4K超高清播出系统的关键点探讨

对于国内各电视台，打通全台4K 制播全流程是当前迫切需要的，是互联互通落地实现的重要一步，同时可以推进4K 符合国情的技术标准制定、4K 节目内容生产与引进，以及融合媒体运营的探索。

本文结合超高清及相关最新的技术，针对4K 超高清播出系统的框架、业务流程和关键技术进行探讨。

播出系统 4K 超高清 SDI over IP SDR 与HDR 中央电视台张 娟
一 4K 超高清电视广播发展情况随着受众对电视清晰度要求的不断提高，4K 超高清电视和视频业务受到了热宠。

超高清电视带来更高清晰度、更广视角和三维包络式的音响环境，为观众营造临场感和沉浸式体验。

2014年是超高清发展非常重要的一年，电视机生产厂商纷纷调整战略加大4K 技术投入，Netflix 、三星、索尼、亚马逊等公司都开始推广4K 视频服务。

电视机价格的趋降和内容资源不断丰富，4K 超高清进入快速增长通道。

对于传统的电视媒体而言，由于电视台和地面、有线、卫星的分发渠道在4K 演进方面需要庞大的投资，用传统广播分发4K 内容进程会比较缓慢。

因此在超高清发展的早期阶段，传统媒体转向4K 的措施主要集中在上游制作领域，一些最新的4K 内容一开始或许是通过OTT 渠道分发的。

全球范围的，2015~2016年付费电视广播运营商和许多一级广播公司推出4K 内容商业服务。

4K 超高清电视和视频业务未来将成为广电和网络运营商的基础业务，全球性重大赛事或事件是推动超高清电视产业发展壮大的契机，2016年巴西奥运会实现了全球首次8K 超高清现场实况转根据我国《新闻出版广播影视“十三五”发展规划》中的主要任务要求，适时开播4K 超高清电视试验频道，推动构建高清、4K 超高清电视混合播出系统是媒体发展的必然趋势。

二 4K 超高清播出系统框架关键点
（1）提升电视质量
4K 超高清播出系统设计结合超高清的新技术新工艺，
实现电视节目在分辨率、数字量化、色彩空间、动态范围
以及三维声音频等方面的质量提高。

4K 超高清播出系统延
续采用多通道硬盘自动播出结构，满足各种形态的播出要求，自动或手动实现规定顺序的节目播出，主要播出形态为硬盘或介质的节目录制文件播出，以及来自总控的外来直播信号播出，同时，在播出系统完成图文字幕的混合叠
加，可根据需要进行节目播出进程调整。

（2）新技术新工艺4K 超高清播出系统在业务流程上增加4K 编排和4K 文件管理，引入服务器虚拟化IT 基础架构，增加基础资源
能力，提升4K 文件传输的带宽和4K 文件的转码、质检运算能力。

引入监控大数据处理、人工智能故障分析诊断等技术，达到优化资源配置、敏捷资源整合、应急自动切换、故障智能诊断、低空间低功耗的目标。

4K 超高清播出系统在视音频基础架构方面引入基带信号IP 封装传输方式，使
用通用IT 交换机和物理链路提升4K 无压缩码流的传输带宽，提供更便捷灵活的监听监看方式，引入视音频处理软件化运算，达到视音频处理模块微服务式的灵活伸缩目标。

（3）实现敏捷应用播出业务管理和监测采用模型化设计，应用可动态伸
（计划、备播、播出、播后）全流程的自动
化闭环控制。

播出系统采用通用平台架构，
在IT 通用资源、信息安全平台、软件能力
模块等方面可以与各类现用系统有机融合，并实现新业务的灵活扩展。

4K 播出系统根据新技术发展和业务融合，在软件架构设计上引入管、监、控三维模型体系，业务软件的开发模块化，并支持服务器虚拟化和桌面虚拟化，探索容器化架构和微服务，可实现灵活的纵横扩展与收缩。

2. 体系架构4K 超高清播出系统接入全台原有制播网络体系架构，播出系统与台内各生产系统相互连接，从接口类型来说，
包括节目播出信息交换接口、节目播出文件交换接口、视音频信号接口。

从系统的定位来说，包括上游的节目生产系统、广告管理系统、制作系统、媒资系统、广告系统、演播室系统或主控系统，下游的传输系统和新媒体平台等。

4K 超高清播出系统分为视音频切换系统和播出控制、管理、监控系统两部分。

视音频切换系统处理实时播出的视音频信号，控管监系统实现播出业务的管理（如图1）。

三 4K 超高清播出系统业务关键点 4K 超高清节目播出业务流程分为计划、备播、播出、播后四个阶段。

播出计划阶段完成播出串联单的制作和发布，由总编室及各频道编辑部根据节目播出计划、直播通知及修改通知制作播出串联单，通过节目生产系统发布播出节目单。

播出备播阶段完成节目播出的各项准备工作，播出系统先进行节目单整备，再按照节目单完成节目文件
的整备，并进行直播资源的调度。

播出阶段，播出系统按
照节目时间表完成节目播出。

播后阶段，播出系统完成播
后数据处理及节目文件归档。

1. 节目单据管理4K 超高清播出单据管理需要在原有高清的基础上增加相应的4K 标识。

格式标识需要增加超高清4K 25P ，超高清4K 50P ，超高清4K 100P 等。

声道信息需要增加
5.1+4H 三维声等。

需要增加色域标识，区分Rec.709色域和Rec.2020色域。

需要增加动态范围标识，区分SD/HD 2.4、UHD HLG 、UHD PQ 等。

2. 节目文件管理4K 超高清节目文件管理需要在原有高清的基础上增加
4K 超高清文件的管理。

总体的，文件迁移效率、存储空间、
3. 播出控制管理4K 超高清的播出控制需要增加对50P 帧率文件的解码控制，增加对基带IP 封装的切换控制，增加对SDR 和HDR 混播的元数据管理和控制，增加5.1立体声和5.1+4H
三维声混播的元数据管理和控制等。

四 4K 超高清播出系统视音频处理 关键点1. 超高清电视系统参数2012年8月，国际电信联盟（ITU ）发布了“超高清电视UHDTV （Ultra High-De finition TV ）”标准的建议，将屏幕物理分辨率达到3840×2160及以上的电视称之为超高隔行扫描，每秒25帧，超高清4K 电视提升至逐行扫描，
每秒50帧。

高清电视使用Rec.709色域，超高清4K 提升
至Rec.2020色域，综合量化灰阶的增加，整个色彩空间扩大了。

2. 信号传输基础架构
（1）SDI over Cable
沿袭传统广电应用形态，最开始，超高清传输采用SDI
over Cable ，采用4根3G 同轴来传输12G 的4K 超高清信号，有SQD 和2SI 两种模式。

在这种传输方式下，四路信
号分离传输，画面同步对齐、线缆众多等问题都给系统建设、调试和播出带来很大的困难（如图3）。

SMPTE 也陆续发布了一根同轴传输6G 、12G 、24G
的标准来应对这些问题，目前也有支持12G 的设备落地，
Cable 的传输距离是瓶颈。

（2）SDI over IP
IP 化的演进从2007年开始，SMPTE 发布压缩视频的IP 化标准SMPTE 2022-1、2022-2/3/4，2012年发布高清非压缩视频的IP 化标准SMPTE2022-5/6/7，2015年AES 发布了音频的IP 化标准AES67、SMPTE 发布了网络时钟标
准SMPTE2059-1、VSF组织建议了视音频和辅助数据分离
传输的草案TR03/04，2017年SMPTE发布了无压缩的标准ST 2110-10/20/21/30。

信号IP化以后，各厂商分别用不同的方式实现了路由调度，具体给出三个实测案例。

a.基于IGMP的终端切换
基于IGMP（Internet Group Management Protocol）这种方式下，调度系统对信号的切换调度主要是通过控制终端
源是4路3G SDI封装的基带
信号，接入IP转换网关卡1，
IP转换网关卡1将每路3G信
号用2022-6标准封装为4个
IP组播流，通过25G网络接
口输出接入通用交换机。

IP转
换网关卡2接入通用交换机，
调度系统通过控制IP转换网
关卡2接收的4个组播地址切换来实现信号路由，IP转换网关卡2将接收的输出IP组播流解封装通过4路3G SDI输出，信号送达监听监看单元。

b. 基于私有的IP交换机矩阵的调度
这种方式下，调度系统对信号的切换调度主要是通过广电厂商自主研发的私有专用交换机矩阵实现的。

实测案例（Evertz厂商）如图5所示。

UHD 4K输入信
源是4路3G SDI封装的基带信号，接入IP转换网关卡，IP转换网关卡将输入的每路3G信号用2022-6标准封装为
资料索引号：OF009
4个IP 组播流，通过三个10G
网络接口输出接入专用的IP 交
换机矩阵。

调度系统通过控制IP
交换机矩阵内部的矩阵交叉点切
换来实现信号路由，IP 转换网关
卡将输出的IP 组播流解封装通
过4路3G SDI 输出，信号送达
监听监看单元。

c. 基于OpenFlow 实现SDN 的
信号调度
这种方式下，在OpenFlow
交换机上实现数据转发，在控制
器上实现数据的转发控制，实现
数据转发层和控制层的分离。

实测案例（GV 和正奇厂
商）如图6所示。

UHD 4K 输入
信源是4路3G SDI 封装的基带信号，接入IP 转换网关卡，IP 转换网关卡将输入的每四路3G 信号（1个UHD 信号）用TICO 浅压缩并封装为1个IP 组播流，通过一个10G 网络接口输出接入OpenFlow 的交换机。

调度系统通过控制OpenFlow 交换机的数据层路由来实现IP 流的路由，IP 转换网关卡2将输出的IP 封装的TICO 压缩流解封装解码通过4路3G SDI 输出，信号送达监听监看单元。

三种IP 的调度方式都可以实现
路由的调度，基于IGMP 的终端切换
通过在终端设备上加入待切换的组播
流，对原有的组播流和新加入的组播
流双流解封装后实现静净切换，此方
案能更好地实现IP 设备和信号的互联
互通。

基于私有IP 交换机矩阵则是通
过私有协议在矩阵内部实现信号的切换。

基于Open flow 的调度，通过控制IP 流表的路由地址来调度IP 流，解封装及其相应的信号处理仍然由终端设备来实现。

（3）信号调度的播出实现播出系统相对独立，信号处理采用无压缩，所以播出系统的建设可以独立选用SDI over Cable 或SDI over IP 两种方式。

在IP 化发展初期，考虑设备落地、技术成熟度等，可以考虑两者的混合模式，建立主路、备路或第二备路采用不同的架构。

在接口边界增加信号归一化处理模块，通过IP 网关等设备实现信号与其他系统的接口、封装协议的转换，如图7所示。

3. 图像动态范围（1） SDR 与HDR 标清/高清采用SDR 标准动态范围，对比度1000:1，最高亮度为100nit 。

HDR 的目标是在电视上再现人眼瞳孔无调节时的动态范围特性。

与SDR 相比，HDR 改变了100尼特以上的峰值亮度，大部分高亮度区域的灰度层次和彩色都能再现。

HDR 再现的人物或主体亮度与SDR 相同，仍然是几十尼特，100尼特以下的图像与现有的高清SDR 相近。

2016年7月，ITU-R 发布BT.2100-0标准，定义了两条HDR 曲线。

PQ 感知量化器曲线的特性完全模拟人眼灵敏度，采用“绝对亮度”体系，每个数字编码值（信号电平）与显示亮度都有一一对应的关系。

例如：50%电平对应100尼特，
70%对应600尼特，75%对应1000尼特，83%对应2000
尼特，100%对应10000尼特。

用1000尼特监视器制作的PQ HDR 图像称为PQ1000。

在PQ 绝对亮度体系中母版亮度电平与显示亮度是部分映射关系，低亮度电视机不能显示母版中高于电视机亮度的内容。

峰值亮度600、1000、2000尼特HDR 电视机显示PQ4000的图像时，能够显示的峰值亮度分别为电视机的最大值，峰值亮度以下的图像亮度相同。

HLG 混合对数伽玛曲线的低亮度部分（50%以下电平）
与现有的电视伽玛类似，高亮度部分（50%以上电平）为
对数伽玛，即两种伽玛的混合。

HLG 相对亮度体系与现有
电视系统一样，亮度电平与显示亮度为全部映射关系，
（下转第77页）
三 防范机制的应用
1. 软件与模板的升级
根据所设计的问题防范机制，频道包装系统对包装项制作软件、包装项迁移软件分别进行了功能优化升级；同时对各频道的包装播出模板程序也按照问题防范机制的实现方式进行了重新编写。

目前系统内各种问题防范机制的应用，已经多次成功防范了重大播出事故的发生，在系统中起到了对播出事故防患于未然的作用。

2. 模板测试流程的完善包装模板的测试工作，是包装效果上线播出前必要的过程，模板测试工作的完善，是保证包装与资讯内容安全等问题进行针对性测试，在模板上线播出前将各种功能及应急机制验证完毕，各项测试都通过后方可将模板上线播出。

四 结论综上所述，通过在制作环节的播出时间校验机制、迁移环节的素材文件比对机制以及在播出环节的内容安全判
断机制，在包装的制作和播出各环节对包装效果的播出时
间、素材、文件、模板等各方面可能出现的问题因素都按
照设计目标和设计原则建立了防范的机制，保证了播出安全的万无一失。

HLG 信号的最高电平对应显示设备的最高亮度。

与现有电视系统不同的是，HLG 的系统伽玛不是固定值，而是依据显示屏的亮度可变，显示屏亮度为333尼特~5200尼特时对应的系统伽玛值为1.0~1.5。

HLG 的可变伽玛无需元数据，自动适应，虽然没有绝对亮度体系那么精确，但简单有效。

（2）元数据管理由于多种色域、伽玛共存，需要用元数据来传递相应标识，HDR 元数据标识图像的色域、色温（白色坐标）、伽玛，以确保接收设备正确地还原色域和伽玛曲线。

元数据需要嵌入在实时的SDI/IP 流和视频文件中。

元数据在制作端通过摄像机自动生成或后期制作系统生成，通过统一的标准嵌入在信号的辅助数据区或视频文件的元数据区内，进行传输或交换。

（3）动态范围的播出实现在SDR 和HDR 混合的时代，可以采用统一转换后只播出HDR 格式，也可以采用SDR 和HDR 混合播出。

统一播出HDR 格式，对于文件在播前进行非实时转换，使用后期制作或转码软件把SDR 转换成HDR 格式。

对于信号，用硬件服务器实时将SDR 信号转换成HDR 信号。

但要注意，即使把SDR 节目转换成了HDR 格式，实际画质仍然是SDR 。

SDR 和HDR 混合播出，将SDR 和HDR 节目存储在
同一个视频服务器内进行播出，不做转换，这需要有统一
的规范嵌入SDR 、HDR 标记，同时需要对PQ 曲线的HDR 动态元数据进行传递，使得终端用户接收能正确地还原。

五 总结高质量的内容是广播影视的核心竞争力，在新媒体、融媒体的大环境下，超高清再次突显大屏优势，给观众提
供身临其境的视听享受，在带动家庭终端消费和影片内容
消费上提升效益。

超高清4K 的发展引入了很多新技术和新理念，还需在系统建设的过程中继续探索、积累经验。

（上接第73页）。