某廣播電視臺4K 超高清播出系統(tǒng)改造設(shè)計路線

呂世春

（中國廣電四川網(wǎng)絡(luò)股份有限公司甘孜州分公司，四川 甘孜 626000）

0 引言

廣播電視臺作為主要的媒體機構(gòu)，不僅要緊跟科技發(fā)展的步伐，滿足觀眾對高品質(zhì)內(nèi)容的需求，而且要與其他平臺和競爭對手保持競爭力。4K 超高清播出系統(tǒng)的改進，不僅能提高畫面質(zhì)量和觀感效果，還能帶來更高的競爭力和商業(yè)價值。在市場需求不斷增長的背景下，廣播電視臺需要投資升級播控設(shè)備和技術(shù)，以滿足觀眾對4K 超高清內(nèi)容的追求，贏得更多的觀眾和廣告商的青睞。

1 4K 超高清技術(shù)概述

4K 超高清是指視頻分辨率達到3 840×2 160或4 096×2 160 的一種顯示技術(shù)。相比于傳統(tǒng)高清（1 920×1 080）或標(biāo)清（720×576），4K 超高清具有更高的像素密度，屏幕上可以呈現(xiàn)更多的圖像細(xì)節(jié)和更為清晰的圖像邊緣。4K 超高清技術(shù)支持更廣闊的色域范圍，能夠呈現(xiàn)更真實、更細(xì)膩的色彩。4K 超高清技術(shù)具備更高的對比度和更暗的黑色水平，能夠保留更明亮的白色和更細(xì)膩的陰影細(xì)節(jié)，圖像在明暗過渡時更具細(xì)膩性和明亮度。

2 某區(qū)縣廣播電視臺播出系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 當(dāng)前播出系統(tǒng)的技術(shù)配置和局限性

某地廣播電視臺當(dāng)前播出系統(tǒng)只支持標(biāo)清（720×576）和高清（1 920×1 080）分辨率，無法提供4K 超高清分辨率體驗。播出系統(tǒng)無法準(zhǔn)確還原高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）和廣色域（Wide Color Gamut，WCG）的圖像，導(dǎo)致觀看體驗存在局限性。當(dāng)前系統(tǒng)在處理和傳輸4K 超高清內(nèi)容時還存在數(shù)據(jù)傳輸速度不足的問題，影響內(nèi)容的流暢播放和傳輸穩(wěn)定性。由于4K 超高清的視頻文件體積相對較大，當(dāng)前播出系統(tǒng)的存儲容量和處理能力難以滿足4K 超高清節(jié)目的需求。部分舊有設(shè)備也無法兼容4K 超高清格式，導(dǎo)致無法正常播放或需要更換設(shè)備以適應(yīng)新的播出系統(tǒng)。

2.2 傳統(tǒng)播出系統(tǒng)與4K 超高清播出系統(tǒng)的差距

傳統(tǒng)播出系統(tǒng)的分辨率較低，無法提供4K 超高清的細(xì)膩畫質(zhì)和更高的清晰度，而4K 超高清播出系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)和更為逼真的圖像質(zhì)量。該區(qū)縣傳統(tǒng)播出系統(tǒng)也無法準(zhǔn)確還原HDR 和WCG圖像，而4K 超高清播出系統(tǒng)具備更廣闊的色彩表現(xiàn)能力，使得圖像更豐富、更鮮明。此外，4K 超高清播出系統(tǒng)需要更大的帶寬、更高的存儲和處理能力，以及支持4K 超高清格式的設(shè)備?？傮w上看，該區(qū)縣傳統(tǒng)播出系統(tǒng)的改造升級面臨網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備等技術(shù)挑戰(zhàn)。

3 改造路線設(shè)計

若將4K 超高清播出系統(tǒng)設(shè)計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則該系統(tǒng)平臺的控制、管理與監(jiān)控核心為播出控制系統(tǒng)。4K 超高清技術(shù)的快速推廣和普及帶來了內(nèi)容制作和傳輸?shù)奶魬?zhàn)。播出系統(tǒng)不僅需要支持4K 超高清信號的生產(chǎn)和傳輸，還需要具備強大的性能和穩(wěn)定性，以應(yīng)對復(fù)雜的播出環(huán)境和需求。

3.1 4K 超高清播出系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計的軟件架構(gòu)嵌入了分布式超高清轉(zhuǎn)碼模塊、4K 畫面一致性比對和4 鏈接3G-SDI 凈切換全新功能模塊。該區(qū)縣的傳統(tǒng)播出系統(tǒng)使用專用的硬件設(shè)備進行視頻處理和轉(zhuǎn)碼，轉(zhuǎn)碼效率和處理能力可能有限。引入分布式超高清轉(zhuǎn)碼模塊后，可以利用分布式計算資源進行視頻轉(zhuǎn)碼，提升轉(zhuǎn)碼效率和處理能力，并能支持更高分辨率的視頻處理。在畫面一致性比對上，該區(qū)縣的傳統(tǒng)播出系統(tǒng)沒有專門的模塊來實現(xiàn)畫面一致性比對功能，畫面質(zhì)量和色彩表現(xiàn)的一致性無法得到保證。引入4K 畫面一致性比對功能模塊后，能夠自動檢測不同畫面輸出之間的差異并進行調(diào)整和校準(zhǔn)，確保多個4K 播放器或4K 視頻源在畫面質(zhì)量和顏色表現(xiàn)上的一致性。在3G-SDI 凈切換方面，該區(qū)縣傳統(tǒng)播出系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的視頻切換設(shè)備來實現(xiàn)信號的切換，需要手動控制切換過程，切換時間較長。引入4鏈接3G-SDI 凈切換功能模塊可以實現(xiàn)在4K 超高清播出系統(tǒng)中多個3G-SDI 信號之間的快速、平滑的切換，確保信號質(zhì)量和連續(xù)性，提升播放切換的效果[1]。

本次軟件架構(gòu)除了嵌入了三大模塊以外，還在以往的25 幀播控模塊基礎(chǔ)上，升級成50 幀控制邏輯。4K 畫面一致性比對功能模塊用于確保播出系統(tǒng)中的多個4K 播放器或4K 視頻源在畫面質(zhì)量和顏色表現(xiàn)上的一致性。該模塊通過對比不同的畫面輸出，可以檢測到畫面顯示設(shè)備之間的差異，并自動進行調(diào)整和校準(zhǔn)，以達到畫面一致性的效果；4 連接3G-SDI 凈切換功能模塊用于實現(xiàn)在4K 超高清播出系統(tǒng)中多個3G-SDI 信號之間的凈切換。該模塊通過使用專門的切換設(shè)備和算法，可以在不影響信號質(zhì)量和連續(xù)性的前提下，實現(xiàn)快速而平滑的切換過程。

本次播出系統(tǒng)的控制、管理與監(jiān)控平臺的軟件架構(gòu)除了實施層級、模塊化處理以外，強化了各個層級之間的相互關(guān)系，對不同的模塊明確功能邊界，確保后續(xù)的功能迭代與新技術(shù)模塊引入。

3.2 4K 超高清播出系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

該區(qū)縣電視廣播播出系統(tǒng)傳統(tǒng)的節(jié)目整備業(yè)務(wù)、單據(jù)編排業(yè)務(wù)、播出控制業(yè)務(wù)和系統(tǒng)監(jiān)控業(yè)務(wù)與4K 超高清播出系統(tǒng)的對應(yīng)業(yè)務(wù)相比，傳統(tǒng)系統(tǒng)的節(jié)目整備業(yè)務(wù)主要涉及標(biāo)準(zhǔn)清晰度（Standard Definition，SD）或高清晰度（High Definition，HD）的節(jié)目制作和編輯；4K 超高清系統(tǒng)的節(jié)目整備業(yè)務(wù)需要針對4K 分辨率進行節(jié)目的制作和編輯，使節(jié)目素材達到更高的分辨率和圖像質(zhì)量要求[2]。同時，需要考慮4K 格式的處理能力和存儲需求。傳統(tǒng)系統(tǒng)的單據(jù)編排業(yè)務(wù)通常針對SD 或HD 的節(jié)目單進行編排和安排；4K 超高清系統(tǒng)的單據(jù)編排業(yè)務(wù)需要針對4K 節(jié)目源進行編排和調(diào)度，確保4K 節(jié)目的播出順序和時間表。傳統(tǒng)系統(tǒng)的播出控制業(yè)務(wù)主要通過專門的硬件設(shè)備來實現(xiàn)播放控制和切換操作；4K 超高清系統(tǒng)的播出控制業(yè)務(wù)引入專門的4K播放控制設(shè)備，支持更高分辨率的視頻播放控制和切換操作。傳統(tǒng)系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控業(yè)務(wù)主要關(guān)注傳統(tǒng)播出系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)、連接等指標(biāo)的監(jiān)控；4K 超高清系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控業(yè)務(wù)需重點關(guān)注4K 播放設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)帶寬及存儲容量等與4K 播出相關(guān)的指標(biāo)進行監(jiān)控，以確保4K 播出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

將區(qū)縣電視廣播播出系統(tǒng)傳統(tǒng)的節(jié)目整備業(yè)務(wù)、單據(jù)編排業(yè)務(wù)、播出控制業(yè)務(wù)和系統(tǒng)監(jiān)控業(yè)務(wù)進行改造，使其適應(yīng)4K 超高清播出系統(tǒng)，需要對原有的SD 或HD 節(jié)目制作流程進行改造，增加對4K素材的處理能力和工具。可使用適合4K 超高清的攝影設(shè)備、后期制作軟件等來制作和編輯4K 節(jié)目。改造素材采集環(huán)節(jié)優(yōu)先選擇支持4K 分辨率的攝像機和采集設(shè)備，篩選出適合4K 播出的素材，并調(diào)整現(xiàn)有的節(jié)目審批標(biāo)準(zhǔn)和流程，確保4K 節(jié)目符合相關(guān)規(guī)定和高品質(zhì)要求[3]。

在單據(jù)編排業(yè)務(wù)改造方面，更新節(jié)目單的編排工具和系統(tǒng)，支持4K 節(jié)目的編排和調(diào)度。考慮4K節(jié)目時長與轉(zhuǎn)碼、傳輸所需時間的因素，需精確安排節(jié)目的播出時間和順序；為4K 節(jié)目設(shè)計跳板節(jié)目，用于平滑過渡和靈活調(diào)整播出節(jié)目，確保4K 節(jié)目的高質(zhì)量播放。在播出控制業(yè)務(wù)改造方面，升級現(xiàn)有的播出設(shè)備，包括播放器、調(diào)度器等，以適應(yīng)4K 超高清播出需求[4]；同時引入自動化播出控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對4K 節(jié)目播放的自動調(diào)度、切換和廣告插播等功能，減少人工干預(yù)。在系統(tǒng)監(jiān)控業(yè)務(wù)改造方面，使用高速的以太網(wǎng)和網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）傳輸技術(shù)，確保足夠的帶寬和低延遲，引入專門的4K 信號監(jiān)控設(shè)備，對4K 節(jié)目播出進行質(zhì)量監(jiān)控，確保畫面質(zhì)量、色彩一致性和穩(wěn)定性；優(yōu)化系統(tǒng)監(jiān)控軟件，及時收集和分析與4K 播出相關(guān)的數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)的報表、指標(biāo)和警報。

3.3 技術(shù)架構(gòu)

針對區(qū)縣電視廣播播出系統(tǒng)的視音頻鏈路及周邊和視頻服務(wù)器系統(tǒng)進行改造設(shè)計，能夠適應(yīng)現(xiàn)代化的需求和技術(shù)發(fā)展。首先，應(yīng)先升級攝像頭、監(jiān)控攝像機等設(shè)備到高清或4K 分辨率，提高圖像質(zhì)量和細(xì)節(jié)展示能力；增加網(wǎng)絡(luò)攝像機的應(yīng)用，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理功能；使用數(shù)字音頻調(diào)音臺和音頻處理器，提供更精確的聲音調(diào)整和效果處理功能；增加多路音頻輸入和輸出接口，支持多聲道音頻處理和編碼功能；引入高清或4K 的視頻分配器、切換器和轉(zhuǎn)換器，支持多信號源的異步切換和跨系統(tǒng)平臺的視頻轉(zhuǎn)換[5]。其次，針對4K 超高清播出系統(tǒng)的資源存儲需求，需增加存儲設(shè)備的容量，以適應(yīng)更大規(guī)模的媒體內(nèi)容存儲需求，使用高速磁盤陣列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID）或云存儲解決方案，提高存儲性能和可靠性，并引入現(xiàn)代化的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，如H.264、H.265 等，提供更高的圖像質(zhì)量和更低的比特率，從而減少傳輸帶寬和存儲空間的占用。最后，將視頻服務(wù)器系統(tǒng)遷移到基于IP 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，支持遠程訪問和管理，簡化系統(tǒng)監(jiān)控和維護。例如，使用云計算和虛擬化技術(shù)，提供彈性擴容和靈活的資源分配方式。

4 結(jié)語

隨著4K 電視和設(shè)備的普及，觀眾對更高質(zhì)量的內(nèi)容和觀看體驗的需求不斷增加。對區(qū)縣廣播電視播出系統(tǒng)進行4K 超高清改造升級，可以滿足觀眾對高質(zhì)量內(nèi)容的需求，提高媒體競爭力，適應(yīng)市場發(fā)展趨勢。盡管4K 超高清的視頻數(shù)據(jù)量較大，但現(xiàn)代的視頻編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的壓縮和傳輸。改造升級后的系統(tǒng)可以更好地利用帶寬和存儲資源，提供高質(zhì)量的視頻流媒體服務(wù)。