电视播控系统的4K超高清改造研究

郭海红

（吉水县融媒体中心，江西 吉安 331600）

0 引 言

科学技术不断发展和进步，推动我国电视制式从标清到高清的发展。相比以往的2K电视，4K超高清电视在分辨率、帧率以及声效方面都具有显著优势，可提升超高清电视的可视度，利用先进的播控系统进而提高节目播出的流畅度，增进观众观看体验。当前，国家正大力度推动4K超高清电视播出的研究，目前有CCTV 4K频道、地方卫视“4K频道”等。从广播电视技术现状来看，电视系统逐步进行超高清改造，广播电视播控系统中重视TICO编解码硬件设备的应用，结合自身经验分析关键技术，探讨画面一致性比对和净静切换技术设计，明确4K超高清电视信号转发在播控系统改造中的应用，充分考虑其应用需求，以适应4K超高清的发展。因此，如何合理设计电视播控系统4K超高清改造，是当前技术人员需要着重考虑的问题。

1 TICO编解码设备选型

近年来，多媒体视频编解码技术不断进步，为降低视频数据量，在电视播控系统4K超高清改造中，要选用TICO编解码设备，采用轻型视频压缩技术，在不改变原有硬件的基础上，利用媒体虚拟化处理平台，实现JPEG2000编解码功能，完成4K超高清视频内容传输，从而保持质量和位速率的平衡，提高设备的适应性和使用周期，构筑大型跨域SDN媒体网络[1]。

针对电视播控系统特点，结合技术先进性和安全性，TICO编码器配置为1路UHD 4×3G-SDI同轴输入，1路TICO3G-SDI同轴输出，TICO解码器配置为1路TICO3G-SDI同轴输入，1路UHD 4×3G-SDI同轴输出。编解码器的具体配置结构如图1所示。

图1 TICO编解码器配置结构图

本系统中，电视台依据4K超高清电视节目播控技术规范，选用TICO编解码器完成从主控到播出的4K信号调度，实现制播域各单元间的4K信号传输，其中总控系统负责编码，播出系统负责解码。经过信号处理，TICO解码板卡解码TICO编码流信号。直播信号经过TICO编码，将4K信号浅压缩，传输TICO编码流信号至播出系统，经由TICO解码板解出符合要求的编码流信号之后传送至地网。TICO编解码板卡进行高动态范围（High Dynamic Range，HDR）的4K信号解编，保证HDR的高清图像质量，充分保证4K信号的稳定性，提升设备的适用性，延长其使用周期。选用TICO编码的目的是进一步架构4K超高清一致性检测技术，提升播出系统的稳定性。

2 画面一致性比对设计

为保证超高清视频的视频信号质量，需要引入画面一致性对比检测技术，分别采集4路分量的视频信号，依照相应的真值逻辑进行信号完整性比对测量，明确相应的质量监控关键性能指标（Key Performance Indicator，KPI），保证等效的质量控制性能指标，实现4K信号的有效控制。其中，检测算法包括视频一致性检测和音频一致性检测。一致性检测是指在预定时间内对比音视频信号的一致性，进而同步音视频信号[2]。通过一致性比对检测每路3G-SDI信号，其中4K信号的视频检测主要针对视频丢失和中断、纯色彩场等现象，音频检测主要针对音频反相、音频中断以及音量偏高或偏低等现象。音视频信号检测主要体现在采集线程和检测线程两条线程上。采集线程分别通过音视频采集卡进行信号采集，借助回调函数处理采集数据后进入检测数据序列等待，检测线程通过调用采集数据，分析、比对检测数据。

4K超高清一致性检测架构分为四部分，分别是信号采集、信号分析、内容比对平台管理和客户端。信号采集主要负责采集主末路信号，检测所采集基带信号的合规性；信号分析负责4K超高清内容特征值的分析提取；内容比对平台管理主要负责策略制定与管理，综合音视频信号的比对信息以及内容异态，判断各路信号的一致性，依据不同场景检测信号质量并在应急条件下给出报警提示并触发应急切换设备；客户端通过可视化界面展示各路信号的检测结果，并触发自动切换及报警提示。为保证4路3G SDI信号的一致性，各组信号两两对比过程中首先要做到帧对齐，接着逐帧比对。为降低误差，技术人员使用画面一致性比对技术，采用分段整体匹配的对齐方式，根据设定容差记录每次对齐的偏移值，根据多次比对的偏移值是否一致判断一致性，为下一步净静切换技术的应用做准备。

3 4K净静切换设计

在4K超高清播出系统中，视音频架构如图3所示，主要包括4条路径输出的4K视频信号，输出信号的传输方式为Qua-link形式。

图3 视音频架构

技术人员在设计系统时，在链路末端配置4台具有静态网络连接和净静切换功能的双路二选一主备倒换器，可提供信号输入端口16个、输出端口8个，有效满足4路4K视频信号4选1的需求。借助控制面板，实现在线视频GPI通用接口连接，依据GPI控制传输切换指令，完成同步帧精度为基础的视频净静切换，实现4K基带信号的网络交换，确保视音频的流畅性与高帧率。同时，技术人员在系统中引入单向信号限制装置，确保GPI的电势差不受倒换器故障影响，保障4K超高清电视节目的有效传输。实现电视播控系统4K超高清改造，需要借助TICO解编码设备，通过画面一致性比对以及净静切换技术，完成4K超高清电视信号转发。

4 4K超高清电视信号转发

4.1 SDI基带信号IP化转型

SMPTE 2110标准的发布，实现了信号的无压缩传输，推动广电制播领域的进一步发展。依照SDI与IP化的相互转化工具，SDI基带信号与IP化数据流借助IP路由切换调度，实现IP视频与基带信号间的无缝切换。利用IP化将4K超高清高码率类型信号进行IP化转型，实现VANC机制下视频同步传输，是现行标准下行业的主流发展趋势。视频制作设备主要由IP核心交换机和IP切换台组成，本系统中的IP切换台支持4K制作字幕、在线包装接入、DVE特效、多通道键控叠加、高清IP信号等[3]。无需额外的转换设备，按需配置40 Gb·s-1光口和25 Gb·s-1光口，配置不低于2M/E的4K切换台，同时配备相应信号切换矩阵以及多通道录像机，满足复杂播出应用需求。

同时，为充分结合传统SDI链路与IP流链路，要进行基于SDI/IP信号处理的超高清（Ultra High Definition，UHD）基带信号IP转化，可将无压缩的视音频信号转化为传统SDI基带信号，实现主备信号冗余切换。在此过程中，本系统增加了两个网关处理模块，实现超高清播出视音频链路上的IP链路备份。

4.2 SDN架构搭建与管理

搭建软件定义网络（Software Defined Network，SDN）管理网络，可以优化传统视频播出架构，逐步实现网络虚拟化，分离数据面和网络设备控制面，加快IP化转型进程，进而灵活控制网络流量，为网络功能完善提供方便。

作为4K超高清电视IP化架构的核心组成部分，SDN在增进4K超高清视频的信号传输、预警、故障分析等方面都具有重要作用。借助SDN管理系统，能够搭建SDN密码管理安全机制，分级管理用户，从而提升流量管道配置的灵活性，实时跟踪监控系统内全部设备运行状态，根据播出业务要求选取对应传输通道，及时维护系统设备，从根本上规避传输问题，优化运维流程，保障播控系统运行的安全与高效，为电视播出系统提供强有力支撑。

4.3 IP流调度矩阵设计

电视播控系统的4K超高清改造过程中，要充分发挥IP流调度矩阵的优势，做好工作期间的主备并行工作，可通过以下两种技术措施强化工作期间的安全保障[4-5]。

（1）根据IP流调度，提前配置断电直通时输出的对应输入流地址以及端口号，从源节目流经由流矩阵调度切换，从新的网口输出至新的交换机。

（2）断电直通网卡在IP流矩阵中操作系统崩溃、设备问题出现的同时收到系统指令，自动检测功能开启，1机信号不受设备崩溃或软件故障的影响，经断电直通网卡直接传输至2机。

通过上述步骤，完成了电视播控系统的4K超高清改造，实现了从技术层面上支持4K超高清电视播控工作的目标，保障4K播出系统整体平稳运行。播控设备联动协调，节目制播更为便捷高效。

5 结 语

随着社会的发展，4K超高清电视制播控系统亟待创新改造。广电行业要不断提高技术标准，增进播控系统的核心地位，逐步推进4K超高清电视节目发展，多措共举，创造先进的4K超高清播控系统。就现阶段技术而言，选用TICO编解码设备、基础架构IP化是两个重要的突破口，在关键技术上践行画面一致性比对和4K净静切换技术，充分发挥4K超高清电视的特点，能够被观众认可和接受。当前，电视播控系统的超高清改造还有极大的探索空间，需要大量实践经验的进一步总结。