TICO编解码器在4K超高清播出系统中的应用

高海珠

（中央电视台，北京 100020）

0 引言

随着广播电视行业的飞速发展，中央广播电视总台正在努力将自己打造成具有强大引领力、传播力和影响力的国际一流新型主流媒体，将5G+4K/8K+AI战略布局作为总台发展的新引擎，建设媒体融合的新平台。在这种布局下，中央广播电视总台光华路办公区4K超高清播出系统搭建完成。

1 超高清（UHD）技术在电视播出中的优势

现阶段，高清技术还未能得以全面应用与普及，超高清技术便已出现，4K超高清视频是继数字化、高清化之后新一轮重大技术创新，将带动视频采集、制作、播出、传输、呈现、应用等产业链各环节发生深刻变革。超高清的图像清晰度更加细腻，色彩亮度表现更加丰富，符合人们越来越高的观赏需求，超高清技术必将取代高清技术，成为电视未来发展的方向。

（1）高分辨率（HR）。4K超高清电视分辨率为3840×2160像素，一共包含有超过80多万个像素点，而8K超高清电视所达到的分辨率更高，为7680×4320像素，包含有超过3，000多万个像素点。更高分辨率意味着包含更多的空间信息量，与高标清分辨率相比，超高清分辨率使电视呈现出的画面更加清晰细致。

（2）高动态范围（HDR）。当前的SDR画面动态范围仅1000∶1，远低于真实自然界的亮度范围和正常人眼能感知的视觉亮度范围，大量的亮度细节损失掉了，而超高清电视的画面都是HDR画面，动态范围达到10000∶1，与SDR画面相比，其亮度宽容度更高，从“最暗”到“最亮”之间的范围增加，使画面暗部和亮部的细节都保留了下来，呈现更加接近身临其境的视觉感受，尽可能地还原了人眼所看到的真实场景。

（3）高比特量化（HQB）。量化深度即灰度信息量，简而言之在参数上来看就是有多少bit，8 bit、 10 bit、16 bit等，比特（bit）数越高灰阶过渡越平缓同时数据量也越大，能更真实地还原实际景物的灰度变化。

ITU-R BT.2020定义4K超高清量化为10 bit，能显示10.7亿种颜色，而高清量化为8 bit，只能显示1677万种颜色，可见，10 bit色彩数量远大于8 bit的，因此色彩过渡更加流畅自然。

（4）高帧率（HFR）。视频播出的帧频越高，画面越流畅、越细腻。但在播出系统设计中，高帧频对系统的带宽和容量要求较高，根据目前技术发展水平，国内电视台在建设4K超高清播出系统时，将帧频选为50P。

（5）宽色域（WCG）。色域描述的是颜色的多少，ITU-R BT.2020定义了超高清电视更宽的色彩空间，高清电视色域的Rec.709仅覆盖了超高清电视Rec.2020色域的35.9%，所以超高清电视呈现出了更加接近人眼在现实世界中能够看到的颜色范围，使观众能够获得更好的视觉体验。

（6）高质量3D声音（HQS）。在声音方面，4K超高清播出系统在5.1环绕声的基础上，扩展音源采集平面，实现从声道为基础的环绕声到声道、对象和声场为基础的3D声，为观众提供了更好的沉浸式体验。

2 4K超高清播出系统信号播出方式的选择

4K超高清系统信号播出方式主要分为4K SDI播出和4K IP播出，4K IP播出是发展趋势，采用IP方式，用以太网取代同轴电缆，能够双向传输，并将音频、视频，同步、控制等接口都被整合到RJ-45或SFP+中，从而简化了系统，降低了成本，便于维护和升级，然而目前4K IP技术仍处于不断发展阶段，可选择成熟定型的产品不多，延时问题，丢包问题，同步问题都有待解决，而播出系统必须在考虑先进性的同时，更要考虑安全性，因此当前还大都采用SDI或SDI+IP信号播出系统。

4K SDI播出系统获得认可的原因可归纳为如下几点：

（1）SDI基带发展较早，现阶段产品相对成熟稳定。

（2）高质量（传输无压缩视音频）。

（3）高可靠性。

（4）低延时、低抖动。

（5）高切换精度（帧精度）。

（6）通用性好，部署容易。

（7）协议简单、开放，无需授权。

（8）利用SDI传输超高清视音频信号已有相关的国际标准。

3 采用4K SDI播出系统面临的传输问题及解决办法

3.1 传输问题

超高清电视信号传输率12Gbps远大于高清电视信号，4K SDI传输可采用以下两种方式，但都存在一些问题。

一是采用4根3G-SDI信号线（同轴电缆）进行组合传输，虽然当前的同轴电缆能承载3G-SDI信号，但线材的数量增至现在的四倍，造成系统集成实施成本大幅提高，而且结构不支持灵活扩展，使用成本和维护难度都是问题。

二是采用一根12G-SDI信号线（同轴电缆）传输4K信号，这需要高带宽专用的传输线缆，并且SDI接口的数据率增大还是会降低信号的传输距离，不适合远距离传输。

3.2 解决办法

在本系统中针对4K SDI播出系统的特点，传输方面采用了以下策略予以应对：为了平衡传输问题和使用成本维护难度问题，并充分考虑到将技术的先进性和系统安全性相结合，根据现有的技术条件，选择了一个折中的办法，就是我们在播出域内部采用4根同轴电缆并行传输1路4X3G-SDI信号，在播出域外采用TICO视频编解码器进行视频浅压缩，生成1路TICO 3G-SDI信号后采用1根同轴电缆传输4K信号，即在播出域内传输基带SDI信号，在播出域外传输TICO信号，从而使问题得以缓解。

4 视频编解码技术及应用

近年来，随着网络技术的不断发展，多媒体技术也得到了日新月异的进步，作为多媒体技术的核心和关键，多媒体视频编解码技术及应用也取得了重大进展。

（1）视频编码的主要作用。就是将视频像素数据（RGB，YUV等）压缩成为视频码流，从而降低视频的数据量，如果视频不经过压缩编码的话，信息数据量通常是非常大的。

（2）视频信号可压缩性。一是因为视频图像的各像素点之间存在很强的相关性，消除这些数据的冗余并不会导致信息损失。二是因为人眼的一些特性，比如亮度辨别阈值、视觉阈值，对亮度和色度的敏感度不同，使得在编码的时候引入适量的误差也不会被察觉出来，利用人眼的视觉特性，以一定的客观失真换取数据压缩。数字视频信号的压缩正是基于上述两种条件，使得视频数据量得以极大地压缩，有利于存储和传输。

（3）视频编码技术种类。有预测编码、变换编码和混合编码。目前基本采用混合编码，因为它是将预测编码和变换编码结合起来的编码方法。它综合了两种编码方式的优点，从而得到对视频图像更高的压缩效率。

（4）视频编码技术标准。标准有很多种，有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264和H.265等。目前用得比较多的是H.264，它是ITU-T国际电联与ISO国际标准化组织联合制定的视频编解码技术标准。H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5到2倍，一个原始文件是102G大小的视频，经过H.264编码后变成了1个G，压缩比达到了102∶1。可见视频编解码器的作用是不可忽视的。

5 Virtuoso TICO编解码设备的采用

目前，市场上视频编解码设备种类繁多，中央广播电视总台4K超高清播出系统在筹备阶段进行了设备招标，作为播出系统链路中的关键设备，视频编解码设备也参与了招标，挪威Nevion公司Virtuoso TICO编解码设备在不同厂家同类设备比较中脱颖而出，得以中标。

下面对Virtuoso TICO编解码器做一详细介绍Virtuoso TICO编解码器是一款先进的基于SDD（软件定义设备）的多功能媒体虚拟化处理平台，它采用大型FPGA架构，其最大的优势是可以在不改变原有硬件的基础上，通过追加不同的软件授权，扩展出各种媒体处理功能，极大地提高了设备的适应性和使用周期，从而最大程度地满足不断变化的业务需求，使其具有极强的通用性、成本效益和未来的适用性。

此外Virtuoso可以实现JPEG2000编解码、H.264编解码、ASI/IP码流适配、音频加解嵌、主备码流倒换、内容加密等多种功能，更可与著名的SDN核心网管调度系统VideoIpach相结合，构筑高性能、高可靠、高弹性的大型跨域SDN媒体网络。

6 Virtuoso TICO编解码器相关的概念介绍

为了更好地了解Virtuoso TICO编解码器设备的功能，我们简单介绍几个相关的概念：

6.1 TICO

TICO是一种全新的轻型视频压缩技术，是由intoPIX公司开发的，能够提供高达4∶1的视觉上无损的视频压缩功能。TICO压缩方案在保证图像质量的基础上能够在实现10G以太网传输4K超高清视频内容的同时兼容现有的3G-SDI基础设施。

TICO压缩技术在质量、位速率和时延之间实现了有效平衡，保证功耗和带宽在合理的范围内，能够明显的降低系统设计的复杂度以及成本。目前，TICO压缩技术已经成为一种行业标准。

6.2 视觉无损质量

所谓视觉无损质量，是指在正常观察条件下，人眼无法检测到损失的原始质量。但由于每个人的观看能力和许多不受控制的因素，使得无法制定一个权威的标准或数据指标来定义什么是视觉无损质量，但一般在峰值信噪比高于40 dB的情况下，都能够看到视觉无损质量的视频信号。

6.3 有效载荷标识符VPID（VideoPayloadID）

有效载荷标识符应用于识别一个数字接口传送器传送的视频、音频和辅助数据的有效载荷。有效载荷标识数据包插入在传送数据图像、数字音频和其他辅助数据的接口中，在多路接口传送的数据超过一条链路带宽的情况下，标识数据包可以为接收机提供关于所接收到的有效载荷的信息，以便接收端能够准确地还原出源图像信息。有效载荷标识符VPID使用了描述SMPTE串行数字接口SDI接口规范的4个重要字节，每个字节都有各自的含义，第一个字节应具有最高的重要性，随后的字节应用于定义低级别的有效载荷信息。构成VPID标识符的4个BYTE的各自用途分述如下：

BYTE 1用于标识信号的传输方式：97h（2SI）、89h（SQD）、85h（HD）。

BYTE 2用于标识信号的曲线：D9h（HLG）、C9h（SDR）。

BYTE 3用于标识信号的色域：A0h（2020）、80h（709）。

BYTE 4用于标识信号的顺序，路信号的先后顺序依次为：01h（链路1）、41h（链路2）、81h（链路3）、C1h（链路4）。

（后3路为45h 85h C5h时则为后3路复制第1路音频标识，在传输过程中如果线序错误，会观测到视频字幕有锯齿、不平整等现象。）

基于以上定义标准，在总台光华路办公区新建的4K超高清播出系统中所选用的信号格式是：3840×2160/50P，4X3G-SDI，2SI，HLG，2020，5.1环绕声+立体声，VPID：97h D9h AOh 01h/41h/81h/C1h。在系统中具体应用情况如图1所示：

图1 4K相关标准和VPID参数界面图

7 Nevion Virtuoso TICO编解码器详细介绍

Virtuoso TICO编解码器配置了Virtuoso主机、HBR信号处理板卡和相应的双路3G-SDI输入、双路3G-SDI输出SFP接口模块。以下面一款Nevion Virtuoso TICO编解码器为例。主机箱正反面结构如图2所示：

图2 TICO编解码器主机箱正反面结构图

Virtuoso设备前面板包含了一个易于阅读的背光液晶显示器，可显示产品名称和SW版本号、报警信息、单元IP的地址、序列号等。

每台主机可以容纳4块HBR板卡（见主机后视图：左上横排两块板卡，中间竖排两块板卡）。在每块HBR板卡上有四个SFP槽位，可混合安装不同类型的SFP模块，既可以是BNC口模块，也可以是以太网口模块。下面对后面板其他的几个端口做一简单说明：

图3 TICO编解码器后面板数据端口图

（1）数据端口：M.1和M.2是两个1G的以太网数据端口，M.3和M.4两个插槽用来容纳两个SFP+模块，将提供两个额外的以太网端口来支持光纤传输。以太网数据端口LED给出以下信息：

速度指示器（左）：绿色=100 Mb/s

黄色=1000Mb/s

流量和链接指示器（右）：连接建立时绿灯亮，数据传输和接收时闪烁。

（2）USB端口：迷你USB连接器提供了一个独立于IP网络的方法来配置和监视Virtuoso。

8 Virtuoso TICO编解码器在本播出系统中的实际结构配置

8.1 编码器配置

编码输入：1路UHD 4x3G-SDI同轴输入

编码输出：1路TICO 3G-SDI同轴输出

8.2 解码器配置

解码输入为：1路TICO 3G-SDI同轴输入

解码输出为：1路UHD 4X3G-SDI同轴输出

8.3 具体配置结构

具体配置结构如图4所示。

图4 TICO编解码器配置结构图

8.4 HBR板卡配置接线

HBR板卡配置接线如图5所示。

图5 HBR板卡配置接线示意图

9 Virtuoso TICO编解码器在本播出系统中的具体应用

总台4K超高清播出系统整体设计原则遵循《GY/T307超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》及《中央广播电视总台4K超高清电视节目制播技术规范》。

播出系统播出的节目类型，一类是录播文件，另一类是直播信号。录播文件包括来自媒资库的“在库文件”和来自制作岛的“直送文件”，按照4K超高清系统整体设计原则，录播节目统一为超高清播出格式节目文件，遵循《中央广播电视总台4K超高清播出格式MXF文件规范》，这类节目到达播出系统后直接使用，不需要再经过其他处理。而另一类节目，就是主控送播出的直播信号节目。TICO编解码器就是用在了由主控到播出的直播信号传输过程中。

具体情况介绍如下：TICO编解码器作为系统中的关键设备，在具体应用中是为了完成从主控到播出的4K超高清信号传输而使用的，所以编码部分由总控系统完成，解码部分在播出系统完成。台内演播室及外来的1路4X3G SDI 4K UHD直播信号，首先要在总控系统经过TICO编码压缩，生成1路TICO 3G-SDI信号，之后由1根同轴电缆送至播出系统。到达播出系统后，首先经TICO解码，解出1路4X3G-SDI信号后，由4根同轴电缆并行送入播出系统，由播出系统进行后续的信号处理（添加台标、时钟、包装项等），经过一系列处理，形成了1路4X3G-SDI完整的电视播出信号后，由4根同轴电缆送回主控系统，由主控系统经过编码压缩后进行地网和上星的传送，再经过一系列环节，最后传至千家万户，供观众欣赏。

10 Nevion Virtuoso网管功能

Virtuoso多功能媒体虚拟化处理平台具有网管控制功能，用于系统的管理和监测。该功能包括用户界面、API、警报管理、警报和事件通知、日志记录、身份验证和安全管理等项目。

它具有结构清晰、直观友好、易学易用的图形化网管操作界面，基于B/S架构，无需专用软件，使用通用的web游览页即可对其进行全面网管操作。如图3所示，Virtuoso机箱后面有两个RJ45千兆/百兆兼容以太网接口Ethernet M.1和Ethernet M.2，以及两个GE/10G SEP+扩展插槽，均支持网管访问。可使用Cat5网线连接Ethernet M.1和Ethernet M.2到网管计算机网络接口，网管的IP地址、用户名及密码都可在网管界面中修改、添加和删除。还可查看及修改设备的配置信息，在功能框图页面中，可以查看及设置TICO编解码器的状态。通过Virtuoso网管页面还可查看告警信息：包括当前告警、告警日志、新近告警。告警日志可存储10万条告警信息，循环记录，日志空间存满时将自动删除最早的记录。图6为Virtuoso网管功能的SFP的配置界面（局部）截图。

图6 Virtuoso网管功能SFP的配置界面图

图7为Virtuoso网管功能的解码模块的配置界面截图。

以上，对Virtuoso TICO编解码器功能特性及在总台播出系统中的实际应用做了详细介绍。

11 结束语

图7 Virtuoso网管功能解码模块的配置界面截图

超高清电视清晰细腻的画面、丰富逼真的色彩和高质量的声音给人们带来了全新的视觉享受，同时，也给电视台超高清电视节目播出提出了更高的要求。目前，中央电视台4K奥林匹克超高清频道播出系统已建设完成，精彩的4K超高清体育节目即将与观众见面。在消费升级的大背景下，随着超高清视频产业的不断更新、流媒体技术的不断发展，广电传媒与5G新技术的接轨，使得节目的制作、播出和传输会更加便捷和高效，会有更多4K超高清频道开播，越来越多高质量的超高清节目将呈现给观众。更美好的未来值得期待！