基于IP流播出的4K超高清电视播控探讨

唐智广

（安徽广播电视台，安徽 合肥 230000）

0 引 言

4K超高清电视相比以往的2K电视不仅分辨率更高，而且在高带宽及先进的播控技术的加持下能够进一步提高节目播出的流畅度，带给观众更好的视听体验。在4K应用中，由于SDI基带信号在电视播放方面存在不足，所以加快推进IP流播放成为现实所需。这需要充分考虑其应用需求，同时加强新技术的应用。笔者结合自身经验作以下分析和探讨，以供相关参考。

1 4K超高清电视及其技术特点

1.1 基本概念

4K是一种被广泛应用于电视和手机等行业的高清显示技术。4K电视配置了超高清（Ultra High Definition，UHD）显示屏即UHDTV，其水平清晰度为3 840像素，垂直清晰度为2 160像素，物理分辨率也达到这个标准[1]。

1.2 技术特点

一是拥有更高的分辨率。4K分辨率可以细分为电影4K，标准分辨率为4 096×2 160，是高清分辨率1 920×1 080的4倍。

二是色域更宽，颜色更丰富。4K超高清电视采用ITU-R BT.2020色域，其色彩空间达到了显示设备中最大，覆盖了CIE1931的75.8%，白点色温D65（6 500 K）。

三是帧率更高。电视机的帧率越高，其呈现的画面播放流畅度和逼真度就越高。中国PAL-D/K制式的电视帧率为25 f·s-1，通常两场为一帧，每秒50场；NTSC（美国国家电视标准委员会）的标准为30 f·s-1，每秒60场[2]。

四是高量化色彩和高保真音频。相比于以往高清8 bit，4K超高清电视采用单通道10 bit整型数据量化，使得输出的颜色更加丰富饱满并且色阶过渡的流畅性也更好。4K超高清电视使用5.1或7.1声道，声音的还原度非常高，音质效果更好。

五是高动态范围及高带宽。相比高清电视，4K超高清的亮度空间由标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR）升级为高动态范围（High Dynamic Range，HDR），亮度从最高100尼特升为1 000～10 000尼特。带宽从高清的3 Gb升级为12 Gb，使得信号传输更具时效性。

2 IP流用于4K超高清电视播放的优势

2.1 安装及维护简便

一方面，与高清SDI相比，4K超高清IP化播出系统的弹性更大，它可以直接利用通用IT基础设施的虚拟化环境，搭建私有云播出分发平台，借助这一平台管理工具实现播放工作的弹性部署和集中管理，减少重复建设而保证经济性[3]。另一方面，超高清IP化可以基于软件定义，通过嵌入软件来替代一些传统设备，软件的配置和调试也很简单。

2.2 服务器兼容性强

基于软件编解码的IP化播出视频服务器有着更好的兼容性，它支持多种类型的输入输出接口，可以满足多种形式的信号传输需求，如基带SDI信号、基带SDIoverIP流、压缩域TSoverIP流等，能够保证这些信号及时、有效的高质量传递。

2.3 系统模块化设计

模块化设计优势在于既便于集中处理软件升级、设备增补等工作，也可以更加灵活地进行带宽、存储量及音视频I/O端口及数据格式的调节和扩展[4]。另外，IP化播出系统通过网络协议来实现各种控制命令，将控制网和视频传输网分别组网，如此IP化播出控制无需点对点布线，也能做到有效管理。

3 基于IP流播出的4K超高清电视播控要求及技术措施

3.1 播控要求

3.1.1 要求SDI基带信号的IP化升级

从上述分析可知，SDI基带信号由于自身存在局限，已经不能满足4K超高清信号的传输和播放要求，但可以通过对其音频信号的IP化升级来弥补。

3.1.2 要重视信号同步及校时问题

信号不同步是影响电视节目播出质量的重要因素，在以往的基带信号中，同步信号的主要呈现形式为数字视频信号或模拟视频信号[5]。然而，在IP化4K播出系统中，同步信号也是IP形式，因此在这种播放模式下就不得不同时关注校时问题。

3.1.3 要提高播出的安全保障

IP流4K超高清播出，需要有一个完整的系统设计保障，才能确保电视节目的播出质量和信息安全。进行4K超高清IP化播出平台建设时，最好优先选用技术成熟、质量可靠的常规化标准产品，同时还要建立对应的纠错和容错机制，提高播出系统的容灾保护能力，以便有效防控和处理某些突发性问题。

3.2 相关技术措施

基于上述要求，为满足IP化4K超高清播出，需要采用多种技术措施，主要体现如下。

3.2.1 SDI基带信号IP化

根据IP流的播出流程，进入播控系统后的无压缩视音频SDI基带信号，也会被转化为IP数据流，即SDI over IP。该转化过程是一个综合性操作过程，主要涉及实时信号处理、传输及网络交换等环节工作，支持该转化实现的设备工具和技术主要有SDI与IP化的相互转化工具如信号转化器、IP网关板卡、IP路由切换调度等，用以支持SDI基带信号与IP化数据流之间的灵活转换，实现在IP矩阵内以帧为单位的IP视频的无缝切换；当需要进行终端输出时，IP信号又被重新转换为基带信号。

3.2.2 IP系统同步锁相

在电视系统中，信号同步是基本要求，因为任何两个以上的信号只有保持同步才能实现信号的有效转化和混合。以往电视播出系统为实现信号同步，多采用BB黑场信号，通过相位检测产生加减信号，并利用这一加减信号调节同步振荡器，以此实现同步，或使用三电平变频器进行调控。IP流4K超高清播出系统使用的是更加先进的PTP精准时间协议。该协议基于网络的主-从模式，主从PTP同步发送和接收信号，从而有效解决局域网内各设备之间的同步定时问题，保证播出过程中频率、时间、视音频帧等信号的精准同步。

3.2.3 IP流调度矩阵

为充分发挥IP流调度矩阵的优势，必须加强其工作期间的安全保障，包括主备并行工作、从系统集群及断电直通等。可以采用以下两种技术措施。

其一，在正常运行状态下，应该提前配置好用于断电直通时输出的对应缺省输入流地址和端口号，如图1所示，最初从交换机1输入到流矩阵网口1的源节目流，在经过流矩阵调度切换后，又从网口2输出至交换机2。

图1 IP流调度矩阵调度图

其二，断电直通网卡在矩阵操作系统崩溃、设备掉电等问题出现的同时会收到系统指令，同步开启自动检测功能并建立断电直通链路。如图2所示，交换机1传入的信号经过断电直通卡被直接传输给了交换机2，即便发生设备崩溃或软件故障，也不会对信号传输造成影响。

图2 IP流调度矩阵在故障情况下的调度

3.2.4 SDN管理

软件定义网络简称SDN，是网络虚拟化的实现形式之一，其技术原理是通过分离数据面和网络设备控制面，以达到灵活控制网络流量的目的。SDN是整个4K超高清电视IP化架构的核心组成部分，具备预警、告警、故障分析等多种功能。利用SDN管理系统，可以实现对系统内全部设备在运行过程中的状态进行跟踪监控，及时调整配置和实施维护等操作，让整个运维流程变得简单和智能化，从而切实保证播控系统运行的安全性和高效率。

4 结 语

随着社会的发展，观众对广播电视服务质量的要求越来越高，广播电视也面诸多新的挑战。在此背景下，广播电视行业唯有不断提高技术标准，优化服务供给，才能更好地适应新时代、新广电的发展要求。就现阶段技术而言，电视台基础架构IP化就是一个有效的突破口。当前，技术层面已经能够支撑基于IP流的4K超高清电视播控工作，但其稳定性和先进性还需要进一步加强，后续探索的空间还比较大。