高清兼容4K制作方案的技術(shù)要點及應(yīng)用

羅新艷

【摘 要】 高清兼容4K制作方案在原有高清演播室建設(shè)4K高端制作島1和超高清制作島兩個系統(tǒng)，既可保證高清節(jié)目的正 常播出，又可保證4K版節(jié)目的儲備。

【關(guān)鍵詞】 高清；4K；兼容；節(jié)目；授時系統(tǒng)；收錄服務(wù)器；色彩空間轉(zhuǎn)換

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.009

【Abstract】HD compatible 4K production program is construction of two systems in the original HD studio， which are 4K high-end production island 1 and ultra high definition production island， ，not only to ensure the normal broadcast of high- definition programs， but also to ensure the 4K program reserves.

【Key Words】HD； 4K； compatibility； program； time service system； collection server； color space conversion

目前來看，高清進入4K時代仍需要一段時間，中國中央電視臺（以下簡稱央視）新址建設(shè)了4K高端制作島1和超高清制作島兩個系統(tǒng)，用于4K相關(guān)技術(shù)的預研和功能驗證。4K高端制作島1是為解決前期拍攝與后期制作流程的銜接，解決高低碼率自動化套片與素材自動挑選上載、RAW編輯和壓縮編碼編輯。超高清制作島用于實現(xiàn)節(jié)目的快速制作。

1 設(shè)計思路和技術(shù)要點

1.1 設(shè)計思路

4K電視節(jié)目采集方面包括演播室直播/錄播、轉(zhuǎn)播車直播/錄播和前期ENG（Electronic News Gathering電子新聞拍攝）為主的三種形態(tài)，特別是演播室和轉(zhuǎn)播車直播/錄播形態(tài)，是為4K頻道積累節(jié)目的重要手段，建設(shè)的兩個制作島前期主要應(yīng)對ENG素材與后期制作流程，隨著新址演播室的4K改造，制作島將加入演播室錄制節(jié)目的制作流程（見圖1）。

目前，演播室采用高清格式服務(wù)于現(xiàn)有各頻道。短時間內(nèi)建成全4K演播室還存在一定困難。所以，在近一兩年中采用高清兼容4K的過渡方案，以解決4K素材的儲備。首先，改造的前提條件是不影響現(xiàn)有節(jié)目制作流程，僅對原有的高清攝像機進行更新。通過CCU（Camera Control Unit，攝像機控制單元）提供高清下變換信號給原有的高清切換系統(tǒng)，實現(xiàn)高清節(jié)目的直播，高清切換臺、矩陣、同步等系統(tǒng)完全保留。高清信號提供給原有EVS視頻服務(wù)器的錄制系統(tǒng)，并通過演播室網(wǎng)關(guān)將PGM（Program，節(jié)目）主切、副切、單掛信號提供給后期制作島，進行直播節(jié)目的修整與錄播節(jié)目編輯，實現(xiàn)4K制作的“快編立出”制作效率。其次，更換的4K攝像機4K信號輸出將旁路給4K收錄系統(tǒng)，實現(xiàn)各信道4K信號收錄，并用于4K節(jié)目的編輯。演播室4K改造目的是為了推動4K節(jié)目的儲備量，為未來4K頻道的開通積累片源，4K演播室的初級階段工作模式將以高清為主，演播室及后期制作采用高清兼容4K模式，是高性價比和高效的改造方案；未來4K普及后，再實現(xiàn)4K兼容高清下變換的工作模式。

1.2 技術(shù)要點

為了實現(xiàn)高清兼容4K的生產(chǎn)模式，演播室系統(tǒng)原有的高清系統(tǒng)完全保留，通過有限的改造與技術(shù)開發(fā)，確保高清兼容4K的可行性。目前，主要解決的技術(shù)問題（見圖2）如下：

（1）高性價比的4K收錄服務(wù)器；

（2）高清/4K環(huán)境統(tǒng)一的授時系統(tǒng)或各自域內(nèi)統(tǒng)一的授時系統(tǒng)；

（3）基于高清PGM切點產(chǎn)生4K PGM Clean版；

（4）“快編立出”與帶切點的4K時間線精編；

（5）基于高清PGM的字幕對位。

2 技術(shù)功能點驗證

2.1 高性價比的4K收錄服務(wù)器

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)播車/演播室系統(tǒng)采用了以EVS高清視頻服務(wù)器為主的收錄系統(tǒng)，EVS單臺服務(wù)器的造價相對較高，導致演播室的收錄通道數(shù)量受到了極大限制，較大的演播室配置的EVS記錄和回放通道達到6～8，也形成了以主切、副切、2路單掛4路信號與制作島交互的模式。新興的節(jié)目類型為了實現(xiàn)節(jié)目效果，演播室系統(tǒng)部署更多的攝像機通道，原有的記錄模式逐漸不能滿足需求。國內(nèi)廠商學習國外產(chǎn)品經(jīng)驗而開發(fā)的高清多通道收錄服務(wù)器，采用通用的PC硬件平臺，單臺PC Server可實現(xiàn)不少于8路的高清信號收錄，2～3臺服務(wù)器即可涵蓋新興節(jié)目的機位需求。

4K收錄服務(wù)器的狀況與高清類似，目前少量國外廠商可以提供專有硬件，設(shè)備成本高達上百萬，支持雙通道收錄。央視聯(lián)合國內(nèi)廠商，總結(jié)高清多通道收錄服務(wù)器的開發(fā)經(jīng)驗，提前著手4K多通道收錄服務(wù)器的開發(fā)，實現(xiàn)單臺PC Server 2路4K信號的收錄能力，并實現(xiàn)4K SDR與HDR的支持，極大地降低了每通道的收錄成本，使4K多通道收錄成為可能，確保了高清融合4K生產(chǎn)模式下技術(shù)方案的可行性。

2.2 高清/4K環(huán)境或各自域內(nèi)的統(tǒng)一授時系統(tǒng)

現(xiàn)階段演播室的高清信號處理系統(tǒng)提供了統(tǒng)一授時，確保切換臺可以正常工作，有效保障各收錄服務(wù)器記錄的視頻時間碼的一致性。國產(chǎn)的4K收錄服務(wù)器雖然采用PC Server平臺，但作為一個專業(yè)視頻設(shè)備，可以使用演播室授時信號。

由于中國采用的高清格式與4K幀速率不同，現(xiàn)有授時系統(tǒng)按時：分：秒：幀授時，因此，需要對4K收錄服務(wù)器自動進行幀速率的倍頻，提高系統(tǒng)的適配能力。

高清演播室系統(tǒng)設(shè)計時，通常剩余端口數(shù)量有限，國產(chǎn)4K收錄服務(wù)器同時考慮到了演播室不能提供授時情況，系統(tǒng)同樣具備內(nèi)部授時功能，確保各服務(wù)器記錄的素材時間碼的同步。國產(chǎn)4K收錄服務(wù)器利用IT技術(shù)的NTP服務(wù)，確保各服務(wù)器本地時間的一致性，即服務(wù)器記錄素材時，取服務(wù)器的本時時間碼即可獲得收錄群組內(nèi)的時碼，實現(xiàn)更高精度的時間同步。這也是針對高清融合4K過渡階段采用PC Server國產(chǎn)4K視頻服務(wù)器的解決方案一。endprint

2.3 基于高清PGM切點產(chǎn)生4K PGM Clean版

高清演播室僅進行了攝像機的更新?lián)Q代，原有高清切換臺保留，高清最終的成品節(jié)目PGM由切換臺輸出，用于直播或到EVS視頻服務(wù)器進行記錄，其他通道可以由攝像機CCU提供4K信號源，使用4K切換臺同切4K PGM提供給4K多通道收錄服務(wù)器是可選手段之一。但演播室空間有限，現(xiàn)階段配置4K切換臺的意義不大。4K PGM信號通過其他更高性價比的技術(shù)手段解決更為現(xiàn)實。央視與國產(chǎn)服務(wù)器廠商聯(lián)合提出了切換臺Tally信號解析方案（見圖2），單獨提供一臺4K PGM的合成服務(wù)器，雙方提前統(tǒng)一攝像機通道信息。

4K PGM合成服務(wù)器在演播室錄制或直播過程中，記錄當前時間下演播室切換臺選用的通道信息，并記錄不同通道切換的推子延時信息，達到鏡頭切換及轉(zhuǎn)場的解析。在收錄完成后，根據(jù)通道信息讀取各收錄服務(wù)器素材，按照高清切換臺的切換，拼接出4K PGM Clean版本的PGM，從而解決演播室現(xiàn)實存在的4K PGM產(chǎn)生的問題。傳統(tǒng)AV設(shè)備采用RS232/422通信，而多通道收錄解決方案通過IT技術(shù)，有效解決了AV方案存在的難題。4K PGM合成服務(wù)器與收錄服務(wù)器相同，可采用多種授時方案，收錄服務(wù)器與合成服務(wù)器采用內(nèi)部授時方案。PGM成品節(jié)目合成通過相對時間碼即可實現(xiàn)拼接，與演播室原有授時完全無關(guān)。4K攝像機信號下變換、切換臺切換延時、音頻信號加嵌、信號上變換都會產(chǎn)生延時，測試過程中進行了高清PGM與4K PGM的對比，產(chǎn)生了4/50幀的延時，通過服務(wù)器解析及后續(xù)拼接處理，畫面延時得以精確調(diào)整。同時也方便地使用首個4K通道進行音頻加嵌，PGM合成時自動鋪放首個通道的音軌作為PGM音頻軌道，產(chǎn)生帶聲音的4K PGM Clean版。

2.4 “快編立出”與帶切點的4K時間線

通過引入國產(chǎn)4K多通道收錄服務(wù)器，有效降低了設(shè)備成本，演播室旁路可以收錄全部4K通道。高清融合4K方案下，可沿用原有主備PGM和單掛的錄播節(jié)目“快編立出”方案，對部分切換有問題的鏡頭進行簡單替換，即可將高清PGM 90%以上內(nèi)容實現(xiàn)一致性的4K成品用于融合媒體的播出，可以快速積累4K內(nèi)容。

各通道收錄素材是完整的，是后續(xù)實現(xiàn)精編方式的必要條件。4K PGM合成服務(wù)器解析Tally切換點，具備PGM生成功能，同時也具備不產(chǎn)生PGM而提供時間線交換格式（見圖3）的能力，由非編引入交換格式，自動套用各軌道信息，產(chǎn)生帶剪輯點的4K PGM，用于節(jié)目的精細編輯

2.5 基于高清PGM的字幕對位

合成服務(wù)器生成的4K PGM Clean版成片，不包含字幕。4K多通道收錄系統(tǒng)配備的高清PGM收錄通道，在內(nèi)部形成閉環(huán)。“快編立出”或精細編輯模式，以系統(tǒng)內(nèi)部的高清成品為參照，不依賴原有的演播室網(wǎng)關(guān)傳輸高清PGM。

引入高清PGM主要用于虛擬、外來高清信號的替換，可以在非編直接上變換，畫質(zhì)與演播室硬件上變換質(zhì)量相同（見圖4），減少了演播室AV設(shè)備的配備，降低成本。

高清PGM同時用于字幕在4K PGM的對位，在中央電視臺系統(tǒng)已完成了字幕工程文件交換規(guī)范的制定。演播室高清PGM的字幕工程文件提供給制作島，島內(nèi)繼承字幕內(nèi)容與時間點，并適應(yīng)到4K時間線，參照高清PGM的字幕上屏的首句時間點進行對準，全部字幕位置即可在4K版對位成功（見圖5）。

3 多通道收錄系統(tǒng)應(yīng)用場景

綜藝節(jié)目多采用演播室錄制的方式，“快編立出”方式可以實現(xiàn)節(jié)目的高效生產(chǎn)。在4K頻道開播前，采用融合媒體分發(fā)的方案，實現(xiàn)4K成品與受眾的對接，用戶可以通過機頂盒，進入央視專區(qū)4K節(jié)目進行點播，獲取更好的收視體驗。“快編立出”方案是4K頻道開播前的必經(jīng)階段，可以實現(xiàn)成片的快速增長，主要適應(yīng)于直播節(jié)目的重播制作和準直播節(jié)目的后期制作。而大量的綜藝節(jié)目采用演播室錄像，進入后期精編的方式，現(xiàn)場的PGM版本與未來成片會存在差異，基本無參照意義，甚至高清收錄的版本將進入高清制作島編輯，4K素材進行4K島編輯，由不同制作島分別完成高清、4K成品制作。精細編輯即跨島編輯高清和4K版本，保持剪輯內(nèi)容的一致性，也存在大多不可控因素。因此，本方案將4K成品的精細編輯方式界定為同島生產(chǎn)高清和4K成品，使用高清成品套4K和4K直接下變換高清兩種方式。

3.1 4K常規(guī)化節(jié)目制作應(yīng)用

現(xiàn)階段的“快編立出”方式，直接使用收錄服務(wù)器的4個通道素材的記錄SSD（Solid State Disk，固態(tài)硬盤），所需帶寬相對較低，可用于直接編輯。精細編輯方式使用更大容量的磁盤箱，掛載多通道素材記錄的SSD或復制到工作站自有的大容量存儲，如圖6所示，實現(xiàn)高效代理碼率轉(zhuǎn)換與實時編輯。

4K高端制作島系統(tǒng)和超高清制作島系統(tǒng)主要采用Mac Pro工作站平臺和Final Cut Pro X非編軟件，通過Thunderbolt 2高速連接，提供2.5 GB的有效帶寬，適配收錄通道SSD直接掛載、編輯方式。同時提高傳輸性能，在協(xié)作生產(chǎn)模式下可以實現(xiàn)4K素材對多工作站的分發(fā)復制。

3.2 存儲拷貝上傳效率

筆者對4K@50P至Promise R6存儲拷貝的上載效率進行了測試，見表1。

根據(jù)實際測試結(jié)果，使用高速磁盤箱，可以實現(xiàn)10倍速的素材復制、分發(fā)效率，支持不少于10個通道XAVC編碼素材的在線編輯，使得精細編輯模式的可行性得以實現(xiàn)。而非編具備了良好的多碼率管理功能，支持優(yōu)化編碼自動生成方式，為多軌4K實時編輯提供更好的用戶體驗。需要進行精細編輯的節(jié)目，按發(fā)展階段區(qū)分為以高清成片優(yōu)先和4K成品優(yōu)先兩個階段，對應(yīng)了高清成品套4K的生產(chǎn)模式和4K成品下變換高清的生產(chǎn)模式。

3.3 4K精細化節(jié)目制作應(yīng)用

高清采用Rec709色域，而4K采用SDR和HDR兩種色域。面向高清成片優(yōu)先的生產(chǎn)階段，演播室素材優(yōu)先下變換1 080 50P格式，系統(tǒng)提供了半自動的處理工具，可以批量進行畫幅、色彩空間的轉(zhuǎn)換，并且碼率可以得到有效控制，適配高清制作需求。下變換在1 080 50P素材與原有的4K素材保持相同的時間碼與幀速率，用于高清成品的復雜編輯，畫面剪定后按原有的高清制作流程，走內(nèi)審、入庫、備播流程。從1 080 50P變換為1 080 50i格式，目前主流非編軟件都可以很好地支持。

從高清入庫備播版本的時間線實現(xiàn)4K素材的成片。4K素材使用Rec2020色彩空間，支持HDR、WCG，通過非編與專業(yè)校色軟件協(xié)同工作，完成4K HDR母版的制作，具備更高動態(tài)范圍的色彩空間及亮度，適配4K電視的展現(xiàn)方式。

使用高清兼容4K的方式，針對高清和4K進行兩個版本的處理，隨著非編性能的進一步提升和4K節(jié)目量的提升，后期制作將統(tǒng)一合并到4K一個版本，直接使用4K素材進行后期處理，依靠軟件自身的算法自行產(chǎn)生優(yōu)化碼率，提高編輯的實時性。工作過程中，隨時進行原始碼率和優(yōu)化碼率的切換，完成4K SDR/HDR版本的制作。下變換高清成品時，軟件自動從4K素材原始分辨率下變換高清，而不是從優(yōu)化碼率生成高清版本，節(jié)省了前端素材轉(zhuǎn)換高清版本的時間開銷和高清完成版本套4K的工作節(jié)點，節(jié)省了各自版本的調(diào)色、包裝合成工作，同時確保了高清版本、4K版本的一致性。

4 結(jié)束語

高清融合4K的生產(chǎn)方式適配電視臺現(xiàn)階段的制作需求，是高性價比的解決方案，為向4K生產(chǎn)方式過渡奠定了基礎(chǔ)。

（編輯 杜 青）endprint