5G网络时代下基于广电工程的超高清视频技术

田冰

【摘要】本文主要探讨了5G网络时代下基于广电工程的超高清视频技术。通过对当前5G网络和超高清视频技术的分析，并结合广电工程实践经验，提出了一些可供参考的技术思路，以期能够为未来更加高清、流畅、智能的视听体验提供理论支持。

【关键词】5G时代；广电工程；高清视频技术

中图分类号：TN92                            文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.16.003

5G网络技术的发展，将会对现代社会带来怎样的影响？在视频领域，超高清视频技术可以给人带来更加逼真的视觉感受。但是，要让大众可以更加方便地获取和观看超高清视频，则必须依靠广电工程实现。如何应对5G网络和超高清视频技术的挑战，提高广电工程的质量和效率，是当前研究面临的重要问题。

1. 5G网络对超高清视频技术的挑战

5G网络作为下一代移动通信技术的代表之一，其速度快、容量大、延迟低等特点极大地促进了超高清视频技术的发展。但同时，也带来了一系列挑战和问题。

1.1 5G网络特点分析

5G网络的低时延、高速率、大接入和切片技术的专网技术，为整个超高清电视的应用提供了极好的技术支撑，成为人们使用网络的首选。其中，高速率和低时延对于超高清视频技术非常重要。高速率可保证视频数据的快速传输，而低时延则能够提高用户与视频数据间的实时交互体验。

1.2 超高清视频技术与5G网络的结合

超高清视频技术是指分辨率超过1080p的视频技术，它包括4K、8K等多种分辨率。与传统视频技术相比，超高清视频具有更高的画质、更真实的色彩和更具影响力的视觉效果，因此在电视、影院和娱乐等领域被广泛应用。

随着5G网络的推广，越来越多的人开始关注5G在视频技术方面的应用。结合5G网络，超高清视频技术被广泛应用，这不仅提高了视频观看体验，而且为视频行业的发展带来了前所未有的机遇。

首先，5G网络的高速率和低延迟是超高清视频技术的关键技术。在传统4G网络下，高清视频已经面临着带宽瓶颈和延迟问题。5G网络的到来不仅提供了更快的网速和更低的延迟，还实现了极高的数据传输速率和更加稳定的网络环境。这为超高清视频技术提供了强有力的数据支持，为超高清视频的流畅播放和高清晰度带来了保障。

其次，5G网络的高可靠性和广泛覆盖也是超高清视频技术得以应用的关键条件。随着5G基站的逐渐建设和网络的不断完善，越来越多的地区已经实现了5G网络的全覆盖。这意味着，无论是城市还是偏远地区，人们都可以享受到超高清视频技术带来的视觉盛宴。同时，5G网络的高可靠性保证了视频播放的稳定性和持续性，为超高清视频技术提供了更为安全的网络保障。

最后，超高清视频技术与5G网络的结合给各行各业带来了更多的机遇。在医疗行业，超高清视频技术可被用于远程医疗和医学教育，让远距离的医疗服务变得更加便捷和可靠。在教育行业，超高清视频技术可被用于在线教育和远程教学，为学生提供更加全面和灵活的学习方式。在娛乐行业，超高清视频技术可被用于虚拟现实游戏和全景视频，为用户带来更加身临其境的娱乐体验。

超高清视频技术与5G网络的结合，对于推动各行各业的数字化发展和基础设施建设，具有不可替代的作用。通过更好地应用超高清视频技术和5G网络，我们可以探索更多的机会和可能性，开创数字经济时代全新的篇章。

1.3 5G网络对超高清视频技术的影响及挑战

5G网络的高速率和低时延特性既促进了超高清视频的快速传输和实时交互，又带来了更高的技术要求。尽管5G网络的带宽远高于4G网络，但频谱资源仍然很有限。超高清视频需要更高的视频码率和更高的画质，这就需要更大的带宽，因此需要优化视频编码等技术，以更好地利用5G网络的带宽资源。同时，在5G网络下，视频数据的传输速度将变得更快，这意味着网络中的传输和处理节点必须做到更快的响应速度，以保证视频数据能够即时传输和处理。这是一个技术难点，需要更高的技术水平和更有效的技术手段来实现。5G网络下的移动边缘计算、网络切片等技术也需要与超高清视频技术紧密结合，以实现更好的视频传输质量和用户体验。5G网络提供的低时延、高速率等特性，为超高清视频技术在移动边缘计算和网络切片方面的应用提供了条件。例如，将视频数据处理分布到网络边缘节点上，可以更快地响应用户请求，提高用户体验；将网络切片与超高清视频技术相结合，则可以实现网络资源的最大化利用，提高视频传输质量。

2. 基于广电工程的超高清视频技术架构设计

2.1 广电工程中的超高清视频技术实践经验

在广电工程领域，超高清视频技术已经得到了广泛应用，并积累了丰富的实践经验。例如，早在2014年，央视就推出了首个超高清频道CCTV-4K，实现了超高清视频技术在广电领域的首次应用。此后，随着技术的不断升级和商用化进程的加快，超高清视频技术在广电领域得到了越来越广泛的应用。

在5G时代，随着视频内容需求的不断增长，广电工程中的超高清视频技术变得越来越重要。实际上，超高清技术在广电中的应用已经有了很多成功案例和经验，这些经验不仅可以帮助电视台、电影公司和媒体机构提高节目品质，还可以促进视频技术的进一步发展。超高清视频技术在广电工程中的应用需要考虑到带宽和存储的问题。由于超高清视频的分辨率和比特率都比传统视频更高，因此在储存和传输方面需要更高的带宽和存储容量。针对这个问题，可以采用压缩技术来减小视频文件大小，比如采用HEVC等高效压缩技术，可以有效地降低视频传输的带宽和储存空间需求，提高视频传输效率。超高清视频的拍摄和处理也需要更高的技术要求。在视频拍摄方面，需要使用更高分辨率的相机和拍摄设备，同时针对不同的拍摄环境进行光照和环境控制，这样才能拍摄出更高质量的超高清视频。在视频处理方面，需要使用更高效的GPU加速技术等来加速视频的编码和解码，同时使用颜色校正、镜头映射等技术对视频进行后期制作和优化。

同时，超高清视频技术在广电工程中还有广泛的应用场景，如电视直播、VR体验、电影制作等。针对不同的应用场景，需要针对不同的技术和需求进行合理地选择和应用。

2.2 基于广电工程的超高清视频技术系统架构设计

基于广电工程的超高清视频技术系统架构设计通常包含三层结构：传输层、处理层和应用层。

传输层是超高清视频技术系统的底层基础，负责视频信号的传输和接收。该层面对的主要问题是传输带宽和传输速率。针对这一问题，可以通过多路复用和信道码率自适应等技术实现带宽的最大化利用和传输速率的优化；处理层是超高清视频技术系统的核心层，负责视频信号的处理和编解码。该层面对的主要问题是视频编码的复杂度和对处理器的要求。一些高效的视频编码算法和编解码器的应用，可以有效地降低视频传输时的数据量和带宽需求以及提高系统的实时性能；应用层是超高清视频技术系统的最上层，负责视频信号的展示和应用。该层面对的主要问题是视频显示的质量和用户体验。通过应用广泛、便利的播放器软件和硬件设备，可以实现高质量的视频播放和用户友好的操作界面。

在5G时代下，超高清视频技术的应用需求日益增加，而基于广电工程的超高清视频技术系统架构设计需要满足以下要求：①带宽需求：超高清视频的分辨率和比特率都比传统视频更高，因此传输带宽也需要更高。所以，超高清视频技术系统设计需要将5G技术的高速数据传输能力充分利用，提供高速低延遲的视频数据传输。②存储需求：超高清视频比传统视频占用更多的存储空间。因此，超高清视频技术系统设计需要采用更高效的数据压缩模式和存储技术，以提高可用存储空间。③超高清视频拍摄和处理需求：超高清视频的拍摄和处理技术要求更高，需要使用更高分辨率的设备和更强大的计算能力。因此，超高清视频技术系统设计需具备高性能的视频采集和处理能力。

基于以上需求，超清视频技术系统架构设计应该采取以下步骤：①基于5G技术和高效压缩技术，构建高带宽、高压缩比的视频传输方案。采用HEVC等高效压缩技术可以提高视频传输效率，为超高清视频的长距离传输提供技术保障。②采用高速存储格式，提高可用存储空间。例如，NVMe驱动器和高速SAS/SATA阵列可以通过并行读/写操作提高存储性能，并且具有高压缩比和快速传输速度，可为系统提供大容量的存储空间。③使用基于GPU和FPGA的加速技术，提高视频编解码和图像处理能力。GPU加速技术可以提高视频编解码能力和图像处理能力，从而提高系统的整体运行效率。④采用云原生和容器化技术，使系统具备更强的可扩展性。采用容器化技术可以快速实现系统的部署和管理，同时可以更好地实现资源共享和负载均衡。⑤支持多种操作系统和开放接口，以满足不同应用场景和需求。例如，支持Windows、Linux和Android等多种操作系统，以及封装好的API接口和SDK工具，提高系统的通用性和易用性。

2.3 基于广电工程的超高清视频技术应用案例分析

北京奥运会开幕式的超高清视频传输就是一个典型的基于广电工程的超高清视频技术应用案例。

北京奥运会开幕式是一个高规格、高标准的综合性大型活动，对视频传输的技术和设备有极高的要求。为了满足4K超高清视频直播的需求，北京奥运会采用了先将4K信号在转播中心进行编码，再通过10G网络传输到主会场，最终由主会场投影仪直接播出的方案。该方案的优势在于，通过将4K信号在转播中心进行编码，可以降低传输时的数据量，并且保证传输过程中视频信号的质量。同时，通过10G网络传输的方式，可以满足超高清视频传输的带宽需求，并且具有较高的实时性能。最终，通过主会场投影仪直接播出，确保了观众看到的画面质量完美，并且具有高度的真实感和沉浸感。这一方案的成功应用，充分证明了超高清视频技术在广电领域的应用潜力和价值。北京冬奥会也使用了相似的技术，冬奥专列5G超高清移动直播演播室实现了京张高铁全线在时速350千米高速行驶下超高清视频通过5G网络的实时稳定传输。另外，轻量化、全IP架构的超高清直播演播室满足了总台相关频道和新媒体平台全媒体制作和多样化表达的需求。

除此之外，超高清视频技术已经被广泛应用于各个领域。①体育赛事直播：超高清视频技术在体育赛事直播中应用得较为广泛，例如2018年俄罗斯世界杯足球赛中采用了4K超高清视频技术进行直播。这种技术可以使观众获得更加真实、逼真的赛事场景，增强观赛体验；②影视制作：超高清视频技术在影视制作中的应用也越来越普遍，例如Netflix制作的影片《罗曼诺夫家族》就采用了8K超高清视频技术拍摄，使得画面更加细腻、逼真，提高了影片的观赏性；③航空航天领域：超高清视频技术在航空航天领域同样得到了广泛应用。例如NASA利用超高清视频技术对宇宙空间进行探测和观测，获取更加精准、高清的观测数据；④电影院：超高清视频技术在电影院的应用也越来越受到重视。例如IMAX影院采用了12K超高清视频技术，可以提供更加震撼、逼真的观影体验。

3. 面向未来的超高清视频技术

3.1 超高清视频技术与虚拟现实技术的结合

超高清视频技术与虚拟现实技术的结合，可以实现更加逼真的三维视觉效果，使观众感到身临其境。超高清视频技术可以提供更加细腻、真实的图像细节，例如在3D场景中再现真实的物理改变，如烟雾效果、水波特效和光线折射等。同时，虚拟现实技术也可以为观众提供沉浸式、互动式的体验，例如通过VR眼镜观看超高清视频，感受更加逼真的视觉效果。超高清视频技术与虚拟现实技术结合的具体应用包括影视制作、游戏开发和教育等领域。例如，在影视制作领域，超高清技术可以提供更加生动逼真的画面效果，与虚拟现实技术结合可以让观众感受到更加身临其境的影视体验。在游戏开发领域，结合超高清技术和虚拟现实技术可以实现更加逼真的游戏场景和角色动作表现，让玩家有更加切身的游戏体验。在教育领域，超高清技术和虚拟现实技术也可以结合，为教师提供更加生动的教学材料和方式，使学生更加容易理解和掌握知识。

3.2 基于机器学习的超高清视频智能分析技术研究

在超高清视频技术发展的过程中，如何获取和处理更加准确、高质量的视频数据，是一个重要的研究问题。基于机器学习的超高清视频智能分析技术可以自动收集并处理视频数据，以获取更加高质量的数据。具体而言，机器学习技术可以通过对视频数据的自动分析，提高视频的解析度和质量，减少视频传输过程中的数据丢失和损毁。此外，机器学习还可以自动分析视频内容，提取出视频中的有用信息，为实现更加高级别的视频编码、解码和分析提供更加准确的数据基础。

3.3 超高清视频3D重构技术研究

超高清视频3D重构技术是一种基于计算机视觉技术的新型图像处理技术。该技术可以利用计算机算法对超高清视频图像进行处理和重构，以产生逼真的三维效果。具体而言，超高清视频3D重构技术可以通过对图像进行多层次的分析和处理，提取出图像中的关键点、线条等，从而建立出一幅精细的三维图像。该技术可被应用于3D电影制作、虚拟现实游戏、医疗图像处理等领域。

4. 结束语

本文深入分析了5G网络下基于广电工程的超高清视频技术研究，提出了一些可供参考的技术路线和应用案例，旨在为广电工程领域的从业者提供理论参考和实践指南。未来，将继续关注这一领域的最新动态，不断完善超高清视频技术的质量和用户体验，推动中国数字视听产业的健康发展。

参考文献：

[1]司武旭.5G通信技术传输超高清视频的相关研究[J].现代工业经济和信息化，2022，12（12）：54-55.

[2]中央广播电视总台.超高清视频5G传输技术在北京冬奥等大型转播中的应用[J].广播电视信息，2022，29（12）：43-46.