广东广播电视台4K超高清电视制播的实践和思考

范创奇 邢卫东
2017年4月，广东省政府印发了《关于开展新数字家庭行动 推动4K 电视网络应用与产业发展的实施方案》，决定大力推动4K 超高清产业发展，从宽带、显示终端、数字家庭网络应用、4K 节目制作生产等几个方面，带动全省相关产业的发展，预计可实现产值6000亿元以上。

由于发展势头比较好，在今年的3月29日，工信部、广电总局、广东省政府共同召开了4K 产业发展大会，大力推进4K 产
业发展。

根据广东省委省政府的战略部署，广东广播电视台于2017年4月启动了4K 超高清电视制播规划和建设。

经过大半年的努力，取得了技术系统建设的阶段性成果，具备了初步的4K 超高清电视节目制作播出能力，于2017年12月23日顺利启动4K 超高清电视试验播出。

本文介绍广东广播电视台在4K 超高清频道的规划、建设和播出中所做的一些工作，以及这过程当中的一些思考。

一 广东广播电视台4K 超高清技术
系统建设情况1. 技术规划
4K 超高清播出频道在国内尚无案例，国家相关技术标准当时也还未发布，广东广播电视台首先要完成的是相关的
技术储备和技术规划。

从2017年4月份开始，广东台邀请
业内技术专家、核心厂商到台进行技术交流，还多批次组织
技术骨干外出考察，了解学习业内其他单位的4K 超高清电
视技术系统，得到了总局规划院、广科院和业内同行的大力
支持以及宝贵的意见和指导建议。

通过大量的交流和学习，
形成了一个基本的技术思路。

5月份，台内各技术环节共同反复讨论、论证，不断完善思路和方案；6月份，完成了《广
东广播电视台4K 超高清频道制播系统技术方案》。

方案拟定4K 超高清电视节目制播的基本参数为
3840×2160分辨率、50P 帧率、ITU-R BT.2020色域、10bit
色深，暂采用HLG 转换曲线进行4K HDR 节目播出。

提出
4K 超高清电视/HD 电视兼容制作；HDR/ SDR 兼容制作；制作域兼容多种帧率；根据节目形态将后期制作分常规节目制作和高端制作两种工作流程模式；在节目记录/交换/归档与送播上推动网络化/文件化的节目生产流程；声音制播上具备立体声、环绕声和3D 音频制播能力；通过IPTV 和有线电视网络进行节目分发和传输覆盖等技术策略。

2. 产品测试和技术推进
从2017年6月份开始，广东广播电视台技术部门开始与制作、播出设备厂家进行关于设备设计的研讨。

7 至9月份，组织测试了业内主要厂商的4K 超高清设备和技术解决方案，范围涵盖播控设备、摄像机、演播室设备、IP 设备、监视器、后期制作设备等。

这些测试为探索建立电视制作到播出的完整技术链条提供了重要依据，结合相关测试推
测试、监看产品完整链条的形成。

3. 技术系统建设2017年10月份，广东广播电视台启动了第一期4K 超高清建设项目，目标是进行核心的、必要的系统建设和设备购买。

2018年将在第一期建设的基础上，继续完善并新增建设项目。

经过两期的渐进建设后，广东台将拥有成规模的4K 超高清 ENG 摄像机、非编制作网络、素材存储与管理系统、高端后期制作系统，以及配置4K HDR 讯道的演播室群、电视转播车以及总控与调度系统、频道播出系统、信号传输分发系统等技术系统。

上述技术系统构成了相对完整的4K 超高清制播技术体系，如图1所示，涵盖了前期拍摄、收录、后期剪辑、素材管理、调色、特效合成、备播和播出等生产流程，可为4K 超高清纪录片、专题片和综艺节目的制作提供技术支撑，可支持一个4K 超高清频道的节目播出。

4. 4K 超高清节目试验播出 2017年12月23日，广东广播电视台正式启动4K 节目试播。

4K 播出信号通过IPTV 平台、省有线电视网络平台向测试用户组进行分发，用户可通过已授权的专用机顶盒进行解码观看。

二 4K 超高清带来的技术变革和实现 难点超高清技术理念上的变革带来制作工艺、制作模式的变革，在4K 超高清频道的建设过程中呈现出一系列实现难点。

约是CRT 的2倍，远远超过100nit 的传统电视标定值），
动态范围可达3000:1，OLED 平板电视能够达到400nit 以
上的亮度，动态范围可达8000:1以上，随着LCD 技术的发
展，制造1000nit 亮度，动态范围达到或超过105:1的电视屏也具备技术基础，而好的电视屏能覆盖Rec.2020色域的70~80%，平板电视所能够呈现的颜色和动态范围已经远远超过过去的CRT 。

随着技术的发展，在更好的电视屏上呈现接近自然的具有更丰富色彩和层次的内容，电视制播面向宽色域上HDR 的转型升级将成为必然的趋势。

不过，高动态和宽色域在技术发展与认知初期会造成一定的困扰。

首先是转换曲线带来的问题。

HDR 力求能够呈现105:1的动态范围，为了用10bit 或12bit 数据表示105个灰度层次，HDR 技术采用非线性转换为图像高亮部分分配了一定的表达数据，从而获得更好的图像呈现效果。

但不同的机构、厂商推出了不同的转换曲线，其中以杜比的PQ 曲线、
NHK 与BBC 共同推出的HLG 曲线使用最多，
两者针对的动态范围也有所不同。

PQ 定义了一
个10000nit 亮度范围内的绝对亮度转换曲线，
通过静态或动态元数据来确保用户终端准确呈
现HDR 或SDR 视频。

HLG 则以1000nit 为峰
值亮度基准，定义了一个相对亮度转换曲线，
目的是兼容适配不同能力的电视终端（制作端
制作超过1000nit 的HDR 视频时，需要修正转
换曲线）。

此外，索尼、松下、阿莱和佳能等
公司也在摄像机端推出了不同的HDR 曲线以满
足制作端的多样化需求。

这种多元化给电视节目制播带来了困扰，诸多技术参
数的设定不再是唯一的，例如针对不同转换曲线制作视频
需要选择相应的工作参数和显示参数，一旦设置不当，出现不匹配，制作和显示结果就会出现问题。

而对于一些转换曲线标记不明确的视频，难以正确显示。

此外，当对视频进行不同曲线之间的转换时，需要审慎、恰当处理色彩、
灰度层次、动态范围和峰值亮度等的调整和匹配，避免造
成色彩和灰度层次损失。

其次是兼容和同播带来的问题。

考虑到发展的阶段性
及现阶段的兼容制作需求，HDR/SDR 的相互转换是目前
4K 超高清要解决的关键问题之一。

在制播域，4K 超高清发展初期我们关注以下几个问题：4K HDR 制作的节目如何
HDR 节目并在终端更好地呈现，这也是需要努力探索致力解决的问题。

ITU 的相关文件，在上述问题上提出了一些解决方案，需要得到更好的计算能力支持。

目前来看，高质量的实时HDR/SDR 转换产品可望不断改善，从而满足HDR/SDR 同时现场制作以及终端显示的转换需求。

第三是图像表达本身的问题。

HDR 图像与SDR 图像相比，其表现力不仅在于亮度和对比度范围的扩大，还在于图像灰度（电平）分布的差别。

为呈现符合人眼视觉以及逼近自然的图像效果，HDR 图像为大部分亮部区域尤其是高亮区域分配了相对较少的灰度级（或信号电平）来表示，而为中暗部区域分配了较多的灰度级（或信号电平）来表示。

从表1可以看到，HDR 中的参考白为203nit （1nit=1cd/m 2），在HLG 1000nit 系统中给予亮度在203nit 以下的图像75%的信号电平（或灰度级）来表示。

当给予物体203nit 以上亮度（超过亮度峰值的20.3%）表示时，物体的灰度层次会迅速降低，这表明必须慎用高亮度来表示物体。

这和处理SDR 图像的习惯有相当大的区别。

在摄制和调色过程中，不能正确理解和使用HDR 的图像表达方法会造成HDR 图像质量的下降，并严重影响视觉感受。

4K 超高清的到来为基带IP 传输的发展带来了机遇。

一方面，SDI 技术没有为12G 基带体系做好充足准备，比如
传统4×3G 技术带来系统设计的繁琐和实施困难，12G SDI 技术发展迟缓等，而与此同时，基于IP 的技术（尽管首先是基于视觉无损压缩）简洁、灵活地解决了超高清技术体系的建立问题，尤其是提供了简洁、可靠的大规模信号传
输和调度方案。

另一方面，传统
广电技术在发展中遇到了瓶颈，
基于IP 的技术显现出比SDI 技
术更为先进的属性，使得这一技
术在技术体系的更新换代中得到
了更多的重视。

SMPTE （电影和
电视工程师协会）起草的SMPTE
ST 2110 IP 专业媒体标准，解决了
音视频基带领域IP 系统的标准化
和互联互通问题，进一步推动了
IP 技术的应用。

在探讨4K 超高清制播系统基带系统构架问题时，基于IP 的技术是不可回避的问题，但需要关注几个重要问题：第一，对于基于IP 的新技术的学习和适应。

广电工程师和技术值守人员更习惯连接简单、即插即用和所见即所得的SDI 模式。

IP 化将带来不一样的定时标准（PTP ），相对复杂的连接管理（比如多层的网络管理，设备加入的注册、授权，协议的对接和转换等），所见的（监看的）未必是要得到的（输出）的路由特性，打破传统音视频系统的时空边界，等等。

理解、消化基于IP 的技术有一个过程；对于如何规划IP 系统的边界、侦测IP 路由上的故障、确保安全播出，需要一个实践过程；熟悉相关应用并合理操作、维护，也需要一个过程。

第二，对于更为复杂的售后服务体系的适应。

相对于SDI ，IP 技术尽管解决方案更为简洁，但管理更为复杂，不
同层次的网络管理、虚拟化、软件定义网络等等，使得运行维护更为复杂、专业，伴随着IP 技术的应用，IT 行业相对“昂贵”的售后服务将不可避免地进入电视中心基带领域。

第三，IP 化是起点不是终点。

IP 技术对于视音频基带系统的改造尽管具有本质变化，但最初仍然仅仅是传输方式和核心设备的替代，比如光纤替代同轴线，交换机替代矩阵，基带处理设备（如切换台、周边处理设备）增加网
艺带来的变化，并努力、积极地去适应这些变化。

第四，SDI 仍具有其积极意义。

12G SDI 技术出现了积极变化，正在后来居上。

沿用1.5G 或3G SDI 的绝大部分技术框架就可以搭建起与过去工作流程大同小异的12G SDI 技术体系。

在IP 技术构架仍处于探索阶段的时候，安全、稳定的SDI 技术构架仍具有其积极意义，定位也有待观察。

3. 电视制播的工艺变革4K 超高清电视不仅仅是图像分辨率的提升，还从图像的色域、帧频、动态范围和伴音等方面重新定义了电视，其追求的身临其境的“沉浸”式感受给电视观众的视听体验带来了质的飞跃。

4K 超高清电视新的视听追求也带来了电视制播工艺的变革。

（1）前期拍摄的变革在前期拍摄环节，4K 超高清更大的分辨率带来景深更小、聚焦更难的问题。

与此同时，适于4K 超高清拍摄的高质量镜头变得更大、更重、短焦焦段更窄。

同时，4K 超高清摄像机追求更为轻巧的机身，采用单片CMOS 以及更高集成度和智能化的处理电路、固态存储卡记录、更轻的外壳材料等，这使得安装镜头后配重产生了头重尾轻的变化。

这些变化使得摄影师在大多数情况下，难以像过去那样肩扛着摄像机进行推、拉、摇、移的操作。

如果追求更佳拍摄效果，还要携带更多的不同焦段的镜头。

（2）记录和存储的变革4K 超高清非压缩的文件化净数据量是高清（HD ）的10 倍，数据量大大增加。

存储10bit 量化的4K 超高清信号，如果按照Apple 的ProRes HQ 或Avid 的DNxHR HQX 的编码格式记录，码流大约在1.2Gbps~1.5Gbps ，1张256GB 的高速存储卡大约能记录大约20分钟的节目素材。

如果采用Sony 的XAVC 或者Panasonic 的AVC Ultra LT 的编码格式记录，码流大约在400Mbps~500Mbps ，1张256GB 的高速存储卡大约能记录大约1小时的节目素材。

尽管记录单元成本在快速下降，但单位节目时长记录成本相对于此前的磁带和蓝光盘记录仍大大增加了。

如果要追求线性γ的Raw 格式，数据量更大，前期记录则需要借助外置硬盘记录。

4K 超高清电视节目的记录、交换和存储，目前面临几乎无可替代的模式，即前期使用固态存储卡前期记录和后行编辑，之后将成品节目推送到发布区进行发布（包括传
统播出和网络分发）。

（3）演播室制作和播控的变革由于4K 超高清基带码率达到12Gbps ，IP 技术和新的12G SDI 技术逐渐取代1.5G 或3G SDI 技术。

尤其是IP 化
使得系统更为简化，同时使技术朝向虚拟化、集中化管理
和远程化控制而发展。

这要求电视工程师要逐步具备IT 技术的素养，而有偿的IT 售后服务也将进入到传统电视中心基带领域。

（4）后期制作模式的变革在4K 超高清电视来临的时候，成熟的电影制作流程被借鉴并应用到电视制作中来。

但是，电视节目量大、快速、小团队制作的特点，使得它在“拿来”电影制作模式时存在不少问题。

后期制作中，数字电影通常有代理剪辑、回套、合成和调色等环节，复杂的还需要多级校色。

这些对
于大多数电视节目制作来说不现实。

如何合理地确定存储
码率？如何提高现有技术对多层实时编辑的支持能力？如何令HDR 的图像准确呈现？节目制作如何兼顾快捷与高质量的要求？这一系列的问题，成为过去一年多来广东台和后期设备生产厂商交流的主题。

采用拍摄录制的原码流编辑、三层以上的快速非线性制作、高质量的HDR/SDR 转换等技术在过去一年有了突破性进展。

（5）监看工艺的变革高分辨率的大屏、高动态范围、宽色域等因素，带来了全制播域节目监看工艺的变化。

需要考虑让导演和编辑人员既能舒适监看，又能感受和表达大屏幕沉浸式视频镜头语言。

在高清到超高清的过渡期，要确保4K 超高清节
目制作系统制作的节目能够在高清频道使用，还需要监看Rec.709色域的SDR （标准动态范围）图像效果。

视声音的表现力更强。

同时，制作工艺也更为复杂。

（7）灯光和舞台设计的变化
4K HDR超高清也给灯光和舞台设计带来变化。

由于摄像机感光器件的像素点更密更小，现场摄制要求更高照度和更均匀的灯光铺设。

同时也要求灯光和舞台设计更为细腻，一方面，4K HDR拍摄的图像无论是亮部还是暗部都呈现了更多的细节，灯光和舞美设计必须处理好相关细节，要体现出符合4K HDR图像特性的效果，给出更为丰富的暗部层次和恰到好处的亮部处理；另一方面，灯光和舞台设计可以更为大胆地运用过去不敢使用的丰富色调，营造电视图像在宽色域上的丰富色彩。

从灯光和舞台设计开始控制作品色调和质量可能是4K 超高清电视制作中可以尝试的一个新的工艺手段。

4. 4K超高清电视的传输和终端接收问题
目前，基于AVS2国标的超高清电视传输方案还在推进中，4K超高清电视频道的落地还存在问题。

考虑到4K 超高清节目的色域、动态范围、分辨率等与电视接收机的匹配存在问题，终端的接收效果还不尽如人意，要令用户真正地体验到4K超高清带来的震撼效果还并不容易，这给推动4K超高清电视带来一定的困难。

25P机顶盒）和接收机的终端用户能更好地接收并呈现4K 超高清频道节目。

在有线电视网，目前则主要在试验播出Rec.2020色域上的50帧率HDR（10比特）节目。

对于电视分发到终端的适配，广东广播电视台联合广
科院和相关运营商、机顶盒和电视机厂家一起正在起草一份《超高清晰度电视技术应用指南》，希望规范元数据，
并通过机顶盒与电视终端的握手和通信，以及机顶盒端的HDR/SDR和4K UHD/HD转换形成4K HDR电视图像在存量和增量电视终端上的全面高质量覆盖，以期解决目前的4K超高清电视落地问题。

三结束语
4K超高清电视技术目前处于开发期，内容创作模式有
待实践，是探索性的实验工程。

推进4K超高清电视对于电视台来说是压力也是机遇，我们在关注各种问题的时候，也在积极探索、协调和解决这些问题。

目前，国内4K标准在逐步落地，技术在加快发展，具有“更大的尺寸、更宽的色域、更高的动态范围和更好的声音体验”的真正意义上的4K超高清平板电视正在起步发展。

希望经过一个阶段性的探索和推动，我们可以真正迎接4K超高清电视时代的到来。

（上接第56页）
2. 安防系统
由于转播车经常辗转各地，对于车内设备，零配件的安全防范也值得引起重视。

如果在车内安装无死角安防监控系统，那么对于车内人员的安全得到了充分的保障，对于播出工作提升了效率。

四结语
本次崇明区新闻传媒中心全媒体高清转播车项目的总体规划设计在吸取了各大媒体单位转播车成熟应用的基础之上，结合全媒体环境应用的具体需求，与上海东方传媒技术有限公司的技术团队通力协作，在人机操作环境的优化、制作内容的多屏推流传输、转播车全方位智能监控和安防系统的全方位部署和AR/VR及全媒体互动制作的扩展预留，做了一些大胆的创新，应用了最新的互联网技术和理念，使得本转播车实现了全媒体采集、制作、编码和分发的各项功能，并顺应了当前移动互联网时代的迅猛发展，满足了崇明区新闻传媒中心全媒体宣传制作报道的需求，同时也通过一些微创新对现有系统提出了一些新的构思和想法，为今后的媒体互动、虚拟包装、全流程分发等配套提供技术支撑，也为崇明世界级生态岛的建设发展提供有力的全平台全流程媒体宣传、报道的技术服务能力。

参考文献
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[2] GY/T 157-2000 演播室高清晰度电视数字视频信号接口
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