【摘要】2021年2月中央廣播電視總臺(tái)首個(gè)8K超高清試驗(yàn)頻道播出，并進(jìn)行了8K牛年春晚的直播。“十四五”開(kāi)局之年，8K超高清技術(shù)正在以迅雷不及掩耳之勢(shì)闖入公眾視野。本文主要介紹了IP技術(shù)在此次春晚8K超高清試驗(yàn)頻道播出系統(tǒng)中的應(yīng)用和創(chuàng)新。
【關(guān)鍵詞】8K試驗(yàn)頻道 IP化 國(guó)產(chǎn)無(wú)壓縮IP服務(wù)器 IP信號(hào)切換控制
2021年2月1日，中央廣播電視總臺(tái)8K超高清電視頻道試驗(yàn)開(kāi)播。總臺(tái)作為國(guó)際一流的新型主流媒體，體量規(guī)模大、業(yè)務(wù)形態(tài)多、覆蓋范圍廣，并以2022年北京冬奧會(huì)為契機(jī)，大力實(shí)施5G+4K/8K+AI戰(zhàn)略。在牛年除夕之夜，總臺(tái)通過(guò)8K超高清試驗(yàn)頻道對(duì)央視春晚進(jìn)行了直播，這也是全世界8K超高清電視領(lǐng)域的首次直播！
一.技術(shù)概要
科技發(fā)展日新月異，雖然電視進(jìn)入尋常百姓生活不過(guò)短短幾十年，但視頻技術(shù)進(jìn)步的腳步始終沒(méi)有停下。從標(biāo)清電視信號(hào)、高清電視信號(hào)，到4K和8K超高清電視信號(hào)，每一次技術(shù)變革都將用戶(hù)的視覺(jué)體驗(yàn)上升至新的高度。視頻技術(shù)的重要性和意義已經(jīng)不言而喻。面對(duì)8K電視技術(shù)的興起，以中國(guó)、歐美、日韓為主的各國(guó)紛紛對(duì)其積極探索，呈現(xiàn)出一片百花齊放的態(tài)勢(shì)。
2019年《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019-2022年）》中指出，按照“4K先行，兼顧8K”的總體技術(shù)路線(xiàn)，大力推進(jìn)超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。 2020年《超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2020版）》強(qiáng)調(diào)超高清視頻產(chǎn)業(yè)具有產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、涉及范圍廣、跨領(lǐng)域綜合性強(qiáng)等特性，正式形成全新復(fù)雜的生態(tài)體系。2021年年初發(fā)布的《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（暫行）》涵蓋了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、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)要求等各個(gè)方面。
IP技術(shù)在廣電領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用多時(shí)。雖然SDI架構(gòu)形式具有無(wú)壓縮、不丟幀和運(yùn)用多年技術(shù)相對(duì)成熟的優(yōu)勢(shì)，但其在大型系統(tǒng)中卻存在布線(xiàn)復(fù)雜和配置不靈活的弊端。IP架構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)度，在復(fù)雜業(yè)務(wù)的管理上存在優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的得到廣電領(lǐng)域的青睞。無(wú)壓縮視音頻IP化的傳輸形式，經(jīng)過(guò)多年的工程驗(yàn)證，已具備實(shí)用性、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化、易維護(hù)和擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，可與基帶系統(tǒng)兼容，實(shí)現(xiàn)資源共享，滿(mǎn)足統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)和輕量化播出的需求。
雖然IP化的認(rèn)可度越來(lái)越高，但是要實(shí)現(xiàn)從采集、制作到播出、存儲(chǔ)和最后分發(fā)的全流程IP化，目前仍存在一系列問(wèn)題，如鏈路帶寬壓力大、系統(tǒng)交換能力瓶頸限制、 PTP精準(zhǔn)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，這需要廣電人在未來(lái)的研究探索中一一去攻克。
國(guó)際上現(xiàn)行SMPTE、ASPEN、AIMS、AVB等多個(gè)組織聯(lián)盟，目前多數(shù)廠商設(shè)備均支持SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)，使其漸成為電視臺(tái)播出系統(tǒng)IP化進(jìn)程中的主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)行的SMPTE 2110包括如下子標(biāo)準(zhǔn)：
· SMPTE ST 2110-10：基本結(jié)構(gòu)與時(shí)序
· SMPTE ST 2110-20：無(wú)壓縮視頻流
· SMPTE ST 2110-21：無(wú)壓縮視頻的業(yè)務(wù)量控制和傳輸定時(shí)
· SMPTE ST 2110-22：淺壓縮壓縮視頻流
· SMPTE ST 2110-30：無(wú)壓縮PCM音頻流
· SMPTE ST 2110-31: 非PCM音頻流/AES3透?jìng)?br />
· SMPTE ST 2110-40: 輔助數(shù)據(jù)流
二. IP技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用
1. IP技術(shù)于播出系統(tǒng)鏈路的應(yīng)用
8K超高清播出系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)施階段，面臨眾多應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)主要具備如下特點(diǎn)：
· 支持信號(hào)直播和文件播出
· 支持HDR、SDR之間的轉(zhuǎn)換
· 支持基帶信號(hào)和無(wú)壓縮IP信號(hào)，支持兩種信號(hào)相互轉(zhuǎn)換；
· 具有較高的通用性標(biāo)準(zhǔn)，可兼容第三方設(shè)備的接入；8K超高清試驗(yàn)頻道播出系統(tǒng)架構(gòu)采用SDI和無(wú)壓縮IP的混合架構(gòu),其中 IP鏈路采用四路SMPTE 2110標(biāo)準(zhǔn)作為封裝調(diào)度參考依據(jù)，SDI鏈路采用四路12G信號(hào)進(jìn)行傳輸。整個(gè)8K畫(huà)幅采用SQD的拼接方式，由左上（LT）、右上（RT）、左下（LB）、右下（RB）4個(gè)子畫(huà)面組合而成。 CCTV 8K超高清試驗(yàn)頻道播出系統(tǒng)的視音頻鏈路滿(mǎn)足
主備路備份的基礎(chǔ)要求，按照基帶和IP流的混合鏈路設(shè)計(jì)原則，其中IP鏈路采用國(guó)產(chǎn)無(wú)壓縮IP視頻服務(wù)器，以SDI/IP信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、視頻服務(wù)器、IP信號(hào)調(diào)度交換機(jī)為核心組網(wǎng)設(shè)備，按需從核心交換機(jī)調(diào)取IP信號(hào)流進(jìn)行處理。 SDI鏈路以視頻服務(wù)器為核心，視頻服務(wù)器前后環(huán)節(jié)設(shè)置SDI/IP信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，按需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行封裝/解封裝操作。系統(tǒng)末級(jí)輸出的IP信號(hào)、SDI信號(hào)分送至總控系統(tǒng)。
圖1 春晚直播播出系統(tǒng)鏈路圖
信號(hào)轉(zhuǎn)換單元在系統(tǒng)播出鏈路中具備以下幾個(gè)功能：
· 負(fù)責(zé)基帶SDI信號(hào)和無(wú)壓縮視音頻IP流信號(hào)間的雙向信號(hào)格式轉(zhuǎn)換。單臺(tái)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元具備四個(gè)Processor。在UHD模式下，兩個(gè)Processor支持一路8K信號(hào)處理，單臺(tái)設(shè)備最大支持兩路8K信號(hào)。每臺(tái)設(shè)備在輸出一路2110標(biāo)準(zhǔn)無(wú)壓縮4K視頻信號(hào)的同時(shí)，還可支持一路2110標(biāo)準(zhǔn)無(wú)壓縮1.5G高清視頻信號(hào)。其中左上LT同時(shí)輸出兩路音頻流和一路輔助數(shù)據(jù)流，右上RT同時(shí)輸出兩路音頻流，并采用100G光接口對(duì)接IP信號(hào)調(diào)度核心交換機(jī)。
· 負(fù)責(zé)NAT地址轉(zhuǎn)換。4臺(tái)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)將總控IP地址和播出域內(nèi)指定IP地址進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。
· 具備信號(hào)應(yīng)急凈切換的能力。在系統(tǒng)的外來(lái)信號(hào)輸入選切以及末級(jí)輸出選切應(yīng)用上層管控，設(shè)置應(yīng)急切換節(jié)點(diǎn)，在播出信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)具備倒換他路信號(hào)的能力，保障系統(tǒng)安全性。
2. IP技術(shù)于視頻服務(wù)器的應(yīng)用
傳統(tǒng)播出視頻服務(wù)器主要集中在國(guó)外幾家視頻服務(wù)器品牌，在8K超高清試驗(yàn)頻道項(xiàng)目建設(shè)之初，產(chǎn)品設(shè)備選型較少，項(xiàng)目實(shí)施方案和業(yè)務(wù)流程方案可供借鑒的案例不多。此次，總臺(tái)播出系統(tǒng)嘗試與國(guó)產(chǎn)無(wú)壓縮IP服務(wù)器廠商合作，采用VIPS-8K-IP播出視頻服務(wù)器和FMS-8K-IP播出視頻服務(wù)器，構(gòu)建出完整8K播出系統(tǒng)架構(gòu)，并在高精度同步控制等關(guān)鍵技術(shù)取得突破性進(jìn)展。
大洋VIPS-8K-IP播出視頻服務(wù)器采用IP技術(shù)，輸出信號(hào)符合高動(dòng)態(tài)范圍、寬色域、IP無(wú)壓縮信號(hào)傳輸相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)4路4K IP信號(hào)碼流的輸入輸出，4路4K文件播出的功能；實(shí)現(xiàn)了外來(lái)信號(hào)與本地文件凈靜切換的功能。服務(wù)器采用All In One架構(gòu)，無(wú)需借助外部字幕機(jī)即可實(shí)現(xiàn)單機(jī)上臺(tái)標(biāo)或掛角的功能。
新奧特FMS-8K-IP視頻服務(wù)器采用 All in one架構(gòu)，輸出信號(hào)符合高動(dòng)態(tài)范圍、寬色域、IP無(wú)壓縮信號(hào)傳輸相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。支持2路8K IP信號(hào)輸入、1路8K IP信號(hào)輸出，支持立體聲及DolbyE透?jìng)鳌?/p>
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中也針對(duì)服務(wù)器部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行充分研究，比如8K播出中4通道4K同步播出時(shí)輸入輸出信號(hào)的對(duì)齊問(wèn)題；服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)PTP環(huán)境要求較高等問(wèn)題。視頻服務(wù)器的健壯性和IP信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，是未來(lái)8K全I(xiàn)P化要面對(duì)的挑戰(zhàn)。
3. IP技術(shù)于監(jiān)看系統(tǒng)鏈路的應(yīng)用
信號(hào)級(jí)監(jiān)看此次采用IP多畫(huà)面設(shè)計(jì)，單臺(tái)信號(hào)轉(zhuǎn)化單元在HD-MV模式下，使用32路高清無(wú)壓縮IP信號(hào)輸入， 2路display大屏輸出。信號(hào)轉(zhuǎn)化單元與2臺(tái)IP信號(hào)調(diào)度核心交換機(jī)相互聯(lián)通，將采用的2110標(biāo)準(zhǔn)無(wú)壓縮1.5G高清信號(hào)，通過(guò)配置相應(yīng)組播地址以及display的布局進(jìn)行畫(huà)面分割、上屏監(jiān)看。
圖2 8K系統(tǒng)IP信號(hào)監(jiān)聽(tīng)監(jiān)看鏈路圖
技監(jiān)級(jí)IP流技術(shù)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)通過(guò)示波器Pr i sm和Inspect IP碼流檢測(cè)儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。Prism和Inspect IP碼流檢測(cè)儀支持SMPTE 2110標(biāo)準(zhǔn)4K信號(hào)輸入，與2臺(tái)IP信號(hào)調(diào)度核心交換機(jī)相互聯(lián)通，通過(guò)配置相應(yīng)組播地址對(duì)鏈路中任意IP碼流進(jìn)行監(jiān)看；Wohler支持SMPTE 2110標(biāo)準(zhǔn)高清信號(hào)輸入，從IP信號(hào)調(diào)度核心交換機(jī)獲取信號(hào)，進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。
（1） 對(duì)8K信號(hào)IP流監(jiān)看方式的探討
受限于設(shè)備支持情況，目前IP信號(hào)指標(biāo)的監(jiān)看只可選擇PGM畫(huà)面中LT、RT、LB、RB任意單路信號(hào)流進(jìn)行監(jiān)看分析，就此問(wèn)題存在以下兩種技術(shù)路線(xiàn)可以?xún)?yōu)化。一可以考慮淺壓縮的技術(shù)路線(xiàn)。目前淺壓縮8K傳輸方案正逐漸發(fā)展，有望成為未來(lái)主流的8K信號(hào)IP調(diào)度封裝方式。通過(guò)增加JPEG XS功能，對(duì)8K信號(hào)進(jìn)行淺壓縮，節(jié)省接入帶寬，同時(shí)可對(duì)淺壓縮8K信號(hào)進(jìn)行完整分析。另一種改進(jìn)方式是在核心交換機(jī)內(nèi)增加多路IP探針設(shè)備，增加后臺(tái)對(duì)指定4K信號(hào)的監(jiān)看行為，并結(jié)合示波器進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)。
4. IP技術(shù)的 8K信號(hào)交換調(diào)度機(jī)制
（1）現(xiàn)有交換調(diào)度機(jī)制
目前8K超高清試驗(yàn)頻道基于PIM及OSPF協(xié)議下，使用常規(guī)三層組播分發(fā)的機(jī)制進(jìn)行組播分發(fā)，大致過(guò)程如下：
· 信號(hào)源向交換機(jī)發(fā)送組播信號(hào)并進(jìn)行注冊(cè)，交換機(jī)確認(rèn)并記錄組播信號(hào)源路徑。
· 目的設(shè)備向交換機(jī)發(fā)起IGMP申請(qǐng)
· 交換機(jī)基于PIM的組播調(diào)度機(jī)制，根據(jù)收到的申請(qǐng)確認(rèn)并建立目的路徑
· 連接源路徑與目的路徑，逐級(jí)添加組播表項(xiàng)
· 建立組播轉(zhuǎn)發(fā)
（2）交換調(diào)度方式的探討
基于PIM的組播調(diào)度機(jī)制經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐已然證明其穩(wěn)定性和可靠性，此機(jī)制下通過(guò)基于交換機(jī)硬件的無(wú)阻塞管理功能，增加針對(duì)終端接入和組播的限制，指定各個(gè)接口可收發(fā)組播列表，同時(shí)限制指定組播的帶寬，實(shí)現(xiàn)IP交換系統(tǒng)的安全性提升。同時(shí)還可以通過(guò)引入SDN機(jī)制實(shí)現(xiàn)交換系統(tǒng)的管控與轉(zhuǎn)發(fā)分離。由SDN系統(tǒng)直接向交換機(jī)下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)指定路由的組播轉(zhuǎn)發(fā)、單組播帶寬限制、信源/目的設(shè)備的組播白名單管理功能以及IP調(diào)度系統(tǒng)的無(wú)阻塞功能，提高可管控調(diào)度能力和系統(tǒng)安全性。SDN機(jī)制通過(guò)軟件定義信號(hào)通路，將基礎(chǔ)硬件與業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)分離、將控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，更利于網(wǎng)絡(luò)的集中管控。但其在初期部署和運(yùn)行后調(diào)整過(guò)程較為復(fù)雜，同時(shí)SDN算法的穩(wěn)定性與經(jīng)過(guò)幾十年時(shí)間的傳統(tǒng)組播調(diào)度方式相比，更加依賴(lài)于SDN廠家的技術(shù)實(shí)力。
三. IP信號(hào)切換機(jī)制
1. 單路凈靜切換方式
圖3 MBB處理方式機(jī)制
8K超高清試驗(yàn)頻道播出系統(tǒng)采用交換機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)度，網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)切換的設(shè)計(jì)思路。本次選用的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品在凈靜切換功能的實(shí)現(xiàn)上采用如圖3所示的MBB（make-before-break）處理方式，即先加入后離開(kāi)的處理方式。當(dāng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備收到切換指令，并不當(dāng)即釋放掉正在使用的一路組播信號(hào)，而是先通過(guò)IGMP協(xié)議向交換機(jī)申請(qǐng)下一條IP信號(hào)碼流，等待下一個(gè)組播信號(hào)的到來(lái)，此刻兩路信號(hào)會(huì)出現(xiàn)短暫的同時(shí)共存現(xiàn)象，之后實(shí)行凈靜切換的操作將上一條組播信號(hào)做完全釋放操作。此過(guò)程相較BBM （break-before-make）先斷后切機(jī)制可實(shí)現(xiàn)單路信號(hào)的平滑凈靜切換輸出功能。
2. IP化8K信號(hào)切換過(guò)程實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)調(diào)度控制層面主要由SDNO服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，該服務(wù)器主要用于獲取并存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)全部信源和目的通道參數(shù)，并接收面板切換指令、根據(jù)面板指令觸發(fā)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)通道參數(shù)的調(diào)整和信號(hào)的接收。協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的信源設(shè)備和目的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)IP系統(tǒng)信號(hào)調(diào)度。
目前8K超高清試驗(yàn)頻道的切換過(guò)程如圖4所示：
圖4 IP信號(hào)切換控制圖
· 由SDNO服務(wù)器獲取信源通道信源信息，對(duì)于SDNO可管控的設(shè)備（如網(wǎng)關(guān)）信源通道信息由設(shè)備上報(bào)方式錄入，對(duì)于SDNO非可管控信源設(shè)備（如視頻服務(wù)器，包裝服務(wù)器）通道信息通過(guò)手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)錄入。
· 由面板觸發(fā)切換指令
· SDNO服務(wù)器將指定切換信源參數(shù)信息發(fā)送給目的設(shè)備
· 目的設(shè)備根據(jù)SDNO指令對(duì)接收通道參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整內(nèi)容包括視音頻格式，組播地址等。
· 目的端設(shè)備根據(jù)組播參數(shù)向交換機(jī)發(fā)起IGMP申請(qǐng)
· 交換機(jī)根據(jù)IGMP申請(qǐng)建立組播轉(zhuǎn)發(fā)
· 目的設(shè)備接收到組播并進(jìn)行相應(yīng)處理。
3. IP化8K信號(hào)切換方式的探討
目前系統(tǒng)內(nèi)涉及8K信號(hào)切換的環(huán)節(jié)主要集中于以下兩種場(chǎng)景：
· All in one視頻服務(wù)器對(duì)于兩路輸入信號(hào)之間的切換。
· 系統(tǒng)末級(jí)主備信號(hào)的2×1應(yīng)急凈切換。
基于現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展情況，8K整畫(huà)幅信號(hào)的凈切換可以考慮兩種技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行探索。一種可以在控制層面實(shí)現(xiàn)通道綁定，由網(wǎng)關(guān)設(shè)備自行實(shí)現(xiàn)4通道齊切，做到8K信號(hào)凈切換。另一條技術(shù)路線(xiàn)可通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換。路由器可對(duì)組播信號(hào)的源地址，目的地址及端口號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，路由器識(shí)別2110信號(hào)幀尾IP包中的mark位，準(zhǔn)確識(shí)別幀結(jié)束點(diǎn)，并在此包結(jié)束后立即接入下一路信號(hào)幀首數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)凈切換。在NAT地址轉(zhuǎn)換及幀尾切換的基礎(chǔ)上，路由器將IP包序列號(hào)重新梳理，避免造成設(shè)備因兩路信號(hào)序列號(hào)不連續(xù)產(chǎn)生丟包報(bào)警，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)視頻信號(hào)的凈切。
圖5 8K實(shí)驗(yàn)頻道播出系統(tǒng)實(shí)景圖
四.總結(jié)
目前電視制播系統(tǒng)正在逐步實(shí)現(xiàn)傳輸級(jí)和交換級(jí)的IP化，技術(shù)愈發(fā)成熟，主要應(yīng)用的傳輸協(xié)議、傳輸接口、交換設(shè)備在4K播出系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用，在此次8K超高清試驗(yàn)頻道系統(tǒng)中相關(guān)技術(shù)又得到進(jìn)一步驗(yàn)證。筆者認(rèn)為待全I(xiàn)P產(chǎn)品豐富市場(chǎng)、在進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試論證安全性和功能性后，8K系統(tǒng)的全I(xiàn)P化是完成可期的。
8K融入人們生活的趨勢(shì)勢(shì)不可擋。相信隨著5G技術(shù)的普及和高分辨率屏幕的陸續(xù)推出，在不遠(yuǎn)的將來(lái)， 5G+8K必然會(huì)走進(jìn)我們這一代人的生活。B&P