超高清电视播控系统在县级电视台的应用及思考

2022-09-23严洪智

电声技术 2022年7期

严洪智

（宁波市镇海区新闻中心，浙江宁波 315200）

1 4K 超高清电视的现状与特点

电视技术的发展，在于清晰度的不断提高。从最初标清电视720×576 分辨率到高清的1 920×1 080 再到目前4K 超高清的3 840×2 160 分辨率，无不体现着技术发展对电视的贡献，从而使电视有了让观众亲临其境的感受。清晰度的不断提高，带来是带宽需求的快速增加。根据电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）制定的标准，标清（Standard Definition，SD）的带宽需求为270 Mb·s-1，而高清（High Definition，HD）的带宽需求为1 485 Mb·s-1，4K 超高清则达到11 880 Mb·s-1。带宽需求几何式的增长带来设备制造难度的增加，使制造成本大幅上升。同时，信号传输受到带宽的影响，传输距离受限明显，这给电视行业的技术人员带来了新的挑战。

2018 年，国家广播电视总局起草编制了《4K 超高清电视技术应用指南（2018 版）》。同年，中央广播电视总台编制了《4K 超高清电视制播技术规范（暂行）》，为4K 在国内的发展奠定了基础。

根据中央广播电视总台发布的技术规范，我国目前4K 实践中的基本参数定义为：4K 的分辨率，50 帧的帧率，色域为BT.2020，高动态范围（High Dynamic Range，HDR）以及10 bit 量化。

作为基层广播电视台，如何在融合媒体制播、科技创新应用方面搭上4K 超高清的春风，推动广电在县区级的转型升级，增强竞争力，也迫在眉睫。为此，笔者结合自身的工作经验，对目前4K 超高清播控系统技术架构的应用进行分析、比对［1-5］。

2 基带架构

数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）是广播电视领域目前常用的一种标准接口。其中，SD-SDI 可传输分辨率为720×756 的信号，HD-SDI 可传输帧率为30 f·s-1的1 080P 高清信号，3G-SDI 可传输帧率为60 f·s-1的1 080P 高清信号，12G-SDI 标准最高可传输帧率为60 f·s-1的4K 超高清信号。因此，4K 超高清如果采用基带架构设计播控系统，必须采用12G-SDI 接口标准。

直接采用12G-SDI 标准进行架构设计的播控系统，与传统的播控系统架构完全一致。这种单线同轴模式几十年来已经在广电领域得到广泛应用，对基层电视台来说架构成熟，不但管理模式不用调整，人员培训成本也大大降低。目前12G-SDI 的产品也慢慢趋于成熟完善，SMG 已建有12G-SDI 的超高清播出系统。但由于12G-SDI 数据传输速率高，传输距离受限。有资料显示，百通推出的基于4K 信号传输解决方案的全新同轴电缆4794R，在12 Gb·s-1带宽下传输距离最高只能达到93 m，加奈美的L-5.5CUHD 测试极值也在100 m 以内，同时跳线衰减明显增大。因此，采用12G-SDI 标准时需综合考虑这些因素。

针对12G-SDI 标准存在的局限，采用4×3G-SDI 技术设计的播控架构值得考虑。目前，4×3G 技术主要有SQD 和2SI 两种模式。SQD 是把图像进行四等分分割，而2SI 则采取二取样交织方式（其中第一路3G-SDI 嵌入了音频）。将4K 信号分成4 路3G-SDI 进行相应传输（如图1 所示），这样播控系统的架构接近于原高清的系统，只是线缆多了4 倍。在这两种模式中，2SI 模式可以确保在若干路信号丢失情况下，后端依然可以完整播出视音频内容，虽然视频质量劣化，但能保证播出的安全，适合基层电视台场景应用。同时，由于2SI采用二取样交织方式，监看系统可采用其中一路信号，能够降低建设费用。4×3G 模式目前在广东电视台（2017 年）、央视旧址4K 测试频道播出（2018年）及央视新址6 频道4K 播出（2020 年）均有成功案例［6］。

图1 SQD 与2SI 模式

4×3G 模式线缆繁多，部署成本高。由于BNC接口数量是原来的4 倍，系统故障率相应提高。这给视安全为生命的电视播控系统带来挑战，给值机技术人员增加了负担。

3 IP 架构

SDI 标准在电视台处于标清或者高清（1 080P）时具有一定的优势，但在即将到来的超高清时代，传统SDI 信号会由于传输速率高而带来一系列问题。为此，广电领域利用IP 协议推出了支持全IP 架构的解决方案［7］。基于IP 网络传输技术成熟、覆盖范围不受环境空间影响、布线简单、设备通用以及相对电视专业设备节约投资等特点，IP化必将是电视媒体未来发展的趋势。

3.1 IP 协议的现状

在SDI over IP 进程中，SMPTE 组织相应制订了多个协议，为广播电视IP 架构提供解决方案。

（1）ST2022-6 标准。该标准定义了嵌入式SDI 信号和IP 的封装问题，无需高精度时间同步协议（Precision Time Protocol，PTP）同步。但其最大的问题是不支持12G-SDI 的封装，最高只能达到3G-SDI 标准。这导致采用该协议传输4K 文件时必须先对4K 文件进行浅压缩为TICO（固定3G带宽）或采用4×3G over 2022-6。该协议目前比较成熟。

（2）ST2110 标准，支持4K 单视频流、音频、元数据等，数据通过实时传输协议（Real-time Transport Protocol，RTP）进行封装。该协议需要PTP 校时才能稳定工作。其特点是只需要小于9 Gb·s-1的带宽，可大量节省带宽资源。目前各主流厂商基本都有支持该协议的产品。

（3）ST2059 V2 标准，对相关IP 设备采用PTP时钟同步进行了定义。协议目前已相对成熟，适合与ST2110 标准配合。

（4）IS04/05/06 标准。该标准对视音频IP 设备在网络内自发现、注册等工作方式进行定义，达到统一网络管理的要求。IS05/06 标准目前尚未正式发布。据了解，虽然各厂商有支持，但实践上的兼容由于开发进度、设计思路、协议版本等因素存在比较大的不确定性。

（5）ST2022-7 标准，定义了流传输的链路冗余，协议比较成熟。该标准对广电播控系统的冗余设计有较大的价值。

在系统设计中，协议的选择对系统架构的形态、成本及安全性都会带来直接的影响。特别在基层广电单位中，不可能完全求大求全。例如，ST2022-6 标准就比较合适，可采用浅压缩方式，在基本不影响图像质量的情况下，减小高带宽带来的设备压力，同时也可以省略PTP 同步控制等环节，适合在县区级广电及融媒体中发布应用。

3.2 超高清电视的编码技术现状

超高清电视的典型特征为高分辨率、高帧率、宽色域、高动态范围、高量化精度，其数据量巨大。国内外相关机构针对超高清编码技术进行了研发和应用，期望有更加高效的编码技术，能在保证视频质量的前提下，降低视频编码所需的码率。目前主要有以下技术标准。

（1）AVS。AVS 是我国自行研发的技术标准，具备自主知识产权，针对高清晰度的广播电视应用。

（2）AVS2，主要面向高清、超高清视频的高效编码。AVS2视频编码相比AVS，压缩效率提高一倍，并达到与同期的H.265/HEVC 等标准相当的压缩编码效率。

（3）H.264/AVC。H.264 是国际上继MPEG4之后提出的新一代数字视频压缩格式。它能在相同的带宽下提供更加优秀的图象质量。

（4）H.265/HEVC。H.265/HEVC 的应用场景主要面向高清、超高清的视频消费需求，并已广泛应用于广播电视与网络视听领域。

（5）H.266/VVC。H.266/VVC 在H.265/HEVC基础上提高了压缩效率，涵盖所有当前和新兴媒体的应用需求，包括超高清视频（具有4K/8K 分辨率、10 bit 量化精度）、高动态范围视频、沉浸式视频以及VR 视频等，具有高度适用性。

（6）JPEG-XS。该协议于2016 年开始启动，以轻量级图像压缩编码标准进行研制，目的是满足IP 化制播应用中低复杂度、低延迟、视觉无损的要求，标准名称为JPEG-XS。

目前，面向超高清传输域的深压缩编码技术已得到广泛应用。而在超高清播控领域，由于4K 超高清视频文件的原始视频数据量约为8 294 Mb·s-1，是个天量，目前国家及省级台常应用浅压缩编码方式，典型的有基于H.264/AVC 全I 帧编码，码率达到500 Mb·s-1，压缩比约为16 ∶1，若能采用XAVC LONG GOP 编码，码率可进一步减至200 Mb·s-1，可明显释放系统压力。当然，对县区级电视台播控系统来说，由于针对的用户主要集中在新兴媒体上，在技术成熟的情况下，或许可以将更深压缩的编码方式应用到播控系统，会更有利于基层电视台超高清的快速发展。

3.3 IP 信号调度方案

在以交换机为核心的IP 构架下，如何使超高清信号进行灵活调度、处理、分发到各终端设备，是IP 技术能否在广播电视领域广泛应用的重点。目前主要有IP 信号边缘控制调度和IP 信号核心控制调度两种方案。

IP 信号边缘控制调度方案也称为IGMP 组播方式，通过广电控制器控制终端设备从交换机中调出IP 流。即广电控制器下发调度指令给收流终端，控制其所收数据的组播地址，同时应用网际组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）向核心交换机发送加入（JOIN）请求，交换机根据请求复制一份IP 数据（加入组播组）来完成信号的调度。不同的信号源，其收流终端可在广电控制器的指令下通过更改组播地址来达到切换的目的。因此，IP 信号边缘控制调度方案的信号切换发生在终端（目的）设备端。其设备端必须具备能接收同一系统的调度指令功能。基于边缘调度的控制方案如图2 所示。

图2 基于边缘调度的控制方案

IP 信号核心控制调度方案是一种软件定义网络（Software Defined Network，SDN）+路由交换设备+网络地址转换（Network Address Translation，NAT）的控制模式。

SDN 主要通过控制软件控制交换设备，从而直接深入到交换设备中，去控制它的路由表项，实现对路由器或交换机端口的管理，IP 信号则通过路由器或交换机完成信号推送。由于IP 数据包的路径能被SDN 控制器指定，信号传输的路径变得清晰和可被预测，类似于传统基带矩阵的工作方式，与传统基带系统常用的思维和操作习惯相近，可实现对IP信号流智能化、图形化、可视化、精细化管理。基于SDN 核心的控制方案如图3 所示。

图3 基于SDN 核心的控制方案

由于SDN 控制方式中终端设备不必具备IGMP功能，因此为设备选型提供了很大方便。同时，播控系统与外部系统（如演播室、转播车等）对接时，可防止地址冲突，直接满足外部系统的组播规划需求，降低整体成本。目前，华为公司已经发布支持25G/100G 端口的路由器，H3C 公司也发布有类似的SDN 交换机。

因此，目前的4K 超高清播控系统设计中，采用IP 信号核心控制调度方案，相对符合基层广电单位的需求。

3.4 超高清、高清同播

我国在“十三五”规划中明确提出，适时开播4K 超高清电视频道，推动构建高清、超高清电视混合播出系统。可以预见，在接下来的很长一段时间，超高清与高清同播将会一直存在。HDR，BT.2020与高清SDR，BT.709 共存，给同播带来一定的挑战。为确保用户终端看到不失真的节目画面，需在播出环节严格规范超高清与高清的上下变换。同时，由于历史原因，4K 用户的终端电视仍有大量电视机不支持高色域、高动态，造成用户电视画面出现失真现象。为此，信号变换中，设备的选型、参数的设置至关重要。特别是HDR-SDR 过程中，亮度、色彩等方面与高清画面之间容易出现视觉上的差距，显得相对偏灰、偏淡。因此在转换中，参考基准亮度和参考白电平等参数需根据实际情况进行设置，以保证播出效果。

由于基层电视台的高清建设起步相对较晚，超高清的推出还需一定时日来逐步推进，先期可利用原高清的播控通道尝试搭建一条测试的IP 超高清通道，摸索IP 超高清播控系统的运行、维护、管理等经验，掌握IP 化技术和特点，为下一步全面推行IP 化打好基础。

因先期IP 通道依托原高清通道，建议暂缓考虑冗余。利用高清通道建设4K IP 化的方案如图4 所示。