基于5G网络的分布式超高清视频处理系统研究

孙斐然

（苏州市吴江区融媒体中心 江苏省苏州市 215200）

数字化革命是把超高清视频技术、人工智能、物联网、大数据与5G技术进行结合的一场革命，该革命会对所有行业与政府的信息化发展有很大的推动作用，并和国家战略中的“建设数字中国”是思想是相同的。由于超大连接、超低时延与超高网速对5G的推动，就会被普遍使用到所有行业中，可以使业务场景中要求比较苛刻的部分得到满足，比如超高清直播、工厂自动化、应急指挥等。由于超高清与5G的相结合，就可以更好的实施国家战略内的“建设数字中国”。

由于要对高并发图像进行处理时的带宽方面有要求，能够对性能进行扩展的是协同架构，且是分机式的。现在将光纤网络当做分布式处理架构最关键的通信传输介质，且是物理的，由于有线传输所具有的局限性，就对移动视频之后的发展产生制约。所以，急需把5G技术与超高清视频融合，就要对处理架构进行研究，并且处理架构是使用于较大分辨率的大屏显示系统内的视频。

在本文中，对5G和超高清视屏的融合的使用时不少主要技术进行了研究，对显示、传输、处理多并发超高清视频等技术难题进行了解决，对面对其分布式超高处理系统进行了建立，使二者融合的不断发展得到推进。

1 以5G网络为基础的分布式系统架构

在计算机的桌面中，总线式架构使用到其超高清图像中，并且优势比较多，可是，仍有瓶颈存在于海量信号源的并发中，对系统性能的正常发挥产生影响。对分布式并发处理架构进行处理的技术是多节点与压缩编码技术，可以对有关瓶颈进行缓解，可是依然要对系统本身所具有的延时网络与其导致的问题进行克服。所以，要同步显示与实时处理超高清图像，且超高清图像是在海量信号进行接入的过程中获得的，还要改进现在的处理架构，就能使条件比较严格时更好的对监控场景进行指挥的有关业务的使用得到满足。

虽然，5G宏站已经被我国三个最大的运营在很多城市中进行了部署，可是依然有一些痛点存在，比如较低的并发速率、较差的5G信号，且是室内的，这样就不能使室内的4K/8K超高清在5G传输的质量等方面的有关要求得到满足。在本文中，所用的方案是室内的5G小基站与其5G微基站二者混合，且是宏微的异构协同的，该方案能够把以5G无线通信网络为基础的处理超高清视频的系统结构的最核心技术等方面的问题进行打破，既能使网络质量的低时延、大宽带、室内的4K/8K超高清等有关要求得到满足，还能使室外的移动5G宏站可以不间断连接。图1就是其系统架构图。

图1：以5G无线网络传输为基础的超高清视频系统框架图

2 核心技术

在系统中，最核心的技术就是优化超高清视频对编解码算法的开展与其5G网络低延时、大宽带传输的QoS的质量方面的保障。

2.1 优化超高清视频对编解码算法的开展

由于要持续普及电子消费方面的设备，所以促进了超高清视频的发展，就数字视频在压缩方面的性能的要求就更深了一层，所以，就要急需以视频编解码的最新标准来优化其算法。现在，在视频编解码传输系统中最具代表性的系统包括了显示、解码、传输、编码及采集。

压缩编解码所具有的压缩率和图像质量有很大的关联。拼接超高清显示墙系统中有2种来源构成了其图像，第一种为影像视频、监控摄像头视频，二者中最主要的就是运动视频，第二种为超高清的信号源，此种最主要的就是计算机的桌面。在计算机的桌面中最主要的是视频画面，该画面主要是文字与图标，并且都是静态的，和运动视频是不一样的。若运动画面发生损伤，就会严重影响图像的质量，所以要对编码引擎对视频源方面的问题进行解决且是动态的。

2.2 超高清视频5G网络低延时、大宽带传输QoS的质量方面的保障

就5G无线网络而言，4K/8K超高清视频有关其稳定传输与宽带容量方面的要求非常严格。当无线网络有比较复杂的环境与同时有不少用户在线时，怎样对其有关业务进行保证，是5G超高清视频系统一定要进行解决的最主要问题。

当对4K/8K超高清视频进行传输时，经常会有很多原因造成资源紧缺、网络质量不高等问题产生。固有超高清编解码算法就是对网络质量的检测是静态的，且是由接收端来实现的，这样就会有不能快速响应控制、较长的检测期限等状况出现。经过以5G网络开放的能力平台为基础来对吞吐量、小区负荷、其信道质量进行监测，调整编解码算法，且是动态的、闭环的、快速的，能够提高超高清解码算法的速度、传输的准确度与效率。

3 设计系统

3.1 基于内容感知并行切片的像素管道编解码技术

关于现在编解码传输系统中存在的延时方面的问题，把处理方法提出来了，该方法是以并行内容感知的切片为基础的拉流与其像素管道编解码技术，可以让4K/8K超高清编解码的传输是超低延时。经过感知与分布图像的内容、色彩及判断前后帧的内容，就会并行切片其帧数据。

3.1.1 帧序列化的流程

就4K/8K信号源而言，是以行扫描为基础来对图像进行输出的，采集图像的组件在对行进行采集之后且行数是N行预设的，就可以马上输送到编码组来编码。经过感知图像的内容、分布图像的色彩与前后帧内容，就能对画面进行判断，判断其是来源中的哪一种，就是视频画面主要是文字与图表，且都是静态的，明确要不要把对帧图像进行缓存的步骤去除，把引入帧缓存方面的延时降低，最快速度把图像传输到编码组来编码。

3.1.2 编码的过程

在编码图像片时可以使用编码组，若1个片有N行，那么1帧图像且是4K的能够系列化的图像片是2160/N个。因为编码的过程所需要的时间比较多，由于要使编码的速度加快，就可以把很多编码引擎引入到计算机制中，所有图像片都被平均的输送到很多编码引擎中，就会有与之对应的编码帧序列产生。

3.1.3 解码的过程

在编码数据且是序列化被编码组件所生成之后，就会被网络传输传输至编码组件中。在推流传输中最具有带表性的就是传输数据被发送端发送到接收端，且是主动的，由于接收端和发送端的处理是不同步的，在接收端无法及时处理时，那么发送端就不会马上传输，而是先进行缓存，然后在试着发送，延时引入就是进行缓存。与之相反，在接收端可以及时处理时，因为发送端没有准备好数据，那么接收端此时就比较空闲。所以，拉流传输机制的引入，接收端在处理时的节拍是固定的，发送端会按时接收心跳包，促进二者的处理能够同步，使缓存为零的传输得以实现。图像有关数据的恢复、解码编码数据的是解码组件。该过程内，图像帧的数量是1个，但是序列化的图像片的数量是多个，把很多解码引擎进行引入来计算，很多编码数据会被平均的输送到相应解码引擎中，图2就是其解码过程。

图2：并行切片化解码过程图

3.2 简述双流传输的自适应与双流编解码技术

由于视频源信号的类型不同，若要对其适应，且是动态的，就把双流编解码与双流传输自适应两个技术提出来了。这两个编码引擎A、B分别使H.265/HEVC编码、管道像素编码得以实现。H.265/HEVC编码被编码引擎A给实现之后，其信号就会被传输，可以当做管控端预览信号；编码引起B可以使以管道像素编码为基础得以实现，在传输之后，可以当做管控端远程控制4K/8K信号源。就渲染过程而言，可以当做图像帧在被图像片进行组装之后，在传输至显示设备中。此处理过程的实施，关注的是若图像片在传输至显示设备中，且不经过别的设备，因为有抖动出现在传输中，就会有撕裂出现在图像中。

3.3 以5G无线链路感知为基础的新型调整超高清编解码自适应的算法

关于存在于4K超高清视频进行传输中的不良原因而导致资源紧缺、较差的网络质量等，把以5G无线链路感知为基础的新型调整超高清编解码自适应的算法给提出来了。下面就是详细判断得以实现的措施。

无线网络信息的能力开放被5G网络所提供，能力开放信息包括吞吐量、小区负荷、无线信道的质量等，和AI人工智能分析技术相结合，就能使QoS业务自用户级、流级及报文级的粒度更细、更有保证，把新型网络能力进行了提供。该平台能够使5G能力开放API网关与5G无线能力开放服务等功能得以实现。

（1）功能一：5G无线能力开放服务。对测量其承载信道的质量的事件、事件的修改/删除/建立的承载进行支持，由事件取代小区；对超高清显示系统订阅发布无线能力事件，且是相应的，对相应订阅的取消是支持的。

（2）功能二：5G能力开放API网关。该网关会鉴权与认证调用服务的人，可以对统计调用API的次数进行支持。

图3是其交互架构图。

图3：超高清显示系统与5G网络能力开放平台交互系统结构

从图3可以知道，该交互流程的步骤有4个。

（1）由于无线资源管理模块存在于5G基站中，该模块能够对有关信息进行采集且是周期性的，所采集的信息包括吞吐量、小区负荷、无线信道质量等，OAM操作维护管理模块会把所采集的信息上报到5G网络能力开放平台中。

（2）无线能力信息会被5G基站进行上报，并上报到5G网络能力开放平台中，该平台会把信息直接储存至数据库内，调用接口被能力开放API网关给提供出来，且是对外的。

（3）通过4K/8K超高清编解码算法模块，无线能力开放服务会被5G网络能力开放平台所订阅，基于所订阅的有关信息，能力开放API网关把信息直接上报至该模块中。

（4）该模块和5G网络能力开放平台对网络状况进行的反馈相结合来对调整决策的自适应。

4 4K超高清电视技术的发展趋势

4.1 技术参数的多元化发展

在4K超高清电视技术的应用和发展中，技术指标呈现出多样化的发展趋势，还可以根据具体的多媒体音视频转播业务等多种应用场景，对4K和8K超高清技术进行适当的配置，可以让观众有一种身临其境的感觉。在各种技术指标不断发展的过程中，可以全面地评价和分析视频、音频的特定播放品质和传输效率，从而丰富和扩展节目与观众的互动交流方式，提升观众的使用乐趣。在进行各种关键技术参数的研制时，应尽可能地避免采用低帧率、左声道等技术，以免对观众和听众的感受造成不良影响。随着各种技术参数的多样化发展，技术人员和管理者可以针对不同的业务应用场景，提高音频、视频数据的处理与分析的质量。技术指标的多样化，也反映了我国广播电视技术行业的发展正走上高速健康发展的新局面。

4.2 内容制作的智能化发展

内容制作也向着智能化的方向迈进，它还可以针对不同行业的不同应用和不同的平台，对4K超高清电视的生产和包装技术进行定制，以满足不同城市和城市网络的实时语音和图像通讯对传输的要求。特别是在大数据和云计算技术盛行的今天，通过广泛的应用人工智能技术，可以极大地提高广电媒体的工作效率和管理效率，同时也可以对节目音频播放的海量的数据进行收集，并通过统计分析工具对数据进行分析与统计，把特定的点播流量转化为相应的商业评价指标。通过内容制作的智能化发展模式，可以将云计算平台与融媒介技术实现有机结合，实现对4K超高清技术精确运用的商业数据进行业务集成和数据分析。在数字化的时代背景下，媒体制作人与编导人员也可以迅速地学习各种智能技术及 AI技术的运用技巧。

4.3 稳定高效的网络传输模式

它的网络传输方式非常稳定高效，通过和各项电视媒体业务需求的匹配，可以满足各种高清电视的操作请求，也可以通过云技术和大数据技术的创新，逐渐形成一个完整的融媒体服务平台。在开发和应用5G网络通信技术资源时，要开发出一种稳定、有效的网络传送方式，同时还可以有效地利用现有的带宽资源，并对其核心业务的表现方式进行精细的管理和分析。基于稳定、高效的网络传输方式，4K超高清视频技术与媒体平台均能准确地判断、识别、分析现有网络带宽资源的使用情况，并及时了解有关服务要求和系统管理要求，快速进行响应。合理地规划网络频率，不仅有助于发展和推广超高清电视技术，而且可以为5G时代的5G技术开辟一条新的发展之路。

5 结束语

现在，我国所拥有的4K/8K超高清显示应用体验平台中并不包括多路超高清与5G无线通信并发处理。在本文中，经过建立4K/8K超高清显示系统处理架构且是使用了5G无线通信网络，关于多路并发超高清视频中的有关要求，如同步性、超低延时等，选取的处理节点是分布式、分层级的，来进行相应业务，促进多屏之间的实时显示与同步显示。以5G网络能力开放平台为基础，按照所监测的信息，如吞吐量、小区负荷、无线信道质量，来优化编解码算法的调整且是动态的，把视频业务所具有的感知提高。

通过5G和4K超高清视频技术结合的使用，可以尽可能把视频范畴的分析与响应能力提高，5G可以把网络传输过程中的缺点进行解决，4K/8K可以把体验表现出来，把二者相结合，可以在视频范畴中有很大变革。