5G網(wǎng)絡(luò)時代下基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)

田冰

【摘要】本文主要探討了5G網(wǎng)絡(luò)時代下基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)。通過對當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)和超高清視頻技術(shù)的分析，并結(jié)合廣電工程實踐經(jīng)驗，提出了一些可供參考的技術(shù)思路，以期能夠為未來更加高清、流暢、智能的視聽體驗提供理論支持。

【關(guān)鍵詞】5G時代；廣電工程；高清視頻技術(shù)

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.16.003

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將會對現(xiàn)代社會帶來怎樣的影響？在視頻領(lǐng)域，超高清視頻技術(shù)可以給人帶來更加逼真的視覺感受。但是，要讓大眾可以更加方便地獲取和觀看超高清視頻，則必須依靠廣電工程實現(xiàn)。如何應(yīng)對5G網(wǎng)絡(luò)和超高清視頻技術(shù)的挑戰(zhàn)，提高廣電工程的質(zhì)量和效率，是當(dāng)前研究面臨的重要問題。

1. 5G網(wǎng)絡(luò)對超高清視頻技術(shù)的挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)作為下一代移動通信技術(shù)的代表之一，其速度快、容量大、延遲低等特點極大地促進了超高清視頻技術(shù)的發(fā)展。但同時，也帶來了一系列挑戰(zhàn)和問題。

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)特點分析

5G網(wǎng)絡(luò)的低時延、高速率、大接入和切片技術(shù)的專網(wǎng)技術(shù)，為整個超高清電視的應(yīng)用提供了極好的技術(shù)支撐，成為人們使用網(wǎng)絡(luò)的首選。其中，高速率和低時延對于超高清視頻技術(shù)非常重要。高速率可保證視頻數(shù)據(jù)的快速傳輸，而低時延則能夠提高用戶與視頻數(shù)據(jù)間的實時交互體驗。

1.2 超高清視頻技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

超高清視頻技術(shù)是指分辨率超過1080p的視頻技術(shù)，它包括4K、8K等多種分辨率。與傳統(tǒng)視頻技術(shù)相比，超高清視頻具有更高的畫質(zhì)、更真實的色彩和更具影響力的視覺效果，因此在電視、影院和娛樂等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推廣，越來越多的人開始關(guān)注5G在視頻技術(shù)方面的應(yīng)用。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)，超高清視頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用，這不僅提高了視頻觀看體驗，而且為視頻行業(yè)的發(fā)展帶來了前所未有的機遇。

首先，5G網(wǎng)絡(luò)的高速率和低延遲是超高清視頻技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)下，高清視頻已經(jīng)面臨著帶寬瓶頸和延遲問題。5G網(wǎng)絡(luò)的到來不僅提供了更快的網(wǎng)速和更低的延遲，還實現(xiàn)了極高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這為超高清視頻技術(shù)提供了強有力的數(shù)據(jù)支持，為超高清視頻的流暢播放和高清晰度帶來了保障。

其次，5G網(wǎng)絡(luò)的高可靠性和廣泛覆蓋也是超高清視頻技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵條件。隨著5G基站的逐漸建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，越來越多的地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。這意味著，無論是城市還是偏遠地區(qū)，人們都可以享受到超高清視頻技術(shù)帶來的視覺盛宴。同時，5G網(wǎng)絡(luò)的高可靠性保證了視頻播放的穩(wěn)定性和持續(xù)性，為超高清視頻技術(shù)提供了更為安全的網(wǎng)絡(luò)保障。

最后，超高清視頻技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合給各行各業(yè)帶來了更多的機遇。在醫(yī)療行業(yè)，超高清視頻技術(shù)可被用于遠程醫(yī)療和醫(yī)學(xué)教育，讓遠距離的醫(yī)療服務(wù)變得更加便捷和可靠。在教育行業(yè)，超高清視頻技術(shù)可被用于在線教育和遠程教學(xué)，為學(xué)生提供更加全面和靈活的學(xué)習(xí)方式。在娛樂行業(yè)，超高清視頻技術(shù)可被用于虛擬現(xiàn)實游戲和全景視頻，為用戶帶來更加身臨其境的娛樂體驗。

超高清視頻技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，對于推動各行各業(yè)的數(shù)字化發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，具有不可替代的作用。通過更好地應(yīng)用超高清視頻技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)，我們可以探索更多的機會和可能性，開創(chuàng)數(shù)字經(jīng)濟時代全新的篇章。

1.3 5G網(wǎng)絡(luò)對超高清視頻技術(shù)的影響及挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)的高速率和低時延特性既促進了超高清視頻的快速傳輸和實時交互，又帶來了更高的技術(shù)要求。盡管5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬遠高于4G網(wǎng)絡(luò)，但頻譜資源仍然很有限。超高清視頻需要更高的視頻碼率和更高的畫質(zhì)，這就需要更大的帶寬，因此需要優(yōu)化視頻編碼等技術(shù)，以更好地利用5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源。同時，在5G網(wǎng)絡(luò)下，視頻數(shù)據(jù)的傳輸速度將變得更快，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和處理節(jié)點必須做到更快的響應(yīng)速度，以保證視頻數(shù)據(jù)能夠即時傳輸和處理。這是一個技術(shù)難點，需要更高的技術(shù)水平和更有效的技術(shù)手段來實現(xiàn)。5G網(wǎng)絡(luò)下的移動邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)也需要與超高清視頻技術(shù)緊密結(jié)合，以實現(xiàn)更好的視頻傳輸質(zhì)量和用戶體驗。5G網(wǎng)絡(luò)提供的低時延、高速率等特性，為超高清視頻技術(shù)在移動邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片方面的應(yīng)用提供了條件。例如，將視頻數(shù)據(jù)處理分布到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點上，可以更快地響應(yīng)用戶請求，提高用戶體驗；將網(wǎng)絡(luò)切片與超高清視頻技術(shù)相結(jié)合，則可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最大化利用，提高視頻傳輸質(zhì)量。

2. 基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

2.1 廣電工程中的超高清視頻技術(shù)實踐經(jīng)驗

在廣電工程領(lǐng)域，超高清視頻技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并積累了豐富的實踐經(jīng)驗。例如，早在2014年，央視就推出了首個超高清頻道CCTV-4K，實現(xiàn)了超高清視頻技術(shù)在廣電領(lǐng)域的首次應(yīng)用。此后，隨著技術(shù)的不斷升級和商用化進程的加快，超高清視頻技術(shù)在廣電領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

在5G時代，隨著視頻內(nèi)容需求的不斷增長，廣電工程中的超高清視頻技術(shù)變得越來越重要。實際上，超高清技術(shù)在廣電中的應(yīng)用已經(jīng)有了很多成功案例和經(jīng)驗，這些經(jīng)驗不僅可以幫助電視臺、電影公司和媒體機構(gòu)提高節(jié)目品質(zhì)，還可以促進視頻技術(shù)的進一步發(fā)展。超高清視頻技術(shù)在廣電工程中的應(yīng)用需要考慮到帶寬和存儲的問題。由于超高清視頻的分辨率和比特率都比傳統(tǒng)視頻更高，因此在儲存和傳輸方面需要更高的帶寬和存儲容量。針對這個問題，可以采用壓縮技術(shù)來減小視頻文件大小，比如采用HEVC等高效壓縮技術(shù)，可以有效地降低視頻傳輸?shù)膸捄蛢Υ婵臻g需求，提高視頻傳輸效率。超高清視頻的拍攝和處理也需要更高的技術(shù)要求。在視頻拍攝方面，需要使用更高分辨率的相機和拍攝設(shè)備，同時針對不同的拍攝環(huán)境進行光照和環(huán)境控制，這樣才能拍攝出更高質(zhì)量的超高清視頻。在視頻處理方面，需要使用更高效的GPU加速技術(shù)等來加速視頻的編碼和解碼，同時使用顏色校正、鏡頭映射等技術(shù)對視頻進行后期制作和優(yōu)化。

同時，超高清視頻技術(shù)在廣電工程中還有廣泛的應(yīng)用場景，如電視直播、VR體驗、電影制作等。針對不同的應(yīng)用場景，需要針對不同的技術(shù)和需求進行合理地選擇和應(yīng)用。

2.2 基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計通常包含三層結(jié)構(gòu)：傳輸層、處理層和應(yīng)用層。

傳輸層是超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)，負責(zé)視頻信號的傳輸和接收。該層面對的主要問題是傳輸帶寬和傳輸速率。針對這一問題，可以通過多路復(fù)用和信道碼率自適應(yīng)等技術(shù)實現(xiàn)帶寬的最大化利用和傳輸速率的優(yōu)化；處理層是超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)的核心層，負責(zé)視頻信號的處理和編解碼。該層面對的主要問題是視頻編碼的復(fù)雜度和對處理器的要求。一些高效的視頻編碼算法和編解碼器的應(yīng)用，可以有效地降低視頻傳輸時的數(shù)據(jù)量和帶寬需求以及提高系統(tǒng)的實時性能；應(yīng)用層是超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)的最上層，負責(zé)視頻信號的展示和應(yīng)用。該層面對的主要問題是視頻顯示的質(zhì)量和用戶體驗。通過應(yīng)用廣泛、便利的播放器軟件和硬件設(shè)備，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的視頻播放和用戶友好的操作界面。

在5G時代下，超高清視頻技術(shù)的應(yīng)用需求日益增加，而基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計需要滿足以下要求：①帶寬需求：超高清視頻的分辨率和比特率都比傳統(tǒng)視頻更高，因此傳輸帶寬也需要更高。所以，超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計需要將5G技術(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸能力充分利用，提供高速低延遲的視頻數(shù)據(jù)傳輸。②存儲需求：超高清視頻比傳統(tǒng)視頻占用更多的存儲空間。因此，超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計需要采用更高效的數(shù)據(jù)壓縮模式和存儲技術(shù)，以提高可用存儲空間。③超高清視頻拍攝和處理需求：超高清視頻的拍攝和處理技術(shù)要求更高，需要使用更高分辨率的設(shè)備和更強大的計算能力。因此，超高清視頻技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計需具備高性能的視頻采集和處理能力。

基于以上需求，超清視頻技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計應(yīng)該采取以下步驟：①基于5G技術(shù)和高效壓縮技術(shù)，構(gòu)建高帶寬、高壓縮比的視頻傳輸方案。采用HEVC等高效壓縮技術(shù)可以提高視頻傳輸效率，為超高清視頻的長距離傳輸提供技術(shù)保障。②采用高速存儲格式，提高可用存儲空間。例如，NVMe驅(qū)動器和高速SAS/SATA陣列可以通過并行讀/寫操作提高存儲性能，并且具有高壓縮比和快速傳輸速度，可為系統(tǒng)提供大容量的存儲空間。③使用基于GPU和FPGA的加速技術(shù)，提高視頻編解碼和圖像處理能力。GPU加速技術(shù)可以提高視頻編解碼能力和圖像處理能力，從而提高系統(tǒng)的整體運行效率。④采用云原生和容器化技術(shù)，使系統(tǒng)具備更強的可擴展性。采用容器化技術(shù)可以快速實現(xiàn)系統(tǒng)的部署和管理，同時可以更好地實現(xiàn)資源共享和負載均衡。⑤支持多種操作系統(tǒng)和開放接口，以滿足不同應(yīng)用場景和需求。例如，支持Windows、Linux和Android等多種操作系統(tǒng)，以及封裝好的API接口和SDK工具，提高系統(tǒng)的通用性和易用性。

2.3 基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)應(yīng)用案例分析

北京奧運會開幕式的超高清視頻傳輸就是一個典型的基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)應(yīng)用案例。

北京奧運會開幕式是一個高規(guī)格、高標(biāo)準(zhǔn)的綜合性大型活動，對視頻傳輸?shù)募夹g(shù)和設(shè)備有極高的要求。為了滿足4K超高清視頻直播的需求，北京奧運會采用了先將4K信號在轉(zhuǎn)播中心進行編碼，再通過10G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鲿?，最終由主會場投影儀直接播出的方案。該方案的優(yōu)勢在于，通過將4K信號在轉(zhuǎn)播中心進行編碼，可以降低傳輸時的數(shù)據(jù)量，并且保證傳輸過程中視頻信號的質(zhì)量。同時，通過10G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，可以滿足超高清視頻傳輸?shù)膸捫枨?，并且具有較高的實時性能。最終，通過主會場投影儀直接播出，確保了觀眾看到的畫面質(zhì)量完美，并且具有高度的真實感和沉浸感。這一方案的成功應(yīng)用，充分證明了超高清視頻技術(shù)在廣電領(lǐng)域的應(yīng)用潛力和價值。北京冬奧會也使用了相似的技術(shù)，冬奧專列5G超高清移動直播演播室實現(xiàn)了京張高鐵全線在時速350千米高速行駛下超高清視頻通過5G網(wǎng)絡(luò)的實時穩(wěn)定傳輸。另外，輕量化、全IP架構(gòu)的超高清直播演播室滿足了總臺相關(guān)頻道和新媒體平臺全媒體制作和多樣化表達的需求。

除此之外，超高清視頻技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。①體育賽事直播：超高清視頻技術(shù)在體育賽事直播中應(yīng)用得較為廣泛，例如2018年俄羅斯世界杯足球賽中采用了4K超高清視頻技術(shù)進行直播。這種技術(shù)可以使觀眾獲得更加真實、逼真的賽事場景，增強觀賽體驗；②影視制作：超高清視頻技術(shù)在影視制作中的應(yīng)用也越來越普遍，例如Netflix制作的影片《羅曼諾夫家族》就采用了8K超高清視頻技術(shù)拍攝，使得畫面更加細膩、逼真，提高了影片的觀賞性；③航空航天領(lǐng)域：超高清視頻技術(shù)在航空航天領(lǐng)域同樣得到了廣泛應(yīng)用。例如NASA利用超高清視頻技術(shù)對宇宙空間進行探測和觀測，獲取更加精準(zhǔn)、高清的觀測數(shù)據(jù)；④電影院：超高清視頻技術(shù)在電影院的應(yīng)用也越來越受到重視。例如IMAX影院采用了12K超高清視頻技術(shù)，可以提供更加震撼、逼真的觀影體驗。

3. 面向未來的超高清視頻技術(shù)

3.1 超高清視頻技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合

超高清視頻技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)更加逼真的三維視覺效果，使觀眾感到身臨其境。超高清視頻技術(shù)可以提供更加細膩、真實的圖像細節(jié)，例如在3D場景中再現(xiàn)真實的物理改變，如煙霧效果、水波特效和光線折射等。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也可以為觀眾提供沉浸式、互動式的體驗，例如通過VR眼鏡觀看超高清視頻，感受更加逼真的視覺效果。超高清視頻技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合的具體應(yīng)用包括影視制作、游戲開發(fā)和教育等領(lǐng)域。例如，在影視制作領(lǐng)域，超高清技術(shù)可以提供更加生動逼真的畫面效果，與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合可以讓觀眾感受到更加身臨其境的影視體驗。在游戲開發(fā)領(lǐng)域，結(jié)合超高清技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)更加逼真的游戲場景和角色動作表現(xiàn)，讓玩家有更加切身的游戲體驗。在教育領(lǐng)域，超高清技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)也可以結(jié)合，為教師提供更加生動的教學(xué)材料和方式，使學(xué)生更加容易理解和掌握知識。

3.2 基于機器學(xué)習(xí)的超高清視頻智能分析技術(shù)研究

在超高清視頻技術(shù)發(fā)展的過程中，如何獲取和處理更加準(zhǔn)確、高質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)，是一個重要的研究問題?；跈C器學(xué)習(xí)的超高清視頻智能分析技術(shù)可以自動收集并處理視頻數(shù)據(jù)，以獲取更加高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。具體而言，機器學(xué)習(xí)技術(shù)可以通過對視頻數(shù)據(jù)的自動分析，提高視頻的解析度和質(zhì)量，減少視頻傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失和損毀。此外，機器學(xué)習(xí)還可以自動分析視頻內(nèi)容，提取出視頻中的有用信息，為實現(xiàn)更加高級別的視頻編碼、解碼和分析提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 超高清視頻3D重構(gòu)技術(shù)研究

超高清視頻3D重構(gòu)技術(shù)是一種基于計算機視覺技術(shù)的新型圖像處理技術(shù)。該技術(shù)可以利用計算機算法對超高清視頻圖像進行處理和重構(gòu)，以產(chǎn)生逼真的三維效果。具體而言，超高清視頻3D重構(gòu)技術(shù)可以通過對圖像進行多層次的分析和處理，提取出圖像中的關(guān)鍵點、線條等，從而建立出一幅精細的三維圖像。該技術(shù)可被應(yīng)用于3D電影制作、虛擬現(xiàn)實游戲、醫(yī)療圖像處理等領(lǐng)域。

4. 結(jié)束語

本文深入分析了5G網(wǎng)絡(luò)下基于廣電工程的超高清視頻技術(shù)研究，提出了一些可供參考的技術(shù)路線和應(yīng)用案例，旨在為廣電工程領(lǐng)域的從業(yè)者提供理論參考和實踐指南。未來，將繼續(xù)關(guān)注這一領(lǐng)域的最新動態(tài)，不斷完善超高清視頻技術(shù)的質(zhì)量和用戶體驗，推動中國數(shù)字視聽產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻：

[1]司武旭.5G通信技術(shù)傳輸超高清視頻的相關(guān)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2022，12（12）：54-55.

[2]中央廣播電視總臺.超高清視頻5G傳輸技術(shù)在北京冬奧等大型轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用[J].廣播電視信息，2022，29（12）：43-46.