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4K超高清電視播出技術研究

2022-12-02 徐儉依馬獅視聽工場

【摘要】以城市電視臺制播技術人員視角，主要從4K UHD（超高清）電視播出的技術選型原則、基帶視音頻信號格式、4K-IP協議、設備現狀、技術架構、相關制作技術規范等方面，對4K超高清電視播出技術進行一些研究和分析。

【關鍵詞】 4K超高清電視播出 12G-SDI格式 ST2110協議 4K UHD與HD同播 4K UHD節目制作規范

在媒體深度融合的新時代，隨著廣播電視制播技術在4K/8K UHD（超高清）、沉浸式音頻、IP化等方面的不斷發展，4K UHD電視節目在圖像分辨率、亮度動態范圍、色域空間、三維音頻等方面質量已有極大的提高。作為區域主流媒體，城市電視臺為滿足區域受眾更高質量的視聽需求，也為增強自身的核心競爭力，開播本地4K UHD電視頻道勢在必行。對4K超高清電視播出技術進行研究和分析，為城市電視臺設計和建設4K超高清電視播出系統提供技術解決方案，是城市電視臺制播技術人員面臨的一項重要使命和緊迫任務。

一．4K UHD電視播出技術選型原則

1.先進性

應遵循國標和國際標準，滿足廣電行業標準，可參照央視《4K UHD電視節目制作技術規范》和《4K UHD、HD（高清）電視節目同播技術規范》要求，制定出本臺播出文件編碼和封裝統一規范，避免在采編播環節多次編解碼。播出域4K基帶視音頻信號格式和4K UHD電視播出技術架構需對純基帶、純IP、IP+基帶等模式作出選擇，其中，4K基帶需對4×3G-SDI和12G-SDI作出選擇，4K-IP需對ST 2110和ST 2022作出選擇。制作域和播出域間可基于IP網絡，經由安全隔離設備雙向傳輸4K-IP/12G等多格式的多數據流。

2.可靠性

應采用多種安全備份技術和應急處理機制，保證播出系統整體構架安全可靠。核心系統及關鍵設備均采用1+1主備架構，無單潰點；應確保系統功能完善，架構及流程合理，具有冗余容錯和應急處理能力，應急操作流程簡捷規范，主備信號自動無縫切換；應支持故障自動檢測與報警，確保迅速排除故障，保證系統穩定可靠運行。

3.易用性

應兼顧傳統用戶操作使用習慣，做到操作使用界面友好，設備操作直觀便捷、易于掌握、調配靈活。

4.兼容性

4K UHD電視播出系統的信源處理及末級輸出應兼容高清視頻信號，軟件與固件可平滑升級。為實現4K UHD超高清節目與HD高清節目高質量同播，應確保從4K UHD信號源、到切換、到最終輸出信號的一致性和色彩還原最優，并保證4K/HDR和下變換的HD/SDR節目質量。

5.可擴展性

在保證基本配置前提下，應在系統整體框架、系統接口及其設備等方面預留擴容和升級空間、設備擴展空間與信號接口。

二．4K UHD電視播出基帶視音頻信號格式

1.4×3G-SDI格式

采用4×3G-SDI非壓縮4K基帶視音頻信號格式的4K UHD電視播出系統，其視頻服務器、視分、幀同步器、切換器、編碼器等設備采用支持4×3G-SDI/4K格式的3G產品，每路信號采用4臺設備或4塊3G板卡。其優勢是：設備成熟，可搭建出傳統架構的4K UHD電視播出系統。劣勢是：系統線纜和設備太多，部署成本高；4根線傳輸4×3G-SDI信號，長期運行會引起同步漂移，需定期逐個環節檢查同步，運維管理方式倒退，遲早會被12G-SDI和基帶IP技術替代。

2.12G-SDI格式

12G-SDI/4K非壓縮基帶視音頻信號格式相比4×3G-SDI /4K格式，減少了線纜數量，其優勢是：信號架構沿用單線同軸模式，目前已具有切換器、鍵控器、多畫面、矩陣、幀同步器等產品，搭建的4K UHD電視播出系統可快速上線，人員易適應，運維管理可沿用傳統模式，性價比高。劣勢是：12G-SDI傳輸距離受限（超高清同軸電纜傳輸距離＜100米），更遠距離需采用光纖傳輸，跳線環節會引入約20%衰減量。在末級采用4×1、且背板支持繼電器方式掉電旁通模式下，為減少信號傳輸衰減，可考慮取消絕大部分跳線環節。

3.4K UHD電視播出視音頻參數

4K UHD電視播出視音頻參數值的配置情況詳見表1和表2。

4K超高清電視播出技術研究

表1 4K UHD視音頻參數值配置

4K超高清電視播出技術研究

表2 音頻聲道配置

三．4K UHD電視播出4K-IP協議

1.4K-IP協議的優劣勢

4K-IP架構的4K UHD電視播出系統需要25G、40G、100G等高帶寬傳輸網絡的支持，相比于基帶SDI方式，4K-IP架構的優勢是：在ST2110協議下，一根光纖可復用多個信號，可減少布線空間及成本，遠距離傳輸信號質量可由單模光纖傳輸來保證。IP協議與信號本身格式無關，所有播出信號可在一個交換機內調度。播出設備軟件化，系統更靈活、更好支持資源共享、更好適配融媒體業務。4K-IP架構的劣勢是：不同于靜態路由的SDI架構，動態路由的IP架構可控性差，信號傳輸過程中無法實現所見即所得；必須引入動態路由容錯的ST2022-7協議，這會增加系統成本；過度依賴軟件，以PTP為例，雖具備master/slave安全機制，但工作時完全依賴設備、交換機、時鐘源間的自動協商，存在失效風險；在管理模式上，原有基于SDI的運維管理和應急操作模式不再適用，需要合理配置4K-IP系統交換機和路由器的網絡參數，做好各個節點的IP地址管理及交換機維護工作，系統運維和管理人員需要實踐和適應新的運維管理技術或模式。

2.ST2022協議族

ST2022-5：采用前向糾錯方式在IP網絡上傳輸高碼率視音頻信號，ST2022-6：實現嵌入音頻SDI視音頻數據IP封裝的協議，沿用BB，無需PTP同步即可工作，4K-IP系統采用基帶視頻和嵌入音頻非分離組播的IP數據包。ST2022-7：實現主備IP鏈路無縫路由切換保護機制，支持IP數據流傳輸的鏈路冗余。ST2022-8：基于TR04的音視頻單獨封裝標準，其音頻數據IP化封裝采用AES67協議。ST2059：定義視音頻IP設備如何采用PTP系統時鐘來實現同步。

3.ST2110標準集

ST2110無壓縮標準集是實現視頻數據、音頻數據和元數據獨立IP封裝的協議，需要PTP同步才能工作。基于ST2110無壓縮12G IP數據封裝協議的全IP化4K UHD電視播出系統將視頻、音頻、輔助數據分成具有獨立組播地址的IP數據包，通過交換機在播出網中傳輸交換，在接收端基于PTP時基信號正確重組所有節目信息。ST-2110-10：定義基本的傳輸機制，包括PTP系統時鐘和視頻、音頻、輔助數據的同步定時關系（協議）。ST2110-20：無壓縮高清、超高清4K及8K等視頻映射方案，ST2110-21：無壓縮活動視頻流量整形和交付時序，通過提高視頻發流效率以解決擁塞問題。ST2110-22：壓縮的恒定比特率視頻流，在ST2110-20框架下實現壓縮恒定視頻數據流的IP傳輸辦法及壓縮編碼方案。ST2110-23：實現多個ST2110-20視頻數據流與單個高帶寬視頻數據流之間復合/分割傳輸的方法，定義ST2110-23各子流的約束、分組、尋址、RTP時間戳等內容。ST2110-30：無壓縮音頻映射方案，其音頻數據IP化封裝兼容AES67協議。ST2110-40：輔助數據和元數據映射方案。

4.NMOS系列控制標準

NMOS（網絡媒體開放規范）系列控制標準定義了視音頻IP設備在網絡內如何自發現、注冊等機制，最終服務于統一的網絡管理需求，解決制播網內不同廠家設備接入交換機后的彼此互聯互通，通過SDN（軟件定義網絡）完成注冊發現、深度控制管理、兼容工作等問題。IS-04：設備發現規范，用于自動發現源端和目的端設備及其信號數據組播流的協議。IS-05：設備連接管理規范，允許不同廠家設備之間開放信號數據發送方和接收方設備配置文件的協議。IS-06：網絡API控制器，通過SDN與網絡設備達成握手協議，由網絡控制器為其上層的SDN提供北向API網絡應用接口，以便為SDN提供全網數據監管和網控服務，使SDN能夠控制網絡路由交換設備。IS-07：GPI事件和統計記錄，SDN通過GPI Tally/UMD等IP數據流獲取并跟蹤媒體節點發出的狀態變化信息。IS-08：音頻重新映射，通過SDN控制終端設備實現其內部音頻通道自由映射和調配功能。

四．4K UHD電視播出設備現狀

1.4K播出視頻服務器

可選擇支持12G/SDI信號的進口哈雷4K播出視頻服務器，目前每臺單機只支持1個通道編解碼，多通道應用需要外置存儲和擴展專用主機。國產主流4K播出視頻服務器則是集播控、切換、圖文、字幕等功能于一體的All-In-One架構的IP/12G SDI視頻服務器，可將其用于備份播出鏈路。

4K播出文件封裝格式應采用MXF OP-1a，其視頻編碼格式除幀內編碼的XAVC-I外，還有XAVC-L long GOP的200Mb/s格式，但對計算性能要求太高。哈雷、imagine、GV等進口視頻服務器只支持500Mb/s的XAVC-I Class300視頻編碼格式/MXF OP-1a封裝格式的4K播出文件，該視頻編碼格式是制作域4K文件視頻編碼格式，對播出域帶寬、存儲容量壓力巨大。

2.4K/12G-SDI矩陣

可選擇支持冗余交叉點板的16×16規模的4K/12G-SDI矩陣產品。

3.SDN交換機

華為已發布支持25G/100G端口的路由器，支持凈切換，但不支持靜切換。H3C已發布支持25G/100G端口的SDN交換機，但不支持凈/靜切換。

4.SDN管理軟件

SDN核心技術Open Flow通過將網絡設備控制平面與數據平面分離，實現網絡流量的靈活智能控制。從SDI向IP過渡是從靜態架構向動態架構的轉變，傳統制播網絡設計提倡去中心化，而SDN應用于制播網絡時則提倡中心化，但基于SDN的集中化管控是傳統制播網絡實現升級的必然趨勢，由服務器集群或云負責SDN的核心計算，可提升計算能力，節省計算時間。

5.4K播出周邊設備

主要有兼容基帶4K-IP/12G-SDI的4K信號視分、幀同步器、鍵控器、響度控制器、多畫面分割器、監視器、字幕包裝設備、延時器、應急介質放像機、4K-IP/12G-SDI互轉的IPG網關、4K UHD/HD上下變換器、切換器等，其中，兼容基帶4K-IP/12G-SDI/4×3G-SDI三種架構的4K信號切換器支持4K信號處理和凈/靜切換、下變換等功能。還有4K處理轉換類設備：4K-IP/ST2110產品的IP接口采用25Gb/100Gb端口，SDI接口采用4×3G或12G，可向下兼容HD。目前，GV、Imagine等廠商4K播出周邊設備中的4K-IP/12G-SDI/4×3G-SDI信號互轉設備間的連通性還需要經過測試驗證。

6.4K同步設備

TEK公司的SPG8000A同步信號發生器和TG8000測試信號發生器能提供同步基準信號和測試信號，ECO8000/ECO8020自動切換器可實現兩臺同步機主備倒換。SPG8000A是多格式主控同步和主控時鐘發生器，可作為混合同步發生器和PTP（IEEE 1588）主控時鐘信號發生器使用，以滿足從基于SDI架構基礎設施分步遷移到基于IP架構基礎設施的需求。

7.4K播出TS流編碼器

4K播出TS流編碼器可采用基于專用硬件芯片+嵌入式固件編碼，或采用通用服務器平臺+軟件編碼兩種模式，對基帶4K-IP/12G-SDI信號進行HEVC/H.265標準的TS流編碼壓縮，相同圖像質量的HEVC/H.265視頻碼流比AVC/H.264減少40%。在4K播出域，首先將XAVC-I Class300/MXF OP-1a格式的4K播出文件解碼成12G-SDI信號，然后經由12G-SDI播出鏈路設備處理、切換，再編碼生成4K H.265 TS流，同時還可封裝成IP化的4K H.265 TS流，最后傳送到播出域下游的網絡傳輸域。

五．4K UHD電視播出技術架構

1.4K UHD電視播出技術架構方案比較

根據表3的比較結論，筆者認為目前應優先選擇采用純SDI（嵌入音頻）架構的12G/4K UHD電視播出技術架構，其播出鏈路可采用主、備、第二備三條鏈路，應支持凈靜切換，各類4K UHD信號應以4K/12G-SDI總控矩陣為調度中心。其4K播出設備主要包括主備播出視頻服務器、異構二備播出視頻服務器、應急介質放像機等，以視頻服務器硬盤播出為主。4K/12G-SDI視頻服務器、應急介質放像機信號和外來信號經幀同步、視分后經由總控矩陣調度進入4K/12G-SDI分控切換器，高清HD/SDI信號先經視頻上下交叉變換板卡進行上變換、色域轉換后再經幀同步、視分后經由總控矩陣調度進入4K/12G-SDI分控切換器。

4K超高清電視播出技術研究

表3 4K UHD電視播出技術架構方案比較

2.4K UHD與高清電視節目同播技術架構

應采用4K HDR超高清信號和下變換的高清SDR信號同時播出，4K UHD電視節目播出可參照央視《4K UHD電視節目制播技術規范》要求，4K UHD電視播出文件格式采用XAVC-I Class300視頻編碼格式/MXF OP-1a封裝格式的4K播出文件，4K UHD電視播出采用3840×2160/50P/10bit、BT.2020色域、HLG HDR等技術參數，由轉換器進行4K HDR BT.2020和HD SDR BT.709間的雙向上下變換，變換過程涉及動態范圍HDR和SDR、色域BT.2020和BT.709間的映射關系。在相互變換過程中，靜態參數變換的亮度映射曲線是亮度值固定的簡單映射方式，難以適配復雜多樣的電視節目類型，目前通道類轉換器大多只支持靜態參數轉換方式。而動態參數變換的亮度映射采用動態方式，亮度映射曲線依據每一幀圖像的亮度信息計算得出，可同時保證4K UHD和高清電視節目的技術質量和視覺效果，還可避免由于上下變換引起的亮度過高或過低、彩色失真等安全播出隱患。

六．4K UHD電視播出相關制作技術規范

1.4K UHD與HD同播制播原則

就高原則：當外來信號4K UHD與HD并存時，優先選擇4K UHD信號。所審即所播原則：錄播節目播前及直播時，同步查驗4K UHD節目下變換高清后的視覺效果；規范統一性原則：臺內外制作節目，均可參照央視《4K UHD電視節目制播技術規范》、《HDR視頻制作白皮書》及《4K UHD、HD電視節目同播技術規范》要求，執行統一技術標準和要求。

2.4K UHD視頻制作技術規范

4K UHD電視節目制作應參照央視《4K UHD電視節目制播技術規范》和《HDR視頻制作白皮書》要求。

（1）4K UHD演播室系統

4K UHD、高清并存時，依據就高原則，4K UHD演播室以全流程4K UHD方式完成整體節目包裝及制作，分別將4K UHD PGM信號送至臺內總控系統和后期編輯制作系統，并將4K UHD PGM信號以靜態參數下變換為同播的高清信號。

（2）4K UHD轉播系統

若4K UHD信號源不符合《4K UHD電視節目制作規范》要求，則在轉播車進行轉換以符合4K UHD制作技術要求，轉播車應只接收XAVC-I Class300編碼格式的MXF OP-1a/4K文件。

（3）4K UHD后期編輯制作系統

負責編輯完成4K HDR半成品/成品直播/錄播節目，應全部按照4K HDR標準進行制作，歷史高清素材文件可按時間線實時轉換或素材統一轉碼方式上變換為4K UHD文件，實現從任務分配、素材上載、編輯制作、配音、合成、內容審片到成品節目提交入庫的全流程4K UHD節目制作，并以靜態參數下變換方式將4K UHD節目下變換為同播的高清信號。