5G+4K超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)在體育賽事網(wǎng)絡(luò)直播中的研究與設(shè)計

摘要：隨著5G、4K/8K、AR/VR等技術(shù)的的不斷融合發(fā)展，大型體育賽事直播對低時延、大帶寬、多視角的技術(shù)要求得到了有效的滿足，促進了超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)的取得長足進步。文章從5G+4K超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)的技術(shù)方案、具體應(yīng)用、應(yīng)用效果，來探討如何機動靈活、實用高效的進行實時交互體育賽事直播方案設(shè)計，為超高清技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，賦能5G智慧廣電新應(yīng)用，做出積極探索和有益實踐。

關(guān)鍵詞：5G；4K/8K；超高清轉(zhuǎn)播

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.025

中圖分類號：TN 929.5，TN 94" " " " " " " "文獻標(biāo)示碼：B" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）04-00-04

Research and Design of 5G+4K Ultra High Definition Broadcast Technology in Sports Event Network Live Broadcasting

HU Guojun

（Zhejiang Huzhou News Media Center Technical Support Department， Huzhou 313000， China）

Abstract： With the continuous integration and development of technologies such as 5G， 4K/8K， and AR/VR， the technical requirements for low latency， large bandwidth， and multiple perspectives for live streaming of large-scale sports events have been effectively met， promoting significant progress in UHD broadcasting technology. This article discusses how to design a flexible， practical and efficient real-time interactive sports event live broadcast scheme from the perspective of the technical scheme， specific applications， and application effects of 5G+4K ultra high-definition broadcasting technology， making positive exploration and beneficial practice for the innovative development of ultra high-definition technology and enabling new applications of 5G smart radio and television.

Key words： 5G; 4K/8K; UHD broadcasting

1" 研究背景

2023年3月，國家廣播電視總局發(fā)布了《4K超高清晰度電視節(jié)目錄制規(guī)范》《數(shù)字電視轉(zhuǎn)播車技術(shù)要求和測量方法》《4K超高清晰度電視節(jié)目文件格式規(guī)范》《超高清晰度電視節(jié)目制作系統(tǒng)分布式存儲技術(shù)要求和測量方法》和《IP交換矩陣技術(shù)要求和測量方法》五項標(biāo)準(zhǔn)文件，文件中對4K超高清節(jié)目錄制、收錄、制作、交換、存儲和播出技術(shù)做出了具體要求，標(biāo)志著超高清轉(zhuǎn)播時代的到來。

1.1 5G賦能超高清轉(zhuǎn)播

體育賽事轉(zhuǎn)播效果主要取決于網(wǎng)絡(luò)速度、連接效能以及直播系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5G通信技術(shù)具有大帶寬、低時延、廣連接的物理特性，可滿足4K/8K等超高清轉(zhuǎn)播大數(shù)據(jù)的傳輸。在5G時代背景下，基于IP和云構(gòu)架的超高清遠程制播技術(shù)已成為行業(yè)主流。廣電700 MHz的5G網(wǎng)絡(luò)由于覆蓋范圍大、廣連接、繞射能力強、信號衰減小的頻率特性[1]，可以很好地解決大型體育賽事直播的信號覆蓋，同時還能有效滿足多機位高速攝像機在不同視角實時拍攝的需求，為VR/AR、自由視角技術(shù)的成功運用解決了網(wǎng)絡(luò)承載問題。

1.2 4K超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)

人體肉眼對視頻畫質(zhì)的體驗差異極限大約是6.5K分辨率，而人們對感官極致體驗的追求永遠不會止步，同時也推動超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)不斷向更優(yōu)質(zhì)的畫質(zhì)發(fā)展。4K/8K將是5G時代超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)最為明確的應(yīng)用方向之一。4K信號在分辨率、色域、量化深度等多個維度都有質(zhì)的提升，不但可以為觀眾提供了更為豐富的畫面層次，還可以提供了更精致的畫面細節(jié)和立體感觀。

2" 技術(shù)方案

2.1 超高清信號傳輸方式

目前，廣電行業(yè)實現(xiàn)4K超高清信號傳輸?shù)姆绞接?種：傳統(tǒng)基帶4×3G SDI技術(shù)、新興基帶12G SDI技術(shù)和SDI over IP技術(shù)，可以分為傳統(tǒng)SDI架構(gòu)與新型IP化架構(gòu)兩類。

（1）傳統(tǒng)SDI架構(gòu)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)播車信號轉(zhuǎn)播系統(tǒng)以SDI基帶視頻接口和專用SDI數(shù)字視頻矩陣為主要技術(shù)架構(gòu)。SDI接口在短距離傳輸時，整體性能較穩(wěn)定。但如果用于長距離傳輸則會產(chǎn)生亂碼、誤碼、圖像失真等問題，而且一根電纜只能傳輸一路SDI信號，為了呈現(xiàn)豐富的節(jié)目效果，就要增加節(jié)目源信號，要想傳輸多路信號，就要不斷增加電纜數(shù)量。另外，SDI設(shè)備技術(shù)大多由國外公司掌握并且可選擇空間不大，導(dǎo)致運營成本較高。

（2）基于NDI協(xié)議的IP構(gòu)架。IP技術(shù)已經(jīng)成為實現(xiàn)視頻、音頻、數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)的最佳選擇，NDI是一種低延遲、多通道的IP視頻傳輸協(xié)議，無需復(fù)雜連線，可將拍攝端的視頻信號高效傳輸至轉(zhuǎn)播車，只需要一條鏈路就可以支持對幾十路超高清節(jié)目流進行同步采集。每一個信號源都可成為多個接收端目標(biāo)被利用，支持NDI設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)，前端只要接入NDI設(shè)備，后端自動接收設(shè)備數(shù)據(jù)，可以靈活獲取到任意的信號輸入與輸出，可對賽事實時分析、實時回放、媒體交互、慢動處理、多畫面處理等，均可同時在線化并行制作。

2.2 端到端的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

依托5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢，與4K/8K、AR/VR、人工智能等技術(shù)應(yīng)用深度融合，在室外比賽現(xiàn)場拍攝端，在每一臺攝像機后端安裝NDI編碼器，將超高清攝像機視頻源編碼成NDI流[2]，再將每臺編碼器連接到同一臺光電交換機，通過10G光纖鏈路與轉(zhuǎn)播車進行連接，在轉(zhuǎn)播車制作端，通過NDI解碼器將NDI流解碼輸出到切換臺，切換臺將制作好的信號編碼成SRT網(wǎng)絡(luò)流，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)饺诿襟w中心和第三方平臺。同時還可以在比賽場館部署5G CPE，方便快捷的接入5G基站，并接入融媒體中心及第三方視頻平臺。5G+4K超高清轉(zhuǎn)播端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包含超高清攝像機、NDI編碼器、光電交換機、制作轉(zhuǎn)換器、多通道視音頻服務(wù)器切換臺、數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)看設(shè)備等一系列核心設(shè)備，為滿足電視端和互聯(lián)網(wǎng)同時觀看需要[3]，系統(tǒng)支持在直播中同時快速形成4K和高清兩個版本，從拍攝、切換制作、分發(fā)、錄制、監(jiān)看等各環(huán)節(jié)提供4K和高清的制作支持，并能同時錄制4K和高清兩套素材。

數(shù)據(jù)交換核心采用主、備葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（Spine-Leaf）這種冗余設(shè)計，系統(tǒng)支持IP切換臺+基帶切換臺的混合架構(gòu)，可以在主切換臺發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能有效保障確完成節(jié)目制作。切換臺、字幕機、服務(wù)器、監(jiān)視器等設(shè)備通過獨立的控制IP端口與SDN交換機連接，接受LSM控制系統(tǒng)的管理，實現(xiàn)了控制流與業(yè)務(wù)流的隔離，有效保障了系統(tǒng)安全。

2.4 技術(shù)要求

（1）加強對光圈的控制。一般體育場白天陽光照射下可能會存在陰暗對比反差比較大的區(qū)域，比賽鏡頭拍攝轉(zhuǎn)向相對較快，控制人員針對光線變化大的鏡頭時有些手忙腳亂，來不及控制調(diào)整光圈亮暗值的現(xiàn)象。技控人員缺少光線復(fù)雜環(huán)境下光圈控制經(jīng)驗及看到顯示畫面做出快速反應(yīng)的能力，需加強技術(shù)保障人員在光線復(fù)雜環(huán)境中對光圈控制快速反應(yīng)的練習(xí)以及RCP面板的基本操作。

（2）充分考慮室外風(fēng)噪。要充分考慮到體育場室外風(fēng)噪，所有話筒應(yīng)配“豬籠”來降低風(fēng)噪帶來的影響。如比賽時導(dǎo)播指令未及時接入解說耳返，將會影響溝通效率，注意調(diào)整后利用話筒接入調(diào)音臺單路嵌入解說耳返，實現(xiàn)導(dǎo)播指令下達[4]。

（3）信號測試。比賽開始前1小時根據(jù)導(dǎo)播要求調(diào)整現(xiàn)場機位號后，進行信號光纜測試，插拔車位光纜，若發(fā)現(xiàn)信號異常需及時對轉(zhuǎn)播車光纜公、母頭用專業(yè)工具清潔處理后，測試光纜信號傳輸是否正常，如故障依舊，則需要及時切換備用光纜信號。

（4）慢動制作。比賽前要熟悉比賽的規(guī)則、流程，學(xué)習(xí)同類比賽直播制作的鏡頭，多實踐操作積累經(jīng)驗。慢動的制作，主要記錄回放比賽的精彩鏡頭畫面，如果對整個比賽的流程與規(guī)則不夠熟悉，對于出入點的把控不到位，有可能出現(xiàn)靜幀以及不能及時制作慢動作鏡頭。

（5）切換臺設(shè)置。一定要熟悉切換臺設(shè)置，尤其是各個宏命令的設(shè)置功能，要根據(jù)提供的PGN序列完成掃畫效果制作，注意字幕動畫序列導(dǎo)入時tag序列轉(zhuǎn)換之后通道是否可用，是否有足夠位置，AE導(dǎo)出時要選擇32位，否則會導(dǎo)致通道沒有足夠位置。

（6）推流平臺。信號傳輸工作中前期溝通必須及時到位，一定要明確設(shè)備數(shù)目及推流具體鏈路數(shù)與方式。如果推流涉及平臺較多，賽前一定要做好技術(shù)對接溝通，前期一定要和導(dǎo)攝方對接推流模式以及推流地址進行核對，避免反復(fù)更改，根據(jù)實際需求準(zhǔn)備推流設(shè)備，采用主備兩條線路，所有鏈路必須進行主備且單鏈路推流。

3" 具體應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

2022年11月11-13日，2022中國飛盤聯(lián)賽“極氪杯”浙江杭州站比賽在杭州上城區(qū)體育中心舉行，湖州新聞傳媒中心承接中國飛盤聯(lián)賽浙江杭州站賽事網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)保障工作。本次比賽歷時兩天，共吸引了全省16支飛盤隊伍參與，本次比賽項目為七人制混合團體賽，采用分組循環(huán)賽和交叉淘汰賽。經(jīng)過44場精彩對決，最終決出冠軍隊伍。

因為本次直播需要推流到央視體育等多個互聯(lián)平臺，無需在電視端進行呈現(xiàn)，所以我們根據(jù)網(wǎng)絡(luò)直播的高清信號傳輸?shù)男枨螅瑑H采用轉(zhuǎn)播車進行HD網(wǎng)絡(luò)推流直播。我們在杭州上城區(qū)體育中心比賽現(xiàn)場部署了高清轉(zhuǎn)播車，央視體育與央視頻通過SRT推流，其他平臺通過RTMP方式推流，將高清信號傳輸至各央視體育等各網(wǎng)絡(luò)直播平臺。

3.2 現(xiàn)場機位布置

根據(jù)導(dǎo)攝團隊方要求，本次比賽的主賽場使用了7套SONY 3500訊道攝像機和一套大疆御3無人機，1號機和2號機分別配備一支14倍廣角鏡頭和一支46倍長焦鏡頭架設(shè)在高看臺處，3號機、4號機、5號機配備標(biāo)準(zhǔn)24倍率鏡頭用來反打拍攝比賽全程，6號機、7號機配備107倍超長焦鏡頭，除1號機外其他訊道信號都進兩臺PWS-4500慢動作制作單元，用來回放比賽過程中的精彩畫面。

3.3 音頻信號制作

此次賽事網(wǎng)絡(luò)直播信號為4K下變換成高清（HD）信號播出，聲音制作格式要求：直播HD信號對應(yīng)聲音格式為2.0立體聲。

（1）聲道分配，網(wǎng)絡(luò)直播高清聲道見表1。

（2）聲道分配，央視體育網(wǎng)絡(luò)直播高清聲道見表2。央視對聲音的需求與網(wǎng)絡(luò)直播不同，要求只做立體聲，且只送環(huán)境觀效聲、比賽細節(jié)效果聲，不需要現(xiàn)場解說的收聲。

（3）音頻系統(tǒng)架構(gòu)。使用Lawo Dallis接口箱，以及建立以Nova73音頻矩陣為核心的音頻信號匯聚處理器。依靠轉(zhuǎn)播車音頻8ML3音分系統(tǒng)實現(xiàn)信號源的主備備份，通過音頻矩陣分別接入Lawo mc56mk調(diào)音臺和YAMAHA DM-1000調(diào)音臺實現(xiàn)音頻直播信號制作主備[5]。

3.4 傳聲器布局

根據(jù)本次賽事特點，收聲話筒只布置了足球場的半場，Mic1架設(shè)在Cam1與Cam2所在的二層觀眾看臺的中心位置，采用Sennheiser MKH 418-S通用的M-S立體聲槍式話筒。非常好的聲音清晰度和空間環(huán)境感是它的特點，拾取現(xiàn)場沉浸聲上層空間環(huán)境觀效聲與二樓看臺觀眾的加油聲。在Cam3、4、5、6、7共5臺攝像機上分別架設(shè)了5支Sennheiser MHK416-P 48 U3分別對應(yīng)話筒編號為：Mic2-Mic6。其中，Mic2、Mic3、Mic4主要收取兩隊球員休息區(qū)與各自隊伍加油打氣的現(xiàn)場收聲，Mic3還擔(dān)負著比賽開始球員進場和結(jié)束后兩隊隊員的互相祝福的擊掌收聲；Mic5、Mic6兩只話筒架設(shè)在球場的中軸線做對向呼應(yīng)，類似LS、LR的作用。球場近場端根據(jù)賽場的左中右原則分別架設(shè)了Mic7、Mic8、Mic9三支近場觀效收聲話筒，解說話筒則使用SHURE的耳麥?zhǔn)皆捦簿幪朚ic10、Mic11。

3.5 慢動作制作

中國飛盤聯(lián)賽浙江杭州站賽事各網(wǎng)絡(luò)直播，轉(zhuǎn)播車配備的兩臺PWS-4500慢動作制作單元首次在體育賽事中使用，兩臺4500制作方式為4K模式下3進1出，回放畫面根據(jù)導(dǎo)播喜好要求直接進入切換臺相應(yīng)鍵位。

3.6 字幕與掃畫制作

由于導(dǎo)攝團隊技術(shù)人員提供tga序列字幕動畫導(dǎo)入字幕機制作內(nèi)容相對簡單，PNG動畫序列導(dǎo)入到SONY XVS-8000切換臺幀存制作掃畫效果，第一次嘗試并使用在字幕播放中更改字幕（即更改分?jǐn)?shù)）、在字幕軟件中使用時鐘、在SONY XVS-8000切換臺掃畫效果。

3.7 信號傳輸

本次直播采用高清（HD）信號網(wǎng)絡(luò)直播方式，在央視體育、央視頻等36個視頻平臺進行直播。其中，央視體育與央視頻通過SRT推流，其他36個平臺通過RTMP方式推流，使用4臺Haivision Makito X編碼器完成各個平臺的直播推流需求。使用一臺裝有Vmix視頻播放軟件和硬件板卡輸出的電腦播放整個直播過程中的插VCR。

4" 應(yīng)用效果

該應(yīng)用是超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)在中國飛盤聯(lián)賽的一次有效嘗試，我們順利完成了在央視體育、央視頻等多個視頻平臺同時直播，吸引了全國飛盤愛好者的關(guān)注，通過與品牌方冠名合作，建立了大眾與體育賽事之間的情感鏈接。基于IP構(gòu)架的超高清轉(zhuǎn)播車的采用給本次直播活動提供了供穩(wěn)定、高效、機動靈活的制播平臺，實現(xiàn)了超高清視頻高效回傳。在內(nèi)容生產(chǎn)上，AR、VR技術(shù)的運用，實現(xiàn)了多角度、高清晰的即時還原比賽精彩瞬間，將新奇、活潑、變化的飛盤比賽魅力淋漓盡致展現(xiàn)了出來，為超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，賦能智慧廣電新應(yīng)用做出積極探索。

5" 結(jié)束語

綜上所述，本文從5G+4K超高清轉(zhuǎn)播技術(shù)在體育賽事網(wǎng)絡(luò)直播的技術(shù)方案、具體應(yīng)用、應(yīng)用效果，來探討如何發(fā)揮5G大帶寬和低延時的技術(shù)優(yōu)勢，賦能4K/8K超高清轉(zhuǎn)播應(yīng)用場景實現(xiàn)。對于超高清賽事活動轉(zhuǎn)播具有一定的借鑒意義，將積極助力構(gòu)建5G+智慧體育的新發(fā)展格局。

參考文獻

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