電視節(jié)目的高清直播及4K制作

沈雁

【摘 要】 通過(guò)分析世界杯《豪門盛宴》節(jié)目的高清直播以及4K錄制的方案，探討現(xiàn)階段大型綜藝節(jié)目采用高清兼容4K、虛擬場(chǎng)景特效等技術(shù)的制作模式。

【關(guān)鍵詞】 電視節(jié)目制作；高清兼容4K；多通道收錄；虛擬特效

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.07.010

2018年6月14日?7月15日，2018年世界杯在俄羅斯舉行。中央電視臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“央視”）作為世界杯中國(guó)地區(qū)獨(dú)家全媒體轉(zhuǎn)播商，在世界杯期間完成多檔的自制節(jié)目，并且在莫斯科紅場(chǎng)還搭建了前方演播室，及時(shí)傳回精彩的前方報(bào)道。其中，在每屆世界杯期間制作的球迷觀眾喜愛(ài)的足球綜藝節(jié)目——《豪門盛宴》，于每晚球賽前在CCTV1和CCTV5兩個(gè)頻道進(jìn)行直播，在進(jìn)行高清直播的同時(shí)，還收錄了所有攝像機(jī)4K信號(hào)，并采用虛擬切換合成的方式快速制作4K版的《豪門盛宴》，在央視4K超高清試驗(yàn)頻道開(kāi)播前，先推送到全國(guó)部分有線電視網(wǎng)的央視4K專區(qū)供觀眾點(diǎn)播。

1 演播室制作系統(tǒng)分析

《豪門盛宴》使用央視光華路辦公區(qū)的E01演播室（2 000 m2）進(jìn)行節(jié)目制作。舞臺(tái)布置分為常規(guī)節(jié)目區(qū)和虛擬綠箱區(qū)，如圖1。

節(jié)目使用10訊道4K攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，攝像機(jī)型號(hào)為池上UHD430。10訊道中包括3臺(tái)虛擬機(jī)位，其中一臺(tái)為固定虛擬機(jī)位，一臺(tái)為3 m的虛擬搖臂以及一臺(tái)NCAM定位的8 m搖臂共同完成虛擬特效。固定虛擬機(jī)位和3 m的虛擬搖臂主要用于綠箱區(qū)的拍攝，合成前景及背景的虛擬特效。NCAM定位配合常規(guī)搖臂拍攝演播室常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)虛擬植入的特效。

《豪門盛宴》作為一檔直播互動(dòng)節(jié)目，還要與前方紅場(chǎng)演播室、各比賽地點(diǎn)和隨隊(duì)記者連線，以及接收由前方制作團(tuán)隊(duì)選切回的球賽預(yù)熱畫面，如各球隊(duì)乘坐大巴到達(dá)比賽現(xiàn)場(chǎng)等畫面。

E01演播室群共8路外來(lái)信號(hào)供《豪門盛宴》直播使用，其中，除支持本地4路外來(lái)信號(hào)接入外，還有共享的4路公共外來(lái)信號(hào)。

演播室使用2臺(tái)EVS XT3服務(wù)器用于節(jié)目插播放像以及高清節(jié)目的收錄，其收錄無(wú)字幕版節(jié)目信號(hào)（CLEAN PGM）。同時(shí)，使用XT3服務(wù)器做外來(lái)信號(hào)的精彩編輯，由一名體育編輯即時(shí)剪輯球賽預(yù)熱畫面作為精彩回放。

演播室使用3套ORAD在線包裝系統(tǒng)，用于支撐節(jié)目包裝如人名條、唱詞、角標(biāo)LOGO等。節(jié)目直播采用后延時(shí)方式，延時(shí)20 s播出。《豪門盛宴》演播室系統(tǒng)包括信號(hào)源、直播及錄像系統(tǒng)，示意如圖2所示。

2 節(jié)目的虛擬特效

一般來(lái)說(shuō)，虛擬特效可以分為虛擬背景和虛擬前景。

虛擬背景，是以計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫“虛擬”出的場(chǎng)景取代道具實(shí)景，現(xiàn)場(chǎng)布景由藍(lán)箱或綠箱取代，攝像機(jī)拍攝的畫面只是圖像的前景，背景則由相配的圖形工作站制作產(chǎn)生。人物通過(guò)鍵控器從藍(lán)箱或綠箱中摳出再疊加到制作好的虛擬背景上，即可輸出一個(gè)渲染好的合成畫面。

虛擬前景，就是不摳像，是在攝像機(jī)畫面的前面再疊加一個(gè)虛擬的場(chǎng)景，比如體育館或得分標(biāo)牌等，在人物的前面懸浮在實(shí)物場(chǎng)景中。

而前景和背景相結(jié)合就可以得到把人物鑲嵌在三維場(chǎng)景中的特效，更加貼近實(shí)景，還能虛擬出很多充滿想象力的畫面。本次《豪門盛宴》的直播中，就結(jié)合了虛擬前景、虛擬背景的特效，虛實(shí)結(jié)合的特效完成陣容預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互動(dòng)等節(jié)目環(huán)節(jié)。

虛擬制作過(guò)程中，需要注意一些細(xì)節(jié)，以保證畫面的質(zhì)量及真實(shí)感。一般綠箱虛擬錄像常常應(yīng)用于后期制作的節(jié)目，在彩排時(shí)需要配合綠箱虛擬錄像仔細(xì)地調(diào)整攝像機(jī)的狀態(tài)并記錄下來(lái)，保證直播中人物摳像干凈。同時(shí)，需要通過(guò)虛擬跟蹤系統(tǒng)獲取攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，包括攝像機(jī)的變焦、聚焦、平搖、俯仰及攝像機(jī)位置的X、Y、Z信息。

《豪門盛宴》的虛擬場(chǎng)景中，除了使用常規(guī)的固定機(jī)位和1臺(tái)虛擬搖臂之外，還使用了1套NCAM跟蹤系統(tǒng)，如圖3所示。這種新式的跟蹤系統(tǒng)可以通過(guò)兩個(gè)攝像頭模擬人眼的原理，通過(guò)角度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)三維位置的定位，只要在場(chǎng)景中有直角或定位標(biāo)識(shí)，就可以得到攝像機(jī)X、Y、Z位置數(shù)據(jù)，用于虛擬渲染（見(jiàn)圖4）。

3 高清兼容4K制作模式

4K超高清因其更高分辨率、更寬色域和更高動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)成為電視行業(yè)的發(fā)展方向，央視將于2018年10月1日開(kāi)播4K超高清試驗(yàn)頻道。從制作模式來(lái)看，如紀(jì)錄片等節(jié)目的單機(jī)外拍并經(jīng)后期精細(xì)化制作后輸出成品節(jié)目的模式，目前已經(jīng)相對(duì)成熟，《舌尖上的中國(guó)》《記住鄉(xiāng)愁》等精品紀(jì)錄片都是這種模式制作的。當(dāng)然由于4K的素材碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高清素材碼率，所以在信號(hào)傳輸、后期組網(wǎng)、多軌編輯和存儲(chǔ)上還有一些受限。

對(duì)于超高清演播室現(xiàn)場(chǎng)制作，IP化是目前業(yè)內(nèi)共識(shí)的發(fā)展方向，在目前SMPTE2022-6（SDI over IP）的標(biāo)準(zhǔn)框架下，還有一些系統(tǒng)上的障礙，相對(duì)于全流程系統(tǒng)的不成熟。在攝像端，3片2/3英寸CMOS的全4K攝像機(jī)已經(jīng)在近兩年推出。所以，在當(dāng)下向4K時(shí)代過(guò)渡的前4K時(shí)期，采用高清兼容4K的制作模式來(lái)迅速積累4K素材應(yīng)對(duì)4K頻道的開(kāi)播，即只有攝像機(jī)更換為4K攝像機(jī)，演播室系統(tǒng)仍為高清系統(tǒng)。制作《豪門盛宴》的E01演播室就采用這種方式，使用池上的UHD430超高清攝像機(jī)，嫁接在原高清的制作系統(tǒng)之上，如圖5。

首先，4K攝像機(jī)的高清輸出接口接原高清系統(tǒng)制作高清節(jié)目，完成直播或錄像，與原高清系統(tǒng)輸出的節(jié)目信號(hào)沒(méi)有區(qū)別。

4K攝像機(jī)的4K輸出則由4K多通道錄制服務(wù)器進(jìn)行收錄。為了快速地制作與高清直播內(nèi)容相同的4K版節(jié)目，如果只進(jìn)行多機(jī)位的收錄，然后在后期用高清進(jìn)行人工比對(duì)來(lái)制作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以采用虛擬切換合成4K節(jié)目信號(hào)的方法，快速生成4K版本的節(jié)目素材。

3.1 4K節(jié)目的多通道錄制并合成

在高清節(jié)目制作中，隨著季播類節(jié)目的熱播，攝像機(jī)機(jī)位大大增加，在拍攝現(xiàn)場(chǎng)主演播區(qū)畫面的同時(shí)，還要拍攝記錄下嘉賓、觀眾的反應(yīng)等演播現(xiàn)場(chǎng)的細(xì)節(jié)畫面。而多機(jī)位拍攝不僅僅是增加攝像機(jī)的數(shù)量，還帶來(lái)同步記錄素材、后期多軌同步編輯的需求。由此而來(lái)，在前期拍攝時(shí)，多通道錄制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)按照相同的時(shí)間碼記錄多個(gè)機(jī)位的素材記錄，使錄制素材同步；在后期制作時(shí)，可以多軌同步編輯多機(jī)位的錄制素材，再現(xiàn)節(jié)目錄制現(xiàn)場(chǎng)。目前，很多大型的綜藝節(jié)目已經(jīng)采用這種方式。

現(xiàn)在，建立在IT技術(shù)之上的多通道錄制系統(tǒng)已經(jīng)可以支持4K素材的錄制。因此，對(duì)于只有攝像機(jī)升級(jí)為4K的演播室系統(tǒng)，采用4K的多通道錄制系統(tǒng)，也可以制作出4K的節(jié)目。

第一階段，由于沒(méi)有切換的4K PGM版本，所以同步記錄4K多通道錄制素材，需要采用人工的方式與高清PGM比較，在時(shí)間線上按照高清PGM的切換點(diǎn)來(lái)手動(dòng)拼接素材，合成最終的4K PGM。

第二階段，切換臺(tái)可以輸出自己切換的信息，按照高清切換臺(tái)的切換信息通過(guò)軟件自動(dòng)讀取4K多通道的錄制素材并合成4K PGM版本，這樣可大大節(jié)省人工比對(duì)的時(shí)間。

第三階段，在合成4K PGM的同時(shí)能夠立即播出，并實(shí)時(shí)監(jiān)看4K PGM。

當(dāng)然這種方式是現(xiàn)階段兼容制作的妥協(xié)方案，合成的4K PGM還要進(jìn)入超高清后期制作進(jìn)行簡(jiǎn)單剪輯和調(diào)色。

在實(shí)際的節(jié)目制作中，也并不是所有的信號(hào)源都是4K的。正如前面所說(shuō)，在當(dāng)下前4K時(shí)代，節(jié)目制作常常只有攝像機(jī)信號(hào)是4K信號(hào)，而插播素材、字幕、包裝、虛擬等特效畫面還都是高清信號(hào)，如果僅以純4K信號(hào)來(lái)制作，往往節(jié)目是不完整的，很多創(chuàng)意還不能滿足。所以，在兼容制作的模式下，把非4K信號(hào)源進(jìn)行上變換得到4K信號(hào)，再與攝像機(jī)的原4K信號(hào)混切。比如《豪門盛宴》節(jié)目最終生成的4K版，實(shí)際上只有演播室攝像機(jī)是4K信號(hào)，其他信號(hào)都為上變換的準(zhǔn)4K畫面，即采用SONY HDRC4000交叉變換器完成從HD SDR BT709到4K HDR（HLG）BT2020的上變換工作。

3.2 4K現(xiàn)場(chǎng)制作中的HDR

在4K超高清的定義中，有5個(gè)主要的維度區(qū)別于高清，即分辨率4K/8K（Ultra High Definition Television）、高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）、廣色域（Wide Color Gamut）、高幀率（High Frame Rate，HFR）以及高位深（10 bit以上）。

央視制定的4K超高清電視節(jié)目制播技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，播出頻道采用4K、廣色域ITU BT2020、HDR HLG曲線、50P的格式。這也要求現(xiàn)階段要盡可能地儲(chǔ)備HDR的4K素材。而在實(shí)際節(jié)目制作中，HDR卻是常常困擾的問(wèn)題。

首先對(duì)于外拍節(jié)目，攝像機(jī)各個(gè)廠家常使用自己的LOG曲線，經(jīng)過(guò)后期加載LUT調(diào)色的方式來(lái)制作HDR的成品節(jié)目。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)制作使用LOG曲線，使得節(jié)目制作往往處于一種所見(jiàn)非所得的狀態(tài)，不能很好地支持HDR的畫面制作，而且不是所有監(jiān)視器都支持HDR顯示。所以，對(duì)于演播室現(xiàn)場(chǎng)制作，要實(shí)時(shí)制作HDR，在100 nit以下和SDR曲線相近的HLG曲線更適合于現(xiàn)場(chǎng)快速制作的特點(diǎn)。主流的國(guó)際HDR曲線如圖7。

在該節(jié)目實(shí)際制作時(shí)，不得不面臨高清和4K同時(shí)制作的問(wèn)題，當(dāng)然同時(shí)面臨著HDR和SDR的兼容制作問(wèn)題。

一般主觀來(lái)看，HDR畫面比SDR畫面至少要大一檔光圈值，才能發(fā)揮出高動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)勢(shì)，有時(shí)甚至要大兩至三檔光圈，畫面仍然是合適的。但是，同一臺(tái)攝像機(jī)當(dāng)然只有一個(gè)鏡頭、一個(gè)光圈的數(shù)值，如果按照高清SDR畫面來(lái)調(diào)整光圈，則HDR畫面不夠明亮；如果按照HDR畫面來(lái)調(diào)整光圈，則高清畫面就會(huì)過(guò)曝光。

理想方案：全4K HDR制作，按照HDR調(diào)整光圈，用4K HDR的成品節(jié)目下變換來(lái)得到高清SDR的畫面，可以通過(guò)后期來(lái)調(diào)整HDR曲線或是通過(guò)調(diào)整下變換器的HDR參數(shù)值，來(lái)適配HDR和SDR的畫面。

折中方案：現(xiàn)階段主要系統(tǒng)仍然為高清系統(tǒng)，只能采用一種折中的方案。由于4K攝像機(jī)的4K輸出和高清輸出都可以分別調(diào)整增益值，使得在同一個(gè)光圈值實(shí)現(xiàn)兩種畫面亮度成為可能。比如2018年的《春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)》，也是采用高清兼容4K，軟件制作按照高清的切換信息合成的方式實(shí)現(xiàn)4K節(jié)目的快編立出，當(dāng)時(shí)HDC4300攝像機(jī)拍攝采用了SLOG3的HDR曲線。但在備播時(shí)發(fā)現(xiàn)，SLOG3曲線的噪波很大，需要經(jīng)過(guò)后期降噪處理才能正常觀看，如果再增加4K畫面的亮度增益就會(huì)帶來(lái)更大的噪波，所以通過(guò)降低高清輸出的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)HDR和SDR不同亮度輸出的要求，如圖8。

最終高清降9 dB，也就是高清的光圈要增大3檔左右，《春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)》的燈光效果明亮，照度高，常規(guī)光圈甚至可以用到F8，所以降9 dB還可以維持在光圈F4的正常值。但是對(duì)于常規(guī)演播室節(jié)目照度沒(méi)有那么高，一般高清光圈在F4～F6之間，再過(guò)多地降低高清的增益，光圈就算推到最大，畫面也不能使用。所以，在本次《豪門盛宴》的制作中，E01演播室在使用中采用折中制作的辦法，增加一半的4K增益，降低一半的高清增益，來(lái)兼容平衡4K HDR和高清SDR的畫面。

4 總結(jié)

世界杯是人類體育史上的奇跡，可將全世界眾多人的目光匯聚在64場(chǎng)比賽當(dāng)中。央視在世界杯轉(zhuǎn)播前就在策劃《豪門盛宴》節(jié)目高清兼容4K的制作，同時(shí)為了節(jié)目創(chuàng)新，技術(shù)部門也一直在跟蹤新的技術(shù)，如虛擬技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)分析系統(tǒng)等，最終在直播中呈現(xiàn)了非常好的虛擬特效。在又一次結(jié)束《豪門盛宴》節(jié)目直播之際，作為電視行業(yè)的從業(yè)者不得不深深思考，四年之后又會(huì)做出怎樣的改變，媒體宣傳的格局又將會(huì)發(fā)生怎樣的改變。其實(shí)，無(wú)論如何改變，廣大電視用戶追求新技術(shù)帶來(lái)的高畫質(zhì)、高觀賞性的需求不會(huì)變，4K超高清全面替代高清的發(fā)展不會(huì)變。筆者以此文拋磚引玉，與所有在傳統(tǒng)媒體變革時(shí)代共同努力的同行們共勉。