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4K超高清电视播出技术研究

2022-12-02 徐俭依马狮视听工场

【摘要】以城市电视台制播技术人员视角，主要从4K UHD（超高清）电视播出的技术选型原则、基带视音频信号格式、4K-IP协议、设备现状、技术架构、相关制作技术规范等方面，对4K超高清电视播出技术进行一些研究和分析。

【关键词】 4K超高清电视播出 12G-SDI格式 ST2110协议 4K UHD与HD同播 4K UHD节目制作规范

在媒体深度融合的新时代，随着广播电视制播技术在4K/8K UHD（超高清）、沉浸式音频、IP化等方面的不断发展，4K UHD电视节目在图像分辨率、亮度动态范围、色域空间、三维音频等方面质量已有极大的提高。作为区域主流媒体，城市电视台为满足区域受众更高质量的视听需求，也为增强自身的核心竞争力，开播本地4K UHD电视频道势在必行。对4K超高清电视播出技术进行研究和分析，为城市电视台设计和建设4K超高清电视播出系统提供技术解决方案，是城市电视台制播技术人员面临的一项重要使命和紧迫任务。

一．4K UHD电视播出技术选型原则

1.先进性

应遵循国标和国际标准，满足广电行业标准，可参照央视《4K UHD电视节目制作技术规范》和《4K UHD、HD（高清）电视节目同播技术规范》要求，制定出本台播出文件编码和封装统一规范，避免在采编播环节多次编解码。播出域4K基带视音频信号格式和4K UHD电视播出技术架构需对纯基带、纯IP、IP+基带等模式作出选择，其中，4K基带需对4×3G-SDI和12G-SDI作出选择，4K-IP需对ST 2110和ST 2022作出选择。制作域和播出域间可基于IP网络，经由安全隔离设备双向传输4K-IP/12G等多格式的多数据流。

2.可靠性

应采用多种安全备份技术和应急处理机制，保证播出系统整体构架安全可靠。核心系统及关键设备均采用1+1主备架构，无单溃点；应确保系统功能完善，架构及流程合理，具有冗余容错和应急处理能力，应急操作流程简捷规范，主备信号自动无缝切换；应支持故障自动检测与报警，确保迅速排除故障，保证系统稳定可靠运行。

3.易用性

应兼顾传统用户操作使用习惯，做到操作使用界面友好，设备操作直观便捷、易于掌握、调配灵活。

4.兼容性

4K UHD电视播出系统的信源处理及末级输出应兼容高清视频信号，软件与固件可平滑升级。为实现4K UHD超高清节目与HD高清节目高质量同播，应确保从4K UHD信号源、到切换、到最终输出信号的一致性和色彩还原最优，并保证4K/HDR和下变换的HD/SDR节目质量。

5.可扩展性

在保证基本配置前提下，应在系统整体框架、系统接口及其设备等方面预留扩容和升级空间、设备扩展空间与信号接口。

二．4K UHD电视播出基带视音频信号格式

1.4×3G-SDI格式

采用4×3G-SDI非压缩4K基带视音频信号格式的4K UHD电视播出系统，其视频服务器、视分、帧同步器、切换器、编码器等设备采用支持4×3G-SDI/4K格式的3G产品，每路信号采用4台设备或4块3G板卡。其优势是：设备成熟，可搭建出传统架构的4K UHD电视播出系统。劣势是：系统线缆和设备太多，部署成本高；4根线传输4×3G-SDI信号，长期运行会引起同步漂移，需定期逐个环节检查同步，运维管理方式倒退，迟早会被12G-SDI和基带IP技术替代。

2.12G-SDI格式

12G-SDI/4K非压缩基带视音频信号格式相比4×3G-SDI /4K格式，减少了线缆数量，其优势是：信号架构沿用单线同轴模式，目前已具有切换器、键控器、多画面、矩阵、帧同步器等产品，搭建的4K UHD电视播出系统可快速上线，人员易适应，运维管理可沿用传统模式，性价比高。劣势是：12G-SDI传输距离受限（超高清同轴电缆传输距离＜100米），更远距离需采用光纤传输，跳线环节会引入约20%衰减量。在末级采用4×1、且背板支持继电器方式掉电旁通模式下，为减少信号传输衰减，可考虑取消绝大部分跳线环节。

3.4K UHD电视播出视音频参数

4K UHD电视播出视音频参数值的配置情况详见表1和表2。

4K超高清电视播出技术研究

表1 4K UHD视音频参数值配置

4K超高清电视播出技术研究

表2 音频声道配置

三．4K UHD电视播出4K-IP协议

1.4K-IP协议的优劣势

4K-IP架构的4K UHD电视播出系统需要25G、40G、100G等高带宽传输网络的支持，相比于基带SDI方式，4K-IP架构的优势是：在ST2110协议下，一根光纤可复用多个信号，可减少布线空间及成本，远距离传输信号质量可由单模光纤传输来保证。IP协议与信号本身格式无关，所有播出信号可在一个交换机内调度。播出设备软件化，系统更灵活、更好支持资源共享、更好适配融媒体业务。4K-IP架构的劣势是：不同于静态路由的SDI架构，动态路由的IP架构可控性差，信号传输过程中无法实现所见即所得；必须引入动态路由容错的ST2022-7协议，这会增加系统成本；过度依赖软件，以PTP为例，虽具备master/slave安全机制，但工作时完全依赖设备、交换机、时钟源间的自动协商，存在失效风险；在管理模式上，原有基于SDI的运维管理和应急操作模式不再适用，需要合理配置4K-IP系统交换机和路由器的网络参数，做好各个节点的IP地址管理及交换机维护工作，系统运维和管理人员需要实践和适应新的运维管理技术或模式。

2.ST2022协议族

ST2022-5：采用前向纠错方式在IP网络上传输高码率视音频信号，ST2022-6：实现嵌入音频SDI视音频数据IP封装的协议，沿用BB，无需PTP同步即可工作，4K-IP系统采用基带视频和嵌入音频非分离组播的IP数据包。ST2022-7：实现主备IP链路无缝路由切换保护机制，支持IP数据流传输的链路冗余。ST2022-8：基于TR04的音视频单独封装标准，其音频数据IP化封装采用AES67协议。ST2059：定义视音频IP设备如何采用PTP系统时钟来实现同步。

3.ST2110标准集

ST2110无压缩标准集是实现视频数据、音频数据和元数据独立IP封装的协议，需要PTP同步才能工作。基于ST2110无压缩12G IP数据封装协议的全IP化4K UHD电视播出系统将视频、音频、辅助数据分成具有独立组播地址的IP数据包，通过交换机在播出网中传输交换，在接收端基于PTP时基信号正确重组所有节目信息。ST-2110-10：定义基本的传输机制，包括PTP系统时钟和视频、音频、辅助数据的同步定时关系（协议）。ST2110-20：无压缩高清、超高清4K及8K等视频映射方案，ST2110-21：无压缩活动视频流量整形和交付时序，通过提高视频发流效率以解决拥塞问题。ST2110-22：压缩的恒定比特率视频流，在ST2110-20框架下实现压缩恒定视频数据流的IP传输办法及压缩编码方案。ST2110-23：实现多个ST2110-20视频数据流与单个高带宽视频数据流之间复合/分割传输的方法，定义ST2110-23各子流的约束、分组、寻址、RTP时间戳等内容。ST2110-30：无压缩音频映射方案，其音频数据IP化封装兼容AES67协议。ST2110-40：辅助数据和元数据映射方案。

4.NMOS系列控制标准

NMOS（网络媒体开放规范）系列控制标准定义了视音频IP设备在网络内如何自发现、注册等机制，最终服务于统一的网络管理需求，解决制播网内不同厂家设备接入交换机后的彼此互联互通，通过SDN（软件定义网络）完成注册发现、深度控制管理、兼容工作等问题。IS-04：设备发现规范，用于自动发现源端和目的端设备及其信号数据组播流的协议。IS-05：设备连接管理规范，允许不同厂家设备之间开放信号数据发送方和接收方设备配置文件的协议。IS-06：网络API控制器，通过SDN与网络设备达成握手协议，由网络控制器为其上层的SDN提供北向API网络应用接口，以便为SDN提供全网数据监管和网控服务，使SDN能够控制网络路由交换设备。IS-07：GPI事件和统计记录，SDN通过GPI Tally/UMD等IP数据流获取并跟踪媒体节点发出的状态变化信息。IS-08：音频重新映射，通过SDN控制终端设备实现其内部音频通道自由映射和调配功能。

四．4K UHD电视播出设备现状

1.4K播出视频服务器

可选择支持12G/SDI信号的进口哈雷4K播出视频服务器，目前每台单机只支持1个通道编解码，多通道应用需要外置存储和扩展专用主机。国产主流4K播出视频服务器则是集播控、切换、图文、字幕等功能于一体的All-In-One架构的IP/12G SDI视频服务器，可将其用于备份播出链路。

4K播出文件封装格式应采用MXF OP-1a，其视频编码格式除帧内编码的XAVC-I外，还有XAVC-L long GOP的200Mb/s格式，但对计算性能要求太高。哈雷、imagine、GV等进口视频服务器只支持500Mb/s的XAVC-I Class300视频编码格式/MXF OP-1a封装格式的4K播出文件，该视频编码格式是制作域4K文件视频编码格式，对播出域带宽、存储容量压力巨大。

2.4K/12G-SDI矩阵

可选择支持冗余交叉点板的16×16规模的4K/12G-SDI矩阵产品。

3.SDN交换机

华为已发布支持25G/100G端口的路由器，支持净切换，但不支持静切换。H3C已发布支持25G/100G端口的SDN交换机，但不支持净/静切换。

4.SDN管理软件

SDN核心技术Open Flow通过将网络设备控制平面与数据平面分离，实现网络流量的灵活智能控制。从SDI向IP过渡是从静态架构向动态架构的转变，传统制播网络设计提倡去中心化，而SDN应用于制播网络时则提倡中心化，但基于SDN的集中化管控是传统制播网络实现升级的必然趋势，由服务器集群或云负责SDN的核心计算，可提升计算能力，节省计算时间。

5.4K播出周边设备

主要有兼容基带4K-IP/12G-SDI的4K信号视分、帧同步器、键控器、响度控制器、多画面分割器、监视器、字幕包装设备、延时器、应急介质放像机、4K-IP/12G-SDI互转的IPG网关、4K UHD/HD上下变换器、切换器等，其中，兼容基带4K-IP/12G-SDI/4×3G-SDI三种架构的4K信号切换器支持4K信号处理和净/静切换、下变换等功能。还有4K处理转换类设备：4K-IP/ST2110产品的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等厂商4K播出周边设备中的4K-IP/12G-SDI/4×3G-SDI信号互转设备间的连通性还需要经过测试验证。

6.4K同步设备

TEK公司的SPG8000A同步信号发生器和TG8000测试信号发生器能提供同步基准信号和测试信号，ECO8000/ECO8020自动切换器可实现两台同步机主备倒换。SPG8000A是多格式主控同步和主控时钟发生器，可作为混合同步发生器和PTP（IEEE 1588）主控时钟信号发生器使用，以满足从基于SDI架构基础设施分步迁移到基于IP架构基础设施的需求。

7.4K播出TS流编码器

4K播出TS流编码器可采用基于专用硬件芯片+嵌入式固件编码，或采用通用服务器平台+软件编码两种模式，对基带4K-IP/12G-SDI信号进行HEVC/H.265标准的TS流编码压缩，相同图像质量的HEVC/H.265视频码流比AVC/H.264减少40%。在4K播出域，首先将XAVC-I Class300/MXF OP-1a格式的4K播出文件解码成12G-SDI信号，然后经由12G-SDI播出链路设备处理、切换，再编码生成4K H.265 TS流，同时还可封装成IP化的4K H.265 TS流，最后传送到播出域下游的网络传输域。

五．4K UHD电视播出技术架构

1.4K UHD电视播出技术架构方案比较

根据表3的比较结论，笔者认为目前应优先选择采用纯SDI（嵌入音频）架构的12G/4K UHD电视播出技术架构，其播出链路可采用主、备、第二备三条链路，应支持净静切换，各类4K UHD信号应以4K/12G-SDI总控矩阵为调度中心。其4K播出设备主要包括主备播出视频服务器、异构二备播出视频服务器、应急介质放像机等，以视频服务器硬盘播出为主。4K/12G-SDI视频服务器、应急介质放像机信号和外来信号经帧同步、视分后经由总控矩阵调度进入4K/12G-SDI分控切换器，高清HD/SDI信号先经视频上下交叉变换板卡进行上变换、色域转换后再经帧同步、视分后经由总控矩阵调度进入4K/12G-SDI分控切换器。

4K超高清电视播出技术研究

表3 4K UHD电视播出技术架构方案比较

2.4K UHD与高清电视节目同播技术架构

应采用4K HDR超高清信号和下变换的高清SDR信号同时播出，4K UHD电视节目播出可参照央视《4K UHD电视节目制播技术规范》要求，4K UHD电视播出文件格式采用XAVC-I Class300视频编码格式/MXF OP-1a封装格式的4K播出文件，4K UHD电视播出采用3840×2160/50P/10bit、BT.2020色域、HLG HDR等技术参数，由转换器进行4K HDR BT.2020和HD SDR BT.709间的双向上下变换，变换过程涉及动态范围HDR和SDR、色域BT.2020和BT.709间的映射关系。在相互变换过程中，静态参数变换的亮度映射曲线是亮度值固定的简单映射方式，难以适配复杂多样的电视节目类型，目前通道类转换器大多只支持静态参数转换方式。而动态参数变换的亮度映射采用动态方式，亮度映射曲线依据每一帧图像的亮度信息计算得出，可同时保证4K UHD和高清电视节目的技术质量和视觉效果，还可避免由于上下变换引起的亮度过高或过低、彩色失真等安全播出隐患。

六．4K UHD电视播出相关制作技术规范

1.4K UHD与HD同播制播原则

就高原则：当外来信号4K UHD与HD并存时，优先选择4K UHD信号。所审即所播原则：录播节目播前及直播时，同步查验4K UHD节目下变换高清后的视觉效果；规范统一性原则：台内外制作节目，均可参照央视《4K UHD电视节目制播技术规范》、《HDR视频制作白皮书》及《4K UHD、HD电视节目同播技术规范》要求，执行统一技术标准和要求。

2.4K UHD视频制作技术规范

4K UHD电视节目制作应参照央视《4K UHD电视节目制播技术规范》和《HDR视频制作白皮书》要求。

（1）4K UHD演播室系统

4K UHD、高清并存时，依据就高原则，4K UHD演播室以全流程4K UHD方式完成整体节目包装及制作，分别将4K UHD PGM信号送至台内总控系统和后期编辑制作系统，并将4K UHD PGM信号以静态参数下变换为同播的高清信号。

（2）4K UHD转播系统

若4K UHD信号源不符合《4K UHD电视节目制作规范》要求，则在转播车进行转换以符合4K UHD制作技术要求，转播车应只接收XAVC-I Class300编码格式的MXF OP-1a/4K文件。

（3）4K UHD后期编辑制作系统

负责编辑完成4K HDR半成品/成品直播/录播节目，应全部按照4K HDR标准进行制作，历史高清素材文件可按时间线实时转换或素材统一转码方式上变换为4K UHD文件，实现从任务分配、素材上载、编辑制作、配音、合成、内容审片到成品节目提交入库的全流程4K UHD节目制作，并以静态参数下变换方式将4K UHD节目下变换为同播的高清信号。