广播电视台4K 超高清播出关键技术应用

2023-02-04陈晓燕

电视技术 2023年11期

陈晓燕

（镇江市广播电视台技术中心，江苏镇江 212000）

0 引言

科技的发展和新技术的应用，使得广播电视台4K超高清播出越来越广泛。为了达到相应播出效果，4K 超高清播出在高清晰度、帧频、宽色域、高动态范围以及三维音频等方面的技术要求相对较高，关键技术主要包括时码控制技术、4K 净切换技术及4K 画面一致性比对技术。对此，广播电视台要通过视音频链路设计、播出业务流程设计加强4K 超高清播出技术的实践应用。

1 4K 超高清音视频的技术要求

1.1 更高清晰度和帧频

更高清晰度和帧频是4K 超高清音视频的基本技术要求。更高的清晰度是指在4K 超高清音视频中能够呈现更多的像素。传统的高清视频分辨率为1 920×1 080，而4K 超高清视频的分辨率达到了3 840×2 160，相比之下，像素数量提升为原来的4 倍。这意味着观众能够看到更多的细节，如更清晰的图像轮廓、更真实的颜色和更丰富的纹理。为了实现更高的清晰度，摄像设备需要具备更高的像素密度，显示屏幕需要有更多的像素点，传输设备和网络也需要具备足够的带宽和速度[1]。

更高的帧频是指在4K 超高清音视频中每秒呈现的图像帧数更多。传统的视频通常以每秒24 帧的速度播放，而4K 超高清视频通常以每秒60 帧的速度播放。通过增加帧频，观众可以感受到更加流畅的画面运动和更真实的动态效果。然而，要实现更高的帧频，也需要更高的处理能力和更快的数据传输速度。摄像设备和显示屏幕需要具备快速的图像处理能力，而传输设备和网络也需要具备足够的带宽和速度。为了满足这些要求，相关行业不断进行技术创新和研发。摄像设备不断提升像素密度和图像处理能力，显示屏幕不断增加像素点和刷新率，传输设备和网络不断提高带宽和速度。同时，相关标准和协议也不断更新，以适应4K 超高清音视频的需求[2]。

1.2 宽色域

宽色域是指4K超高清音视频能够展示更丰富、更真实的颜色范围。在4K 超高清音视频中，宽色域的要求是非常重要的。首先，宽色域要求显示设备能够支持更广泛的色彩范围。传统的标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR）技术只能显示有限的颜色范围，而宽色域技术可以展示更多的颜色细节，使得画面更加鲜艳生动。为了实现宽色域，显示设备需要具备更高的色彩深度和更广的色域覆盖范围，比如能够显示更多的红绿蓝（Red Green Blue，RGB）色彩。其次，宽色域要求编码格式能够支持更多的颜色信息。传统的编码格式如RGB和YUV 只能表示有限的颜色范围，而宽色域需要使用更高效的编码格式，如基于浮点数的编码格式，才能保留更多的颜色细节。宽色域还需要支持更高的亮度范围，以展示更加明亮的画面，提升观影体验。宽色域要求传输和存储介质具备更大的容量和更快的传输速度。宽色域的音视频文件通常会比传统的SDR 文件更大，因为它需要存储更多的颜色信息。在传输过程中，宽色域文件需要更高的带宽来保证数据的传输速度和质量。最后，宽色域的要求还包括后期制作和显示设备之间的标准化。为了保证宽色域的一致性和互操作性，需要制定统一的色彩标准和色域范围，以确保不同设备之间的兼容性和画面质量的一致性。

1.3 高动态范围

高动态范围（High Dynamic Range，HDR）是指在4K 超高清音视频中对于图像亮度和对比度的更高要求。传统的视频技术在显示亮度和对比度方面受到一定限制，导致画面在亮部和暗部细节表现不佳，造成画面失真和色彩失真的问题。HDR 技术通过增加显示设备的亮度范围和改善亮度调整算法，可以更准确地还原真实世界中的亮度和颜色细节。实现高动态范围的关键是扩展亮度范围。传统视频的亮度范围通常在0 ～100 nits，HDR 可以将亮度范围扩展到1 000 nits 甚至更高。这样画面中的亮部细节可以更加明亮、细腻，暗部细节也能够更加清晰可见，大大提升了观看体验。除了亮度范围的扩展，高动态范围还要求更高的对比度。传统视频技术的对比度范围通常在1 000 ∶1 左右，HDR 可以达到10 000 ∶1 甚至更高。这意味着画面中的明暗部分能够更加鲜明地呈现出来，细节更加丰富，画面更加逼真。为了实现高动态范围，4K 超高清音视频还需要支持广色域。广色域是指能够显示更多颜色的能力。传统视频技术的色域范围较窄，只能显示有限的颜色，而HDR 可以扩展色域范围，能够呈现更多的颜色细节，使画面更加鲜艳、真实[3]。

1.4 三维音频

4K 超高清音视频的三维音频能够提供更加沉浸式的观影体验。传统的音频只能在水平方向上提供声音的定位，而三维音频能够在水平和垂直两个方向上提供声音的定位，使得观众能够更加真实地感受到声音的来源和位置。三维音频的应用使得观影者不仅能够听到声音从左到右的移动，还能够感受到声音从上到下的移动，从而增强了观影的沉浸感。三维音频需要通过精确的声音定位算法和高品质的音响设备确保声音能够准确地传递到观众的耳朵。观众可以更加真实地感受到声音的来源和位置，增强观影的沉浸感，提升对场景的感知能力。

2 广播电视台4K 超高清播出技术的应用

2.1 时码控制技术

时码控制技术在实现高清画面的精准播出和同步传输方面起着重要的作用。首先，时码控制通过为每一帧图像分配独立的时间码，确保播出系统能够准确地识别和处理不同的画面。这样一来，广播电视台就能够在播出过程中实现无缝切换不同画面，提供流畅的观看体验。同时，还能够确保广播电视台内部各个部门之间的工作协调，比如剪辑、特效、音频等部门可以根据时间码进行精确的配合工作，提高工作效率。其次，时码控制可以实现多路信号的同步传输。在4K 超高清播出系统中，通常会同时传输多个信号源，如各种高清摄像机、录音设备等。时码控制可以确保这些信号源之间的同步传输，避免画面和声音的错位现象，保证观众能够获得高质量的视听体验。再次，时码控制还可以实现对视频和音频的精确编辑和处理。广播电视台在制作节目时，通常需要对视频和音频进行剪辑、变速、混音等处理，时码控制可以提供精确的时间参考，使得编辑人员能够准确地定位和处理每一帧图像和每一帧音频，确保最终的播出效果符合预期。最后，时码控制还可以实现对广播电视节目的精确定位和回放。广播电视台通常会保存大量的节目素材和历史节目，时码控制可以对这些素材进行精确的标记和管理，使得广播电视台能够快速准确地找到所需素材，进行回放和再利用[4]。

2.2 4K 净切换技术

4K 净切换技术的应用为广播电视节目提供了更加流畅、高质量的画面切换体验。首先，4K 净切换技术通过使用高速传输线路和专业的图像处理器，实现在节目播出过程中的无缝切换。传统的切换方式可能存在画面闪烁或者黑屏的问题，影响用户观看体验。而4K 净切换可以在不影响画面质量的情况下实现平滑过渡，让观众感受到更加连贯自然的画面切换效果。其次，4K 净切换技术可以在广播电视节目中实现多画面切换，通过将多个画面同时展示在屏幕上，观众可以获得更多的信息，提升观看效果。该技术在体育赛事、新闻报道等场景中尤为重要，能够同时展示多个角度的画面，让观众全面了解事件的发展。再次，4K 净切换还可以实现画中画功能。画中画是指将一个画面嵌入另一个画面中，以小窗的形式展示。这种技术可以在广播电视节目中实现同时播放多个节目或者多个画面，让观众可以自由选择感兴趣的内容进行观看。例如，在体育赛事中，观众可以同时观看比赛实况以及裁判解说的画面，提升观看乐趣。最后，4K 净切换技术可以应用于广播电视节目的特效制作。传统的特效制作需要在后期处理中加入各种效果，而4K 净切换技术可以实时将特效与实况画面结合，让观众在观看的同时就能欣赏到特效的精彩呈现。这在综艺节目、电视剧等节目类型中的应用十分广泛，为观众带来更加震撼的视觉体验。

2.3 4K 画面一致性比对技术

广播电视台的4K 超高清播出系统在保证画面质量的同时，需要应用4K 画面一致性比对技术。首先，4K 画面一致性比对需要通过对播出系统中的多个画面进行比对，确保它们在色彩、亮度、对比度等方面的一致性。这对于广播电视台来说非常重要，因为在直播或者录播过程中，可能会涉及多个画面源的切换，而这些画面源的画质差异可能会对观众的观看体验产生负面影响。通过应用4K 画面一致性比对技术，广播电视台可以在播出前对画面进行自动比对和调整，确保画质的一致性。其次，4K 画面一致性比对可以用于检测和修复画面中的故障或者损伤。在传输和处理过程中，画面可能会出现噪点、失真及色彩偏差等问题，影响观众的观看体验。通过4K 画面一致性比对，广播电视台可以对画面进行实时监测和识别，及时发现画面中的故障或者损伤，通过自动修复算法对其进行修复，保证画质的稳定性和一致性。最后，4K 画面一致性比对还可以应用于广播电视台的制作流程。电视剧、电影等节目制作过程可能存在多个拍摄角度或者不同时间段的画面，这些画面需要在后期制作中进行融合和处理，以保证整体的一致性。通过应用4K 画面一致性比对，广播电视台可以自动进行画面融合和处理，减少后期制作的工作量和时间，提高制作效率和质量。

3 4K 超高清频道播出业务流程

4K 超高清频道播出业务流程主要包括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、在4K 超高清频道播出业务流程中，节目单编排模块是一个关键的环节。在这个模块中，编排人员需要根据频道的定位和观众的观看习惯，合理安排不同类型的节目，需要考虑到节目的时长、播放顺序、广告插播等因素，以确保观众能够获得流畅的观看体验。节目文件整备模块负责处理节目文件的准备工作，包括对节目文件进行转码、压缩、剪辑等处理，以适应4K 超高清频道的技术要求。同时还需要对节目文件进行质量检查，以确保播出的节目质量达到高标准。图文包装模块负责为节目添加图像和文字，需要根据节目的内容和风格，设计合适的片头、片尾、转场动画等元素，以增加节目的观赏性和专业感。总控信号调度模块负责协调各个播出设备和信号源，监控节目播出的进程，确保各个设备正常运行并正确接收信号，同时还需要处理各种可能的故障和问题，以确保播出的稳定性和可靠性。播出控制模块负责控制节目播出，需要根据节目单的安排，控制节目的开始、结束、切换等操作，还需要根据实际情况做出即时调整，比如根据观众反馈调整广告时长或插播时间等。通过以上5 个模块的协同工作，4K 超高清频道的播出业务流程能够高效运转，为观众提供优质的观看体验。这些模块的紧密配合和专业操作，对频道的成功播出起到了重要的作用[5]。