4K超高清電視播出系統設計分析

王 浩

（天津海河傳媒中心，天津 300221）

0 引 言

經濟與科學技術不斷發展和進步，積極推動著我國電視行業向前發展。其中，4K電視終端在國內各大電視臺的普及與應用，讓電視播出的節目畫面更加清晰、色彩更加自然逼真，極大地提升了用戶觀看體驗。4K超高清電視播出系統設計與建設是一項持久性工程，需要在原有播出系統架構的基礎上進行改變，確保信號傳輸穩定及良好的系統兼容性等，均是設計過程中應給予高度關注的事項，確保該系統在電視行業中應用實效性。如何合理設計4K超高清電視播出系統，是目前相關人員需要考慮的問題。

1 4K超高清電視基本特點分析

用戶在收看電視節目時，屏幕上所呈現的超清晰畫面離不開4K超高清技術的強力支持。作為一種現階段快速發展的新興技術，相較于高清、標清電視播出系統，4K超高清電視的普及與應用，不僅是技術方面的全面升級，其播出畫面也更加細膩，動作流暢度提升，色彩還原自然且逼真，帶給用戶更為優質的視覺體驗。4K超高清電視的基本特點具體表現在以下幾個方面。

一是具有高幀率。相較于高清視頻的隔行掃描，4K超高清電視選擇逐行掃描模式，其掃描幀率最高可達到每秒120幀，有效解決了高清視頻一直存在的圖像閃爍問題。4K超高清電視在呈現運動畫面時，其動作流暢度得到極大的提升。

二是具有高分辨率。相較于高清視頻分辨率，4K超高清電視的分辨率是高清視頻的4倍以上。在高分辨率功能的支持下，4K超高清電視所呈現的畫面清晰度較高，能帶給用戶全新的視覺體驗[1]。

三是具有高量化比特數。在像素量化比特數方面，4K超高清電視在此方面的性能遠高于高清視頻，讓播出畫面中的圖像細節更加豐富。

四是具有高動態范圍。高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）技術讓4K超高清電視的顯示亮度范圍進一步提升，從原有的1 000∶1升級到了100 000∶1，使得畫面呈現更清晰、動作更流暢、色彩更豐富、圖像更多層次。

五是具有全景聲。相較于高清視頻的單聲道、雙聲道音頻，4K超高清電視不僅支持環繞聲與三維聲，其全景聲音頻功能的融合，通過與室內天花板、地面以及墻壁形成聲反射，不僅有效增強了空間感，也讓整個空間氛圍更具沉浸感，給予用戶身臨其境的感官體驗，在一定程度上也突顯了4K超高清電視與用戶之間的交互性。

2 4K超高清電視播出系統設計原則

2.1 播出質量提升

4K超高清作為目前一種新興的技術手段，與傳統播出系統融合，可以設計出4K超高清電視播出系統，實現節目播出質量進一步提升，讓電視播出節目所呈現的畫面在色彩、圖像、音頻等方面的質量均得到大幅度強化。為了確保能夠滿足不同類型節目、不同播出形態等的制播要求，4K超高清電視播出系統仍沿用原有自動播出系統通道，確保用戶可以通過人工或自動的方式來播出電視節目。將制作完成的電視節目轉化成錄制文件，并存儲在硬盤或光盤等具有高容量的設備中等待播出，或者由總控制室負責選擇直播信號進行電視節目直播。為了保證電視節目的播出質量與效果，屏幕圖像需配以輸出字幕，需要相關人員根據電視節目播出實際情況，合理進行調節[2]。

2.2 新興技術融合

為了有效提升4K視頻文件的質檢運算、轉碼等功能作用，將4K編排和文件管理與現有業務流程進行融合，結合實際情況，經過一系列相應部署，實現虛擬4K超高清電視播出系統基礎架構，同時利用先進技術手段，對視頻監控數據、AI故障診斷與排查等能力加以強化，其目的是合理配置現有基礎資源，將敏捷資源整合在一起，提升4K超高清電視播出系統故障診斷效率，避免突發情況發生，保證直播信號自動切換順利。

另外，在視音頻基礎架構中融入基帶視頻SDI信號轉型IP化的封裝傳輸方式，在IT交換機、物理鏈路等連接方式支持下，讓4K視頻無壓縮碼流的寬帶傳輸更加高效；在此方面功能的作用影響下，有效優化了現有視音頻監控方式，并引入相應運算軟件對視音頻進行處理，進而達到提升視音頻處理靈活性的目的。

2.3 保證播出系統應用靈活

4K超高清電視播出系統在設計過程中，選擇以節目單驅動電視節目播出的方式，并在此基礎上將自動化閉環控制設計引入全生命周期運行的播出節目中，借助現有平臺架構應用的通用性這一特性，讓各系統可以高效融合IT通用數據資源，以此來達到靈活化拓展新播出業務的目的。此外，將現階段各種先進技術與4K超高清電視播出系統進行有機結合，可以進一步提高播出業務水平，構建全新的軟件架構體系，便于后期相關人員對其進行監管，確保4K超高清電視播出系統應用靈活，從根本上保障電視節目播出服務質量。

3 如何設計4K超高清電視播出系統

3.1 合理設計播出系統架構

在原有電視播出架構基礎上，將現階段新興技術手段設計引入，完成4K超高清電視播出系統設計。其中，播出系統架構設計應符合4K超高清電視的播出業務特點，合理化設計4K超高清電視播出系統架構，才能更好地保證該類型播出系統應用的實效性。如何設計4K超高清電視播出系統架構，具體可從以下幾個方面著手。

第一，明確4K超高清電視播出系統的內部構成。目前4K超高清電視播出系統由制作系統、廣告系統、媒資系統、演播室系統、節目生產系統以及主控制室系統等關鍵模塊構成。例如，在演播室系統中，基于IP總控平臺，根據業務播出要求，對4K信號進行相應調度，此過程中全部將要播出的素材均由計審平臺統一審核及送播；一般情況下，審核通過的播出素材，則由計審平臺將播出素材向4K超高清電視播出系統集中提交，并分發給全媒體系統，最終完成電視節目播出。

第二，4K超高清電視播出系統除了支持電視超清播出以外，同時也可以滿足在手機端、網絡端進行超高清節目播出的需要，利用該系統內部所設置的全媒體分發功能單元，將4K超高清電視信號通過分發平臺完成多種碼流轉換，以此來實現用戶通過手機App、電腦客戶端、戶外大屏等多渠道播放平臺來收看電視節目。

第三，網絡安全控制。通常情況下，IP轉化后的4K超高清電視播出系統，必須建立具有更高安全性的網絡防御體系。應根據4K超高清電視播出系統設計及后期應用要求，搭建對應的信息監管平臺，其目的是監測內外部服務域信號傳輸，確保授權信號輸入與輸出安全并順利接收，同時可分別隔離媒體數據與信息元數據，盡可能避免關鍵數據丟失的情況出現。

3.2 靈活應用4K凈靜切換技術

4K超高清電視播出系統的視、音頻鏈路中，播出信號主要包括4種類型，分別是異構二備播系統服務器、主播視頻服務器、CYC墊片視頻服務器以及備播視頻服務器，均屬于支持4K超高清視頻播出的信號。信號輸出時，基于對應鏈路進行連接，并通過上述4條路徑對4K視頻信號進行輸出。根據播出業務要求，可自由配置主用和備用的線路倒換器。一般情況下，這一種配置形式普遍提供多個輸入與輸出端口，為4K視頻信號輸出提供多樣化的傳輸路徑選擇[3]。

另外，該系統在4K凈靜切換技術支持下，同時具備凈靜切換、幀同步等幾項關鍵功能。凈靜視頻切換目標實現，可借助GPI通用接口，對上述4條信號傳輸路徑的信號幀精度進一步增強；當GPI接口所輸出的切換指令被倒換器接收時，4K視頻在同步幀精度的基礎上完成凈靜切換，這一過程也被稱為4K基帶信號凈靜切換。

3.3 做好IP化轉型

現行傳輸標準明確規定了4K超高清高碼率類型信號IP化傳輸協議內容，基于以太網傳輸協議，在IP組播相關協議支持下，將4K超高清高碼率類型信號通過交換機完成信號傳輸。利用IP化將傳輸過程中的視頻進行壓縮，視頻均可在無線/有線的網絡中進行傳輸，由于存在VANC機制，可實現傳輸同步功能。現行傳輸標準也明確細化了關于傳輸壓縮視頻、未壓縮視頻的保護機制，有效解決了視頻信號在傳輸過程中極易中斷的問題，為以IP化形式傳輸4K超高清視頻信號提供了有利條件。

IP化轉型是現階段從事視、音頻設備制作的廠商極為關注的熱點，同時也是該行業的主流發展趨勢。在相關新興技術手段的支持下，具有IP矩陣、多畫面以及可轉換SDI等功能的視、音頻設備已經投入使用。隨著該類型設備生產愈加規模化，再加上行業內各廠家相互合作，使得視、音頻設備所涉及的技術進一步升級，可兼容多種設備，為設計與建設4K超高清電視播出系統提供了強有力支撐。其中，軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）架構的出現與搭建，讓IP化轉型進程加快，同時也為業務融合、網絡功能完善提供方便，有效優化了傳統視頻播出架構，將其劃分為多個具有不同功能作用的層級，大力支持4K超高清視頻的信號傳輸。流量管道在SDN網絡架構支持下，極大地提升了配置靈活性，使得在傳輸視頻、音頻時，可以根據播出業務要求選擇合適的傳輸通道，從根本上規避信號傳輸中斷問題，為高質量傳輸4K超高清視頻信號提供基礎保障[4]。

從目前的IP化轉型情況來看，IP全面性轉化這一目標的實現仍存在一定阻礙，但基于當下發展形勢，IP轉化是設計與建設4K超高清電視播出系統的必然要求。4K超高清電視播出系統在IP轉化支持下，有利于精簡系統內部架構，同時還可以滿足多種類信號傳輸，減少銅線使用，有效降低此方面的資源消耗。最為重要的是，4K超高清電視播出系統可實現靈活應用，保證了該系統設計的實用性[5]。

4 結 語

4K超高清技術的普及與應用，為設計4K超高清電視播出系統提供了良好條件。在此過程中，各種新興技術手段的融入，使得4K超高清電視播出系統功能進一步完善，極大地滿足了現階段用戶的個性化需求，給予用戶全新的視覺體驗，也在一定程度上積極推動了我國電視行業的創新發展，為行業發展關鍵技術突破指明了方向。