中央廣播電視總臺4K伴隨HD制播模式關鍵技術研究和應用實踐

趙貴華

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

近年來，4K廣播電視技術突飛猛進，帶動了對高質量內容的需求。隨著計算機大數據處理、高速存儲和高效編解碼技術的發(fā)展，電視行業(yè)快速推動了4K超高清高分辨率制播技術和設備研發(fā)力度，4K超高清圖像具有更高分辨率、更寬色域和更高動態(tài)范圍，極大地提升了圖像質量，帶給觀眾更加清晰自然、豐富的視覺感受。

從2018年中央廣播電視總臺（以下簡稱“總臺”）成立開始，就全面推進媒體深度融合，提出要從傳統技術布局向5G+4K/8K+AI戰(zhàn)略格局轉變，5G、4K/8K超高清、AI已成為總臺建設國際新型主流媒體的最重要的技術支撐。2018年10月1日，總臺開播了4K超高清電視頻道，雖然總臺在4K頻道開通時已建設完成新址E16超高清演播室，但總臺制作的4K節(jié)目量還無法滿足4K頻道的播出需要。當時，總臺在4K超高清節(jié)目制作方面還存在幾個主要問題：（1）4K超高清行業(yè)發(fā)展迅速，但各主要廠家技術標準不統一，4K設備無法做到完全互通；（2）4K超高清演播室不夠，無法支撐4K節(jié)目制作需求；（3）即使將演播室攝像機由高清升級為4K攝像機，如果將所有4K攝像機信號收錄，素材量大，后期編輯過程將費時又費力。

4K頻道的開播需要大量的超高清節(jié)目，因此，創(chuàng)新超高清電視制播模式是推動超高清電視發(fā)展的有效途徑。2019年，總臺專門立項“4K伴隨HD制播技術研究”科研項目，在項目中首創(chuàng)了4K伴隨HD超高清電視制播的兩種模式：（1）4K伴隨HD智能虛擬合成技術，實現系統內的4K伴隨HD制作和直播；（2）4K伴隨HD智能切換同播技術，實現系統間的4K伴隨HD制作和直播。這兩種4K伴隨HD制播模式極大地提升了4K超高清電視節(jié)目產能，解決原創(chuàng)超高清電視節(jié)目稀缺的瓶頸問題。

1 4K伴隨HD制播系統簡介

當前，絕大部分電視媒體在近年來才實現高清化，在用的高清演播室系統均還處于生命周期內，馬上淘汰工作狀態(tài)良好的HD設備將是巨大的浪費，而規(guī)模建設全新的4K演播室也會占用巨額資金。隨著互聯網的不斷普及，4K超高清演播室因為制作碼率大、傳輸帶寬高而采用IP技術架構越來越廣泛，從信號源、制作、監(jiān)看到末級輸出，已實現了全流程全IP架構的4K HDR制作。因此，演播室IP技術和多通道收錄系統為現有的HD演播室制作4K超高清電視節(jié)目提供了可能性。

1.1 4K伴隨HD智能虛擬合成系統

4K伴隨HD智能虛擬合成系統主要是在現有的HD演播室系統中僅需更換4K攝像機，使用原有的HD切換臺PGM切換信息和4K合成服務器就可以輸出4K PGM信號，形成HD和4K兼容的節(jié)目生產能力，實現一種創(chuàng)新性的4K節(jié)目生產工藝低成本解決方法。這種方法利用HD切換臺的Tally信號將HD切換臺的切換信息和特技信息傳送到4K節(jié)目合成服務器，使用軟件合成出4K PGM，并同時實現監(jiān)看和自動檢測替換功能。圖1為4K伴隨HD智能虛擬合成系統架構圖。

圖14 K伴隨HD智能虛擬合成系統架構

1.1.1 4K多通道采集系統

4K多通道采集系統主要負責4K信號的多通道同步錄制、多畫面集中控制監(jiān)看、素材的統一監(jiān)管、素材自動分段和自動遷移等任務。4K攝像機同時輸出高清和4K信號，高清信號接入現有的高清系統，4K信號接入4K多通道采集系統。4K多通道采集系統提供多種編碼格式，并采用性能穩(wěn)定、技術成熟的服務器平臺，確保多通道4K節(jié)目錄制、暫停、停止達到零幀精度。單臺4K錄制設備滿足2路4K信號進行同步錄制和控制，并可實現多臺錄制設備聯機。錄制音頻通道數可手動設定，每個通道支持8路音頻輸入。圖2為4K多通道采集系統流程。

圖2 4K多通道采集系統流程

1.1.2 TALLY信息交互系統

TALLY信息交互系統主要是4K合成服務器實時自動接收高清切換臺切換信息并自動記錄下來，生成XML文件。系統通過遙控線將4K合成服務器和高清切換臺COM口進行獨立連接，可自動獲取到切換臺CAM接入數量。當切換臺發(fā)出切換信息及切換任務時，4K虛擬切換系統會自動接收該切換信息及任務，并自動記錄生成切換列表和元數據XML文件。切換列表包含高清切換臺的實時切點、疊畫信息，以及對應的時間碼。4K虛擬切換系統根據4K訊道素材和元數據XML文件自動生成與高清信號切點一致的4K PGM文件。圖3為4K和HD信息交互流程。如果是錄制節(jié)目，后期編輯人員根據合成的PGM文件和切點XML進行成片編輯，這樣就大幅度減少了后期編輯人員的對高清PGM切點的統計工作量，提高4K節(jié)目制作的效率。

圖3 4K和HD信息交互流程

1.1.3 虛擬合成系統

虛擬合成系統在獲取到高清切換臺切換信息后就相當于獲取到導播所有的切換過程，包括主切和副切的切點和疊畫信息，配合所采集的4K視音頻文件，即可實現4K PGM文件和副切文件的合成。虛擬合成系統能夠完全模擬切換臺的動作，具備完整的流程化管理，使4K節(jié)目的生產能力得以提高。

同時，虛擬合成系統可實現邊錄制邊合成邊監(jiān)看功能，通過4K多通道節(jié)目的幀同步錄制，將各通道的4K信號都獨立采集為指定格式的4K視音頻文件，并在節(jié)目錄制6 s后，所有通道的4K文件實現文件封口，此時,通過4K虛擬切換系統獲取切換臺切點信息及疊畫信息，自動對采集的4K素材進行合成并生成4K PGM文件。在自動生成4K版本PGM文件的同時，制作人員可通過4K監(jiān)看系統預覽調用已經合成的PGM文件，進行節(jié)目質量、節(jié)目切換準確率以及節(jié)目效果查看，也可以通過4K播出服務器以在線播出的方式把信號輸出到監(jiān)視器進行瀏覽及監(jiān)看。圖4為錄制-合成-監(jiān)看流程圖。

圖4 錄制-合成-監(jiān)看流程圖

4K伴隨HD智能虛擬制播系統可以跟臺內其他制作系統進行元數據和文件級交互，不僅可以提高4K節(jié)目的生產力，滿足臺內節(jié)目制作需求，同時可降低4K節(jié)目制作成本，實現4K精品節(jié)目快速制作。

圖5為4K伴隨HD智能虛擬制播系統合成界面。

圖5 4K伴隨HD智能虛擬制播系統合成界面

1.2 4K伴隨HD智能切換同播系統

當前廣播電視行業(yè)處于高清制作向4K HDR制作過渡的階段，因此，在進行4K HDR節(jié)目制作的同時，通常還需要考慮高清節(jié)目制作的需求。在2020年和2021年《中央廣播電視總臺春節(jié)聯歡晚會》（以下簡稱“央視春晚”）直播中，總臺采用4K/HD智能同播的制作模式，實現了HD SDR和4K HDR信號的智能聯動同步播出。

1.2.1 HD和4K演播室系統

總臺一號廳演播室系統是一個高清系統，主要承擔春晚高清信號的制作和直播任務，一號演播廳系統使用11臺4K攝像機和1臺4K微型攝像機，系統為主控提供2路高清PGM信號。總臺800 ㎡演播室系統是一個4K超高清系統，主要承擔央視春晚4K信號的制作和直播任務，從信號源、制作、監(jiān)看到末級輸出，實現了全流程4K HDR制作方式，采用國產通用COTS交換機葉脊結構，可通過對交換機葉脊架構的調整、配置，實現信號處理能力的規(guī)模性擴展，配置國產集中控制系統對整個演播室視頻系統進行全面管理控制，實現應用場景的快速切換。由于800 ㎡演播廳和導控室都偏小，無法承擔央視春晚這種綜藝晚會的要求，為了實現800 ㎡演播室4K系統和一號廳演播室高清系統的聯動，總臺首創(chuàng)了4K伴隨HD智能切換同播技術以滿足春晚的播出需求。圖6為4K伴隨HD智能切換同播系統架構。

圖6 4K伴隨HD智能切換同播系統架構

1.2.2 智能同播交互系統

4K/HD智能同播技術是基于演播室的IP架構，利用IP網絡建立跨系統的遠程制作系統，將一號廳演播室高清系統和800 ㎡演播室4K系統進行IP級聯，實現全功能、全要素的4K HDR和高清SDR 智能聯動同步播出。

在近兩年央視春晚直播中，一號廳演播室采用4K超高清攝像機，同時輸出高清信號和4K信號，4K信號送至一號廳演播室數據交換機。將一號廳演播室系統數據交換機作為葉交換機，通過IP網絡接入800 ㎡演播室數據交互系統，并將2個演播室的切換臺控制系統也通過IP網絡進行連接，實現2個不同區(qū)域演播室系統間4K視頻信號、監(jiān)看信號及控制信號的數據交互。4K HDR制作區(qū)的800 ㎡演播室切換臺無需人工干預，即可實現與一號廳演播室高清 SDR制作完全一致的切換和各種效果指令。在不影響一號廳演播室高清直播的基礎上，完成央視春晚HD SDR和4K HDR 信號的同步制作播出。整個接入過程中，系統可迅速完成對新接入設備信號的識別和認證，實現穩(wěn)定的調度及控制。圖7為800 ㎡4K演播室導控室和立柜機房。

圖7 800 ㎡4K演播室導控室和立柜機房

2 4K伴隨HD制播系統關鍵技術研究

4K伴隨HD制播模式是在現有的高清演播室系統中僅更換4K攝像機，利用高清切換臺PGM切換信息和4K合成服務器或4K切換臺實現交互，就可以輸出4K超高清PGM信號，形成了高清和4K超高清兼容的節(jié)目生產能力，從而實現了一種創(chuàng)新性的4K超高清節(jié)目生產工藝低成本解決方法。

2.1 4K伴隨HD智能虛擬合成系統關鍵技術

2.1.1 4K多通道錄制、合成PGM、監(jiān)看并行技術

4K虛擬切換系統通過遙控線自動對接導播切換臺，自動獲取到切換臺CAM接入數量。在保證4K多通道錄制的情況下，切換臺將導播的切換信息會以任務的形式發(fā)送給虛擬切換系統，自動被虛擬切換系統記錄下來，包括切點、疊畫信息。所有通道的4K文件會依照MXF文件結構標準進行視頻收錄，同時每隔5 s更新一次文件頭中視頻長度等信息，實現文件的定時封口功能。在播放的過程中，首先通過定期讀文件頭，獲取視頻長度信息。在得知長度之后，計算出視頻和音頻幀在物理文件中的位置，然后讀取相關數據，這樣就可實現邊收錄邊播放的功能。由于是實時生成PGM視音頻文件，制作人員可以通過搜索多通道4K視音頻PGM文件進行區(qū)間查看、預覽。圖8為4K多通道錄制-合成-監(jiān)看并行技術。

圖8 4K多通道錄制-合成-監(jiān)看并行技術

2.1.2 高清切換臺串行通信端口的4K虛擬切換技術

4K多通道虛擬合成記錄技術是一種新型的應用技術，它是用于依據高清切換臺的切換動作來達到同步虛擬切換4K PGM、副切信號的要求。4K虛擬切換系統通過外接一根廣電設備專用的串行通信端口遙控線實現與高清切換臺COM口的連接，實現記錄高清切換臺切點信息并生成切點元數據XML文件。由于串行通信方式在遠程傳輸時，穩(wěn)定性強且可避免多條線路帶來的干擾，因此，虛擬切換系統使用串行通信端口十分方便，直接通過COM口接收高清切換臺切換信息，并自動記錄形成切換列表。目前，4K虛擬切換技術可以支持常用的主流各品牌高清切換臺串行通信端口，適用范圍廣泛。圖9為4K虛擬切換界面圖。

圖9 4K虛擬切換界面

2.1.3 4K多通道智能設備檢測和信號替換技術

4K多通道智能設備檢測和信號替換技術主要在4K節(jié)目合成過程中信號或設備出現問題時使用。該技術是專門立項研究的應用技術，當切換臺發(fā)出切換消息及切換任務時，4K虛擬切換系統會自動接收該切換消息及任務并同時記錄當前切換時的時碼時間，自動生成切換列表。從切換列表中可以知道對應的時間素材和對應的PGM時間點。當多通道錄制時，若某通道出現問題，系統會自動識別到故障通道，并通過由高清PGM上變換后的信號自動替換當前錄制通道的畫面，保證整個節(jié)目順利錄制和合成。圖10為智能設備檢測和信號替換流程。

2.1.4 4K多通道主副切同時虛擬合成記錄技術

4K多通道主副切同時虛擬合成記錄技術主要是實現4K節(jié)目全程的主副切切換的效果。目前，眾多廠家的高清切換臺輸出的Tally信息除了PGM的切換、疊畫信息外，均具備多M/E、多AUX的切換信息。4K虛擬切換系統通過遙控線對接導播切換臺，就能夠獲取切換臺上任意指定的多個M/E或AUX切換信息，這些切換信息（包含特技信息）會以任務的形式發(fā)送給虛擬切換系統，被虛擬切換系統記錄下來，并形成切換列表，配合所有記錄的4K視音頻文件，就可合成出所需的4K PGM視音頻文件與副切視音頻文件。圖11為4K虛擬合成記錄界面。

2.2 4K伴隨HD智能切換同播系統關鍵技術

2.2.1 遠程制作架構

采用遠程制作架構，可實現跨區(qū)域的演播室系統間全功能的智能聯動同步播出。

圖10 智能設備檢測和信號替換流程

圖11 4K虛擬合成記錄界面

在大型綜藝節(jié)目直播中，通過深度開發(fā)設備制播切換指令，利用IP網路實現全功能的智能聯動播出。通過IP網絡建立遠程制作構架，擴展與其他演播室的IP級聯。一號廳演播室的數據交換機以葉交換機的方式，通過IP網絡遠程接入800 ㎡演播室數據交互系統的脊交換機，實現4K 圖像信號、音頻信號、切換臺聯動控制信號的數據交互，充分利用IP技術的優(yōu)點，減少布線的復雜度，增強聯動系統的靈活性。在不改變一號廳高清直播的任何操作和工作方式的前提下，節(jié)目部門只需專注于高清直播，由后臺通過技術手段實現第八演播室隨動一號廳演播室，在實現超高清同步直播的同時，又不會干擾一號廳的高清直播，實現了央視春晚4K HDR和HD SDR信號的同步制作播出。

2.2.2 集中控制系統

集中控制系統對視頻系統全面管理控制和監(jiān)測，并實現應用場景的快速切換。

集中控制系統通過SDN管理系統對IP信號進行統一管理、調度、監(jiān)測以及權限設置保證系統安全，對交換機、切換臺、多畫面分割器、監(jiān)視器等關鍵節(jié)點設備進行統一控制。通過命令集的方式完成對設備層的控制、調用，實現制作應用場景的快速轉換，同時提供可自定義編程控制面板，完成相應配置功能。在2020年和2021年央視春晚直播中，800 ㎡演播室系統的集中控制系統實現了監(jiān)看系統大屏Layout的快速配置及應用場景的切換，以及系統內所有監(jiān)看信號的調度控制，并通過可編程面板實現應急切換系統的配置及信源切換，以及切換臺源名的快速推送。

3 應用實踐

總臺自2018年開始結合節(jié)目制作流程逐步創(chuàng)新超高清制播模式，形成了多個具有自主知識產權的科研成果，并成功轉化為節(jié)目實際制作應用，為總臺超高清節(jié)目的采集、制作、傳輸提供了技術支撐，為國內電視行業(yè)超高清節(jié)目制作提供了可行的解決方案。

總臺4K伴隨HD虛擬合成制播模式具有建設時間短、占用資金少、不影響原有高清核心制作等優(yōu)點，系統只需配備4K攝像機以及新建4K多通道收錄系統和智能虛擬切換系統，就能實現在HD電視制播平臺同步制作和直播超高清節(jié)目。4K伴隨HD制作和直播的投資只要約1000萬元，只有4K超高清演播室建設費用的1/6。目前4K伴隨HD虛擬合成制作系統已經在中央電視臺的一號廳、E01、E02、E03等大型演播室進行了全面部署，極大地提高了中央電視臺4K超高清整體制作效率。總臺通過4K伴隨HD制播模式將4K節(jié)目產量由2017年的29 h提升到2018年的850 h，在2019年達到了2500 h。“4K伴隨HD虛擬合成制播模式”獲得了2019年度中國電影電視技術學會第十二屆科技進步獎評獎一等獎的殊榮，并申請了三項發(fā)明專利。其中，“一種4K視音頻信號的切換方法、裝置、系統及電子設備”專利主要是接收HD切換臺發(fā)送的切換信息和時間碼以及攝像機的4K IP信號，生成單元根據時間碼順序和切換信息對多個4K素材進行合成并生成4K PGM節(jié)目文件；“4K節(jié)目制作方法及系統”和“4K節(jié)目監(jiān)看方法及系統”專利主要是HD演播室中僅配備4K攝像機和4K虛擬切換系統的情況下，通過接收HD切換臺通訊端口的切換命令及特技信息虛擬合成為4K PGM文件，在實時播出的同時，還能實現節(jié)目的BT.2020寬色域和HDR高動態(tài)范圍效果的監(jiān)看。總臺4K伴隨HD智能切換同播模式順利完成了2020年和2021年央視春晚高清SDR和4K HDR的同步直播，這是國內外首次實現了跨系統的高清和4K信號的智能聯動播出。目前該制播模式正在申報2020年廣播影視制作創(chuàng)新獎和2020年CUVA超高清視頻獎項。

總臺“4K伴隨HD制播模式”降低了4K節(jié)目制作成本，在保證高清制作的基礎上極大地提高4K節(jié)目的生產力，滿足臺內4K和高清節(jié)目同步制作需求，目前，“4K伴隨HD制播模式”已安全高效地完成了總臺多個大型精品節(jié)目的制播任務，這為各省市電視臺的4K節(jié)目制作起到了引領和示范作用。