廣播電視臺4K 超高清播出關鍵技術應用

陳曉燕

（鎮江市廣播電視臺技術中心，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

科技的發展和新技術的應用，使得廣播電視臺4K超高清播出越來越廣泛。為了達到相應播出效果，4K 超高清播出在高清晰度、幀頻、寬色域、高動態范圍以及三維音頻等方面的技術要求相對較高，關鍵技術主要包括時碼控制技術、4K 凈切換技術及4K 畫面一致性比對技術。對此，廣播電視臺要通過視音頻鏈路設計、播出業務流程設計加強4K 超高清播出技術的實踐應用。

1 4K 超高清音視頻的技術要求

1.1 更高清晰度和幀頻

更高清晰度和幀頻是4K 超高清音視頻的基本技術要求。更高的清晰度是指在4K 超高清音視頻中能夠呈現更多的像素。傳統的高清視頻分辨率為1 920×1 080，而4K 超高清視頻的分辨率達到了3 840×2 160，相比之下，像素數量提升為原來的4 倍。這意味著觀眾能夠看到更多的細節，如更清晰的圖像輪廓、更真實的顏色和更豐富的紋理。為了實現更高的清晰度，攝像設備需要具備更高的像素密度，顯示屏幕需要有更多的像素點，傳輸設備和網絡也需要具備足夠的帶寬和速度[1]。

更高的幀頻是指在4K 超高清音視頻中每秒呈現的圖像幀數更多。傳統的視頻通常以每秒24 幀的速度播放，而4K 超高清視頻通常以每秒60 幀的速度播放。通過增加幀頻，觀眾可以感受到更加流暢的畫面運動和更真實的動態效果。然而，要實現更高的幀頻，也需要更高的處理能力和更快的數據傳輸速度。攝像設備和顯示屏幕需要具備快速的圖像處理能力，而傳輸設備和網絡也需要具備足夠的帶寬和速度。為了滿足這些要求，相關行業不斷進行技術創新和研發。攝像設備不斷提升像素密度和圖像處理能力，顯示屏幕不斷增加像素點和刷新率，傳輸設備和網絡不斷提高帶寬和速度。同時，相關標準和協議也不斷更新，以適應4K 超高清音視頻的需求[2]。

1.2 寬色域

寬色域是指4K超高清音視頻能夠展示更豐富、更真實的顏色范圍。在4K 超高清音視頻中，寬色域的要求是非常重要的。首先，寬色域要求顯示設備能夠支持更廣泛的色彩范圍。傳統的標準動態范圍（Standard Dynamic Range，SDR）技術只能顯示有限的顏色范圍，而寬色域技術可以展示更多的顏色細節，使得畫面更加鮮艷生動。為了實現寬色域，顯示設備需要具備更高的色彩深度和更廣的色域覆蓋范圍，比如能夠顯示更多的紅綠藍（Red Green Blue，RGB）色彩。其次，寬色域要求編碼格式能夠支持更多的顏色信息。傳統的編碼格式如RGB和YUV 只能表示有限的顏色范圍，而寬色域需要使用更高效的編碼格式，如基于浮點數的編碼格式，才能保留更多的顏色細節。寬色域還需要支持更高的亮度范圍，以展示更加明亮的畫面，提升觀影體驗。寬色域要求傳輸和存儲介質具備更大的容量和更快的傳輸速度。寬色域的音視頻文件通常會比傳統的SDR 文件更大，因為它需要存儲更多的顏色信息。在傳輸過程中，寬色域文件需要更高的帶寬來保證數據的傳輸速度和質量。最后，寬色域的要求還包括后期制作和顯示設備之間的標準化。為了保證寬色域的一致性和互操作性，需要制定統一的色彩標準和色域范圍，以確保不同設備之間的兼容性和畫面質量的一致性。

1.3 高動態范圍

高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）是指在4K 超高清音視頻中對于圖像亮度和對比度的更高要求。傳統的視頻技術在顯示亮度和對比度方面受到一定限制，導致畫面在亮部和暗部細節表現不佳，造成畫面失真和色彩失真的問題。HDR 技術通過增加顯示設備的亮度范圍和改善亮度調整算法，可以更準確地還原真實世界中的亮度和顏色細節。實現高動態范圍的關鍵是擴展亮度范圍。傳統視頻的亮度范圍通常在0 ～100 nits，HDR 可以將亮度范圍擴展到1 000 nits 甚至更高。這樣畫面中的亮部細節可以更加明亮、細膩，暗部細節也能夠更加清晰可見，大大提升了觀看體驗。除了亮度范圍的擴展，高動態范圍還要求更高的對比度。傳統視頻技術的對比度范圍通常在1 000 ∶1 左右，HDR 可以達到10 000 ∶1 甚至更高。這意味著畫面中的明暗部分能夠更加鮮明地呈現出來，細節更加豐富，畫面更加逼真。為了實現高動態范圍，4K 超高清音視頻還需要支持廣色域。廣色域是指能夠顯示更多顏色的能力。傳統視頻技術的色域范圍較窄，只能顯示有限的顏色，而HDR 可以擴展色域范圍，能夠呈現更多的顏色細節，使畫面更加鮮艷、真實[3]。

1.4 三維音頻

4K 超高清音視頻的三維音頻能夠提供更加沉浸式的觀影體驗。傳統的音頻只能在水平方向上提供聲音的定位，而三維音頻能夠在水平和垂直兩個方向上提供聲音的定位，使得觀眾能夠更加真實地感受到聲音的來源和位置。三維音頻的應用使得觀影者不僅能夠聽到聲音從左到右的移動，還能夠感受到聲音從上到下的移動，從而增強了觀影的沉浸感。三維音頻需要通過精確的聲音定位算法和高品質的音響設備確保聲音能夠準確地傳遞到觀眾的耳朵。觀眾可以更加真實地感受到聲音的來源和位置，增強觀影的沉浸感，提升對場景的感知能力。

2 廣播電視臺4K 超高清播出技術的應用

2.1 時碼控制技術

時碼控制技術在實現高清畫面的精準播出和同步傳輸方面起著重要的作用。首先，時碼控制通過為每一幀圖像分配獨立的時間碼，確保播出系統能夠準確地識別和處理不同的畫面。這樣一來，廣播電視臺就能夠在播出過程中實現無縫切換不同畫面，提供流暢的觀看體驗。同時，還能夠確保廣播電視臺內部各個部門之間的工作協調，比如剪輯、特效、音頻等部門可以根據時間碼進行精確的配合工作，提高工作效率。其次，時碼控制可以實現多路信號的同步傳輸。在4K 超高清播出系統中，通常會同時傳輸多個信號源，如各種高清攝像機、錄音設備等。時碼控制可以確保這些信號源之間的同步傳輸，避免畫面和聲音的錯位現象，保證觀眾能夠獲得高質量的視聽體驗。再次，時碼控制還可以實現對視頻和音頻的精確編輯和處理。廣播電視臺在制作節目時，通常需要對視頻和音頻進行剪輯、變速、混音等處理，時碼控制可以提供精確的時間參考，使得編輯人員能夠準確地定位和處理每一幀圖像和每一幀音頻，確保最終的播出效果符合預期。最后，時碼控制還可以實現對廣播電視節目的精確定位和回放。廣播電視臺通常會保存大量的節目素材和歷史節目，時碼控制可以對這些素材進行精確的標記和管理，使得廣播電視臺能夠快速準確地找到所需素材，進行回放和再利用[4]。

2.2 4K 凈切換技術

4K 凈切換技術的應用為廣播電視節目提供了更加流暢、高質量的畫面切換體驗。首先，4K 凈切換技術通過使用高速傳輸線路和專業的圖像處理器，實現在節目播出過程中的無縫切換。傳統的切換方式可能存在畫面閃爍或者黑屏的問題，影響用戶觀看體驗。而4K 凈切換可以在不影響畫面質量的情況下實現平滑過渡，讓觀眾感受到更加連貫自然的畫面切換效果。其次，4K 凈切換技術可以在廣播電視節目中實現多畫面切換，通過將多個畫面同時展示在屏幕上，觀眾可以獲得更多的信息，提升觀看效果。該技術在體育賽事、新聞報道等場景中尤為重要，能夠同時展示多個角度的畫面，讓觀眾全面了解事件的發展。再次，4K 凈切換還可以實現畫中畫功能。畫中畫是指將一個畫面嵌入另一個畫面中，以小窗的形式展示。這種技術可以在廣播電視節目中實現同時播放多個節目或者多個畫面，讓觀眾可以自由選擇感興趣的內容進行觀看。例如，在體育賽事中，觀眾可以同時觀看比賽實況以及裁判解說的畫面，提升觀看樂趣。最后，4K 凈切換技術可以應用于廣播電視節目的特效制作。傳統的特效制作需要在后期處理中加入各種效果，而4K 凈切換技術可以實時將特效與實況畫面結合，讓觀眾在觀看的同時就能欣賞到特效的精彩呈現。這在綜藝節目、電視劇等節目類型中的應用十分廣泛，為觀眾帶來更加震撼的視覺體驗。

2.3 4K 畫面一致性比對技術

廣播電視臺的4K 超高清播出系統在保證畫面質量的同時，需要應用4K 畫面一致性比對技術。首先，4K 畫面一致性比對需要通過對播出系統中的多個畫面進行比對，確保它們在色彩、亮度、對比度等方面的一致性。這對于廣播電視臺來說非常重要，因為在直播或者錄播過程中，可能會涉及多個畫面源的切換，而這些畫面源的畫質差異可能會對觀眾的觀看體驗產生負面影響。通過應用4K 畫面一致性比對技術，廣播電視臺可以在播出前對畫面進行自動比對和調整，確保畫質的一致性。其次，4K 畫面一致性比對可以用于檢測和修復畫面中的故障或者損傷。在傳輸和處理過程中，畫面可能會出現噪點、失真及色彩偏差等問題，影響觀眾的觀看體驗。通過4K 畫面一致性比對，廣播電視臺可以對畫面進行實時監測和識別，及時發現畫面中的故障或者損傷，通過自動修復算法對其進行修復，保證畫質的穩定性和一致性。最后，4K 畫面一致性比對還可以應用于廣播電視臺的制作流程。電視劇、電影等節目制作過程可能存在多個拍攝角度或者不同時間段的畫面，這些畫面需要在后期制作中進行融合和處理，以保證整體的一致性。通過應用4K 畫面一致性比對，廣播電視臺可以自動進行畫面融合和處理，減少后期制作的工作量和時間，提高制作效率和質量。

3 4K 超高清頻道播出業務流程

4K 超高清頻道播出業務流程主要包括5 大模塊，分別是節目單編排模塊、節目文件整備模塊、圖文包裝模塊、總控信號調度模塊以及播出控制模塊、在4K 超高清頻道播出業務流程中，節目單編排模塊是一個關鍵的環節。在這個模塊中，編排人員需要根據頻道的定位和觀眾的觀看習慣，合理安排不同類型的節目，需要考慮到節目的時長、播放順序、廣告插播等因素，以確保觀眾能夠獲得流暢的觀看體驗。節目文件整備模塊負責處理節目文件的準備工作，包括對節目文件進行轉碼、壓縮、剪輯等處理，以適應4K 超高清頻道的技術要求。同時還需要對節目文件進行質量檢查，以確保播出的節目質量達到高標準。圖文包裝模塊負責為節目添加圖像和文字，需要根據節目的內容和風格，設計合適的片頭、片尾、轉場動畫等元素，以增加節目的觀賞性和專業感?？偪匦盘栒{度模塊負責協調各個播出設備和信號源，監控節目播出的進程，確保各個設備正常運行并正確接收信號，同時還需要處理各種可能的故障和問題，以確保播出的穩定性和可靠性。播出控制模塊負責控制節目播出，需要根據節目單的安排，控制節目的開始、結束、切換等操作，還需要根據實際情況做出即時調整，比如根據觀眾反饋調整廣告時長或插播時間等。通過以上5 個模塊的協同工作，4K 超高清頻道的播出業務流程能夠高效運轉，為觀眾提供優質的觀看體驗。這些模塊的緊密配合和專業操作，對頻道的成功播出起到了重要的作用[5]。

4 結語

廣播電視臺4K 超高清播出技術的實踐應用是一個復雜而又重要的系統過程，需要合理的網絡架構、先進的設備支持、高效的管理理念以及融合發展等多方面的協同，從而為觀眾提供更高質量的視聽體驗。