系統(tǒng)通過VDCP協(xié)議轉(zhuǎn)換Play與Cue的掃描指令信息，并將這些指令發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器按照指令進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)精確的邏輯控制。指令到達(dá)服務(wù)器后，系統(tǒng)準(zhǔn)確識別指令幀位置，再將其轉(zhuǎn)換后展示成LCT+VITC格式畫面。系統(tǒng)還可以根據(jù)文件時(shí)碼軌，定位LTC和VITC數(shù)據(jù)，為觀眾呈現(xiàn)更加優(yōu)質(zhì)的畫面，從而大幅提升了播放效果，滿足了觀眾的觀看體驗(yàn)需求。

3.2 4K凈切換技術(shù)

考慮到4K信號傳輸對于Qua-link技術(shù)的依賴程度，4K超高清播出系統(tǒng)通常采用的配置是四路4K信號，此配置策略成功應(yīng)對并解決了可能會出現(xiàn)的信號凈切換問題。配置系統(tǒng)時(shí)于鏈路末端部署4臺雙路二選一倒換器，每臺倒換器都需要配備多個3G-SDI輸入/輸出端口，以滿足多樣化信號的傳輸需求。此外，系統(tǒng)還由4臺具備幀同步功能的3G四選一切換設(shè)備構(gòu)成，這些設(shè)備支持凈切換操作，為信號的精準(zhǔn)切換提供了有力保障[5]?？刂葡到y(tǒng)的核心技術(shù)是CPI，它能夠更精準(zhǔn)地完成四路信號的凈切換，從而保障了播出質(zhì)量。

3.3 畫面一致性比對技術(shù)

在4K超高清播出系統(tǒng)中，畫面一致性比對技術(shù)發(fā)揮著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的播放系統(tǒng)主要依賴KPI功能對播放畫面進(jìn)行監(jiān)控，但這種方法常常導(dǎo)致報(bào)警延遲，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。為了解決這一問題，4K畫面一致性比對技術(shù)的引入顯得尤為重要。這項(xiàng)技術(shù)通過采集4路4K信號，并利用真值邏輯對信號進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對故障的準(zhǔn)確判斷。在監(jiān)控過程中，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)4K信號視頻監(jiān)控中的視頻丟失問題，如畫面出現(xiàn)藍(lán)場、黑場、綠場以及各種顏色的斑點(diǎn)等。同時(shí)，音頻檢測功能能夠識別音頻反相、視頻靜音以及音量不穩(wěn)定等問題。在構(gòu)建4K超高清播出系統(tǒng)時(shí)，可以充分運(yùn)用信號一致性比對技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)音視頻指紋的有效采集與提取，我們專門設(shè)計(jì)了與3G-SDI BNC輸入端口相匹配的連接方法，并配備了足夠數(shù)量的端口（通常為12個），從而確保了畫面一致性比對的準(zhǔn)確性，并為4K信號的穩(wěn)定傳輸提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。值得注意的是，第四路信號作為墊片，其格式與其他信號有所不同，因此無須進(jìn)行一致性比對，只需直接設(shè)計(jì)其傳輸方式即可。在進(jìn)行畫面比對時(shí)，設(shè)備專注于兩路信號中相同位置的四分之一畫面進(jìn)行對比。一旦發(fā)現(xiàn)畫面有差異，系統(tǒng)即判斷4K信號存在問題。對于三路信號，系統(tǒng)采用兩兩比對策略，以確保畫面一致性比對的準(zhǔn)確性。此外，4K超高清播出系統(tǒng)配備了高效的畫面一致性比對工具，能精確檢測并比對4K信號的差異，包括插幀、聲音和信號延時(shí)等問題，為操作人員提供可靠的數(shù)據(jù)支持，便于進(jìn)行畫面分析。

在4K廣播電視臺的節(jié)目播放中，畫面一致性比對技術(shù)遵循一套特定的邏輯機(jī)制：當(dāng)檢測到單路信號內(nèi)容存在差異，但其他兩路信號保持一致時(shí)，KPI報(bào)警設(shè)備將保持靜默狀態(tài)，不會切換到備選畫面。倘若畫面出現(xiàn)單路信號內(nèi)容存在差異且兩路信號不一致的現(xiàn)象時(shí)，KPI報(bào)警就會開始工作，此時(shí)需要將畫面切換到備用畫面。如果三路畫面均不一致且無KPI報(bào)警，則不需要進(jìn)行畫面的切換。但如果三路畫面不一致并出現(xiàn)KPI報(bào)警現(xiàn)象時(shí)，則需要進(jìn)行畫面的切換。在這一過程中，系統(tǒng)能夠按照主→備→二備的順序進(jìn)行備用畫面的切換，確保了畫面切換的穩(wěn)定性。畫面一致性比對技術(shù)為播出系統(tǒng)控制4K信號提供了可靠的方法。結(jié)合比對結(jié)果，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)畫面的實(shí)時(shí)動態(tài)轉(zhuǎn)換目標(biāo)，并及時(shí)針對運(yùn)行故障進(jìn)行處理，保障播出安全性。目前，4K超高清電視播放技術(shù)并不完善，相關(guān)的建設(shè)方案和技術(shù)算法也存在缺陷。由于缺少現(xiàn)實(shí)的案例支持，相關(guān)技術(shù)仍處于探究階段。為了將這些技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際播放中，我們需要開展多次試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)技術(shù)缺陷并進(jìn)行完善。這樣可以大幅提升技術(shù)應(yīng)用的可行性，為4K超高清電視播放技術(shù)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4. 結(jié)束語

本文全面探討了廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)。從4K超高清音視頻的技術(shù)規(guī)格出發(fā)，詳細(xì)分析了播出系統(tǒng)的核心規(guī)劃思路、系統(tǒng)綜合架構(gòu)設(shè)計(jì)以及音視頻鏈路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。同時(shí)，深入研究了時(shí)碼控制技術(shù)、4K凈切換技術(shù)和畫面一致性比對技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。通過這些研究，本文旨在為廣播電視4K超高清播出系統(tǒng)的發(fā)展提供有力支持，推動其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛普及，進(jìn)而提升觀眾的觀看體驗(yàn)，促進(jìn)廣播電視行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

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