1、天道酬勤4K超高清播出系统的分析与研究程宏 安贵江 王磊 刘新同随着受众对高质量视听的需求不断提升，以及媒体科技在UHD、沉浸式音频、新IP标准等融合新技术中的不断开展，开播4K超高清频道势在必行。2023年国际电信联盟ITU发布了超高清电视标准的建议，经过近五年多的开展，中央电视台在4K超高清电视内容的拍摄和制作方面有了一定的积累，在节目交换、播出发布、流程管理等方面进行了充分调研和测试，在HDR、三维声等方面进行了初步探索。随着HDR的推出，UHD应理解为更好的像素，而不是以往单纯的理解成更多的像素。近期，工信部、国家播送电视总局、中央播送电视总台印发超高清视频产业开展行动方案2023-2
2、023年。文中指出，超高清视频是继视频数字化、高清化之后的新一轮重大技术革新，将带动视频采集、制作、传输、呈现、应用等产业链各环节发生深刻变革。加快开展超高清视频产业，对满足人民日益增长的美好生活需要、驱动以视频为核心的行业智能化转型、促进我国信息产业和文化产业整体实力提升具有重大意义。一.国内4K播出系统的现状在4K播出方面，广东省成为我国第一个吃螃蟹者，广东播送电视台在2023年底正式开播4K超高清电视试验频道，成为我国4K开展史上的一个里程碑。中央电视台已建成4K超高清试验频道并在2023年10月1日正式开播。阜阳在接下来将要进行的播出和总控改造，将采取全IP化的方式搭建3+1系统，即3
3、个高清频道+1个4K频道。播出文件格式的选择以及相关问题央视以及广东电视台采用的播出根底参数如以下列图：二.超高清播出设备现状1. 4K视频效劳器播出信号选择方面，目前绝大多数进口视频效劳器，只支持4x3G和IP，在12G SDI的道路上踌躇，不过据了解，哈雷的视频效劳器有望在2023年底支持12G SDI信号的播出模式。目前每台单机都只支持1通道编解码，多通道需求的情况下，需要外置存储或者专用主机进行扩展。国内视频效劳器厂商产品以集播控、切换、图文、字幕等功能于一体的ALL-IN-ONE架构视频效劳器为主，信号选择上以IP为主，也可满足4x3G和12G SDI，并以价格低廉，功能完善，平安性
4、可靠等优点，在备份系统的设计中受到广泛青睐。但由于IP模式尚未成熟，故多将该种视频效劳器用于备份链路使用。播出文件选择方面，除了目前流行的XAVC-I外，XAVC也支持longGOP约200Mb的文件模式，即XAVC-L，但依目前情况来看，该指标对计算性能要求太高，众多厂商都表示目前难以实现。因此，500Mb的XAVC CLASS 300文件格式依旧是目前主要选择对象。目前主流进口视频效劳器，包括哈雷、imagine、GV等根本也只支持500Mb的XAVC I-Frame Class 300封装的4K文件。目前这也是央视采用的标准。该格式采用帧内编码，质量好，实际可以理解为制作交换格式。带宽、
5、容量、计算量等各方面壓力巨大。2. 4K周边设备包括信号转换设备4x3G、12G、IP间的互转、切换设备切换矩阵和切换台、字幕图文包装、介质录放机、SDN交换机、监听监看等播出周边设备对于4K的支持，总体上来说比拟完善，但在对不同播出信号的支持方面，各家却参差不齐，很难在一家供给商找到完善的解决方案，必须要在多家提供商之间进行设备拼凑才能满足实际播出需求，因此，各个厂商设备之间的连通性问题就凸显出来，这方面的完善，需要经过大量的互通性测试。下面简单介绍国内主流设备提供商的设备支持情况：4K处理转换类设备实现HD-4K，12G-4x3G等格式之间的互转，GV、AXON、PESA、EVERTZ等主
6、流厂商都有产品。浅压缩，科维新板卡支持但12G和43G的信号输入，编解码卡之间通过IP互联。实现4K over IP方面，GV有假设干款产品。IP接口采用的25Gb端口，SDI接口采用4x3G输入输出，支持向下兼容HD；Imagine只有一款产品SNP，但功能比拟强大，支持8路4K信号处理，支持静/净切换，下变换等功能。IP接口采用的100Gb端口，SDI接口采用4x3G输入输出，支持向下兼容HD。4K切换开关/切换台GV有兼容12G/4x3G的产品，据称还有一款支持4K基带IP的切换台会在年底发布。ROSS有的周边产品覆盖面相对较广，而且已经有支持单根12G的相关设备，其中包括：视分，帧同步
7、，键控器，16X16矩阵，多画面，IPG网关IP-12G互转。PESA的12G小型矩阵支持切换开关功能，键控功能在近期发布。AXON代理了一款韩国的产品，具有12G切换台等产品。4K矩阵产品GV-SAM有大矩阵，传统架构，规模最大，但很贵。ROSS有12G的矩阵，有大、小两款，性价比拟好。目前演播室、转播车用的较多。该产品是一个多功能产品设计，针对转播车场景，可以把矩阵输入做帧同步、把矩阵作为多画面等特殊功能。但内部为软件处理，没有交叉点板，更不支持冗余交叉点板。PESA有12G的矩阵，最大规模160x160，性价比拟好。目前演播室、转播车用的较多。支持冗余交叉点板等典型矩阵功能。4K信号视分
8、主要是12G产品，PESA、ROSS、AXON韩国、GVSAM等品牌均有产品。4K监看监听等产品12G-SDI的多画面目前PESA和ROSS有；大洋使用Hp效劳器+自己的虹桥八代卡可用作多画面，高清可支持16路，4K可支持4路，目前4x3G、12G、IP均支持。Imagine已经有4K IP多画面产品。4K监视器：SONY和松下均推出一款支持4K的监视器，4x3G，支持HLG、SQ、SLOG3等曲线，HDR，BT.2023色域，价格较为昂贵，均在40W左右，而且监视器体积大。TVLOGIC，4K监视器有12G和4x3G的接口，亮度到达1000nit。国内有OSEE，支持4x3G、12G。价格以
9、及画面效果等具体还需深入了解。监听目前只有支持3G的，没有4x3G或12G的，但峰值亮度只支持800nit。但也有支持IP的ST2110模式下别离音频的监听，需要测试。4K字幕包装目前新奥特已经提供了4K的A10字幕机和4K的石墨图文包装等产品线。进口厂家均为图文包装类产品，非常昂贵。目前也以支持4x3G为主。4K延时器廣州波视、格非都发布了4K的延时器，目前是4x3G的，有望支持12G和IP。4K同步产品泰克公司的同步发生器SPG8000和测试信号发生器TG8000能够为复杂环境提供各种各样的基准信号和测试信号。而泰克自动切换单元ECO8000/ECO8020可以可实现两台同步机主备倒换。S
10、PG8000A是一款精密的多格式主控同步和主控时钟发生器，适用于混合同步发生器和PTP IEEE 1588主控时钟参考信号发生器应用。可满足方案从传统基于SDI的根底设施分阶段迁移到基于IP的视频包括现场制作根底设施的客户的新需求。4K应急介质机索尼和松下均推出了面向4K的应急介质机。SONY称介质机虽支持vdcp控制协议，但在实际测试中并没有到达预期效果，目前索尼的应急介质机正在央视进行测试。松下新推出8K介质录像机，价格不菲。SDN交换机华为公司，已经发布支持25G/100G端口的路由器。有全球独有的净切换功能，但不支持静切换。价格比拟贵。H3C公司，已经发布支持25G/100G端口的SD
11、N交换机。不支持净/静切换。SDN管理软件SDN即软件定义网络，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面别离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。在从SDI向IP过渡，就是从静态的信号架构，向动态信号架构转变的过程。管理一个动态的系统，且要实现广电所见即所得的管理特点，软件是IP系统的核心产品。在传统的制播网络中，去中心化是网络设计的一大目的，但由于SDN概念的开展，并结合目前制播网络的应用，中心化的概念再一次被提上了风口浪尖，将SDN的核心计算放在效劳器集群或云上，以提升计算能力要求来到达节省计算时间的目的。因此，基于SDN的集中化将会是传统制播网络升
12、级的必然趋势。三.基带信号选择分析与思考1. 4x3G-SDI1优势各厂家的4K处理设备过去几年的输入输出均采用4x3G，设备成熟；传输设备包括视分/帧同步/切换器等可以用完全成熟的3G产品每路信号用4台/块。GV独家有4x3G切换台产品供货同时兼容12G。截止目前，绝大局部进口厂家的4K视频效劳器、编码器设备，都只支持4x3G信号输入输出格式。因此，可以立刻搭建出一套比拟完善的播出系统，而且可以保证传统的播出平安架构。但据了解某些厂家有只支持SQD而不支持2SI的情况，如果做集成，需要提前沟通确定细节。4x3G 2SI模式，后者可以在确保假设干路信号丧失情况下，后端依然可以恢复视音频内容，因
13、此监看的时候可以只取一路，节约监看监听环节的本钱。2缺点线缆太多，设备太多，需要更多的空间且部署本钱高昂。4根线传输信号，长期运行会遇到同步漂移的问题。需要回到模拟分量时代的管理方式，即每过一段时间，逐个环节检查同步维护管理倒车。虽然2SI模式可以一定程度防止这个问题，但如果作为正式播出频道，一定会成为一个负担。4x3G系统先进性不高，没有技术上的创新，花费巨资搭建的系统很快会被淘汰，造成资金浪费。随着基带IP技术和12G-SDI技术的开展，4x3G也必然被淘汰。尤其在总控环节根本不可接受。2. 12G-SDI12G-SDI技术的热点在于演播室、转播车等现场制作环节，尤其是在轻量化4K现场制作
14、场景中，开展很快。因此，某一些视音频厂商的产品在这个领域成熟较快。这种方式是对于四线3G的优化改良，技术上并没有什么变化，仅仅是减少了空间和线缆数量的问题。1优势信号架构可以完全回到了目前大家熟悉的单线同轴模式。绝大局部产品已经有供货，包括切换开关、切换台、键控器、4x1、多画面，矩阵也可以到144x144以上规模。且性价比拟好。2劣势进口视频效劳器、编码器没有支持的，但国产的都可以支持，所以如果采用进口产品，局部环节必须用转换器实现信号的归一化。传输距离受限加奈美的L-5.5CUHD直线测试极值100米，更远距离需要采用光端机。且经测试，跳线环节会引入较大的衰减，衰减量在20%左右。因此，在
15、目前末级广泛采用4x1模式下，建议取消绝大局部跳线环节，减少信号传输衰减。从目前在HD的经验，在播出内使用问题不大。目前12G-SDI暂时没有继电器产品，所以所有的产品的背板均不支持掉电旁通。据悉这类产品可能在明年2023年出现。3分析和建议在频道规模不大的情况下，又不想太多改变管理模式，建议采用12G-SDI模式搭建播出系统。优势在于：可以快速上线、架构成熟。性价比拟高，管理模式可以几乎不变，人员适应本钱最低。不支持掉电旁通带来了一定程度风险，但从应急角度，比4x3G可能还是更简单可靠。而且，等12G继电器技术成熟后厂商直接更换背板。3. IP1基带IP协议的现状ST2023-6：成熟协议，解决了嵌入式SDI信号和IP的封装问题。不需要PTP同步即可工作。但需要12G的带宽。4K系统中采用对带宽和端口会造成压力，不建议使用，央视的标准也没有选用。各厂商也没有支持的动力。ST2110：正在完善协议，已经解决了视频、音频、元数据等数据通过IP进行封装的问题。必须要PTP同步才能工作。只需要9G的带宽，大量节省带宽。ST2059：定義了视音频IP设备如何采用PTP时钟进行同步。协议本身已成熟。IS04/05/06：定义了视音频IP设备在网络内如何自发现、注册等工作方式，最终效劳于统一网络管理的需求。目前只发布了IS
