广播电视台中的4K 超高清播出系统应用

2023-01-17李嘉林

电视技术 2022年6期

关键词：节目单图文广播

李嘉林

（电影卫星频道节目制作中心，北京 100088）

0 引言

当前，4K 超高清电视迅速发展，广播电视台要深刻认识到4K 超高清播出系统的优势，并加强相关建设和应用，提高广播电视台的技术水平，为观众提供高度清晰的观看体验。

1 4K 超高清音视频的技术要求

1.1 更高清晰度和帧频

4K 超高清视音频要求3 840×2 160 的分辨率，要求显示点数是高清视频的4 倍。同时，4K 要求50 帧以上的逐行扫描，最高帧频保持为100～120帧。超高帧频能形成更流畅细腻的画面，但对宽带和存储也提出了更高的要求[1]。

1.2 宽色域

从色域范围来看，标准清晰度（Standard Definition，SD）和高清晰度（High Definition，HD）相同，均为Rec.709 以内，但4K 要求的色域范围为Rec.2020。与高清电视相比，4K 超高清电视具有更宽广的色域和更丰富的颜色种类，能实现更为真实的图像还原[2]。

1.3 高动态范围

高清电视的动态范围遵循标准尺寸比（Standard Dimension Ratio，SDR）相关标准，可以实现1 000 ∶1 的对比度，最高亮度为100 nit。高动态范围（High-Dynamic Range，HDR）电视的主要目标是对瞳孔保持原有状态时相应动态范围具备的特性进行再现。与SDR 电视相比，HDR 电视的峰值亮度发生了较大改变，要高于100 nit，能再现大部分高亮度范围区域相应的彩色层次和灰度。

1.4 三维音频

4K 超高清电视节目播出应支持立体声或5.1环绕声，有条件的可支持三维声。三维音频制作播出格式采用5.1.4 声道的扬声器布局，包含10 个声道信号、4 个对象信号以及2 个用于自由使用或者元数据传输的声道。

2 广播电视台中的4K 超高清播出系统关键技术

2.1 时码控制技术

广播电视台在构建4K 超高清播出系统的实践过程中，以《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》（GY/T307-2017）具体要求为依据合理选用频率，以50 Hz 为宜，对系统开展帧频扫描。相关技术人员在设计过程中，要充分考虑系统适配要求，选用50P 相关技术，对播出控制相应逻辑实施优化改进，确保系统所含的播控软件能准确地对播出单中的50P 文件进行识别，而且形成的操作指令具有正确性。通过视频数据采集程序（Video Data Collection Program，VDCP）协议，向服务器传输生成的具体指令，有效保障播出控制逻辑的正确性。相关指令被服务器正常接收后，实施映射转换。在此过程中，运用操作指令所含的的帧位置，以纵向时间码（Longitudinal Time Code，LTC）+垂直间隔时间编码（Vertical Interval Time Code,VITC）的格式进行呈现。与此同时，系统将对应于文件时码轨的VITC和LTC 数据作为依据对帧精度进行准确定位[3]。

2.2 4K 画面一致性比对技术

传统的视频监控和音频监控一般只通过内核编程接口（Kernel Programming Interface，KPI）对画面存在的问题进行分析，KPI 报警通常会对时间阈值造成延长，进而影响报警的及时性。对此，相关技术人员展开设计时要应用4K 画面一致性比对技术分析KPI 报警固有的缺陷，并对其加以弥补。及时准确地采集4 路不同的4K 信号，结合相应的真值逻辑增强对4K 信号的精准监控，并形成有效的判断，保障4K 信号与服务器对4K 画面相应的输入需求相符[4]。连接信号一致性对比仪，同时连接12个3G-SDI 输入端口，并标记4 路数字分量串行接口（serial digital interface，SDI）信号，提升信号传输相应逻辑的完整性。在对比过程中，对于两路信号中相同位置的1/4 画面，设备会实施两两比对。当比对发现1/4 画面存在较大差异时，可作出正确判断，即两路不同4K 信号存在一定的差异。对于3 路不同信号来说，要两两展开比对。通过对各类4K 信号的具体参数加以分析，为操作人员提供必要的参考[5]。

应用画面一致性比对技术时，所遵循的运行逻辑如下。当画面表现为单路信号内容不一致、无KPI 报警且当前输出信号与某路备选画面一致时，建议操作为不切换；当画面表现为单路信号内容不一致、当前输出信号与其他两路画面不一致但无KPI 报警时，建议操作为不切换；当画面表现为三路画面均不一致、当前输出信号无KPI 报警时，建议操作为不切换；当画面表现为三路画面均不一致，当前输出信号有KPI 报警时，建议操作为根据规定的优先级自动切换另一路画面[6]。

3 广播电视台中4K 超高清播出系统实践分析

广播电视台4K 超高清播出系统采用4 路3G SDI 基带架构，核心视频服务器采用all in one 结构，为IP 播出提供支持，并能实现对4K 超高清IP 播出方式的无缝升级，对全部核心设备实施冗余备份，并配备完备的监管系统。依托该播出系统，能有效上载、传输或播出4K 节目，同时还能实现监听、监看。整体播出系统架构主要包括总控系统、播出控制系统、整备系统、编单系统、传输系统、辅助系统以及监管系统等。通过采用具有完全异构特点的all in one 视频服务器，颠覆了传统播控软件对多个播出设备同时控制的设计，播控软件仅需对末端倒换器和all in one 视频服务器进行控制，既能实现图文叠加、硬盘播出以及线路直播等功能，还能实现应急切换[7]。

3.1 音视频链路设计

核心视频服务器依托all in one 结构，按照节目单完成自动播出，并精准按照时间安排插入广告，将图文、字幕、台标加入其中，对音频信号进行处理，实现对音视频链路结构的有效简化。播出系统依托SDI 架构，结合标清黑场（Black Burst，BB）同步，与高标清播出的现有标准统一。系统综合采用同构主备播出和异构二备播出两类视频服务器，主备通道通过对视频服务器实施集群处理完成构建，二备通道则采用单机视频服务器，每个通道均能实现图文叠加、硬盘播出以及线路直播。系统还对垫片播放器进行配置，保障带台标紧急垫播信号保持24 h正常播出，为应急播出提供信号源。将主备4×1 倒换器配置于链路末端。4×3G SDI 信号对此类倒换器具有适用性，能通过一键操作完成对换帧级别的切换，且对远程面板控制和断电旁通主路提供支持。

在播出正常时，播出控制机控制倒换器和视频服务器，并根据播出串联单完成自动播出。当信号中断、无声、静帧或黑场等故障被同构主、备路检测到时，即自动倒换。在应急播出时，通过人工操作实现对各类信号的一键倒换。播出安全监控模块不仅设置有多画面分割器，还包括在线监测视音频的设备。通过多画面分割器结合4K 大屏，对总控视频实施分配处理后形成的4×3G SDI 信号、二备视频服务器和主备倒换器各自输出的信号以及垫片信号展开实时监看。在线检测设备从技术层面对系统所含各节点相应的音视频信号质量进行检测分析，并对主备路呈现的一致性实施比对监测，对于各类信号呈现的异常情况及时发出报警[8]。

3.2 播出业务流程

4K 超高清频道播出业务流程部分主要包括5大模块，分别是节目单编排模块、节目文件整备模块、图文包装模块、总控信号调度模块以及播出控制模块。

节目单编排系统不仅能编辑节目单，还能对其进行审核、发送。以节目单编排系统发送的节目单作为依据，结合图文字幕单，整合形成最终的播出节目单。播出控制系统将此节目单作为依据，叠加台标、图文，并自动切换外来信号。文件整备系统能将格式不同的各类素材有效加入播出链路中，对外来文件、素材文件实施内容审片处理后直接对其展开导入、转码处理。通过自动技审，结合人工复审对素材的正确性进行确认。将播出节目单作为依据，实现对迁移任务的自动发起，完成对播出服务器的提前迁移，做好待播。在节目播出过程中，播控软件会对服务器呈现的工作状态、待播节目和正播节目呈现的状态进行检测，一旦检测出异常，会及时报警并触发倒换器实施应急倒换或提醒值班人员通过人工手段进行干预，确保节目播出恢复正常。

从实践出发，4K 超高清播出业务整体流程中，最重要的两个工作项目为“节目单编排模块”以及“播出控制模块”。4K 超高清电视节目在进行采编工作时，所涉及到的编码格式以及码率能够统一，可以降低信息丢失的概率，也可以避免图像质量下降。同时，为了保障4K 超高清节目全部素材能够安全输入播控系统，还需要对素材文件进行全面的导入、转码、审编等各项处理，首先采用自动技审的方式将文件由服务器迁出，再存储至近线之中，之后进行人工复审，对近线中进行存储的文件进行读取，解码后即可由技监设备观看素材，接着由编播人员负责针对节目端进行编辑，将使已经准备完成的节目材料能够完全符合频道版面，需要将字幕单、广告单以及节目单进行整合，呈现出“串联单”的模式，再进行复核，确认无误即可将其输入到编单系统并进行备播。在播出控制模块中，需要首先确认串联单已于备播状态，之后再一次检查节目所需的各项素材是否完整存在，确认无误之后，播控系统能够以串联单中已经设置完成的节目视源为基础，合理切换信号以及进行图文挂角、台标叠加、字幕走马等自动控制工作，且在节目播放过程中，全部视频服务器均受播出系统控制，可以保障各个节目能够对应的时间准时播出，且其中的台标字幕、图文内容等可以进行全面有效的配合，也就可以为电视节目的播出质量提供良好保障。