某廣播電視臺4K 超高清播出系統改造設計路線

呂世春

（中國廣電四川網絡股份有限公司甘孜州分公司，四川 甘孜 626000）

0 引言

廣播電視臺作為主要的媒體機構，不僅要緊跟科技發展的步伐，滿足觀眾對高品質內容的需求，而且要與其他平臺和競爭對手保持競爭力。4K 超高清播出系統的改進，不僅能提高畫面質量和觀感效果，還能帶來更高的競爭力和商業價值。在市場需求不斷增長的背景下，廣播電視臺需要投資升級播控設備和技術，以滿足觀眾對4K 超高清內容的追求，贏得更多的觀眾和廣告商的青睞。

1 4K 超高清技術概述

4K 超高清是指視頻分辨率達到3 840×2 160或4 096×2 160 的一種顯示技術。相比于傳統高清（1 920×1 080）或標清（720×576），4K 超高清具有更高的像素密度，屏幕上可以呈現更多的圖像細節和更為清晰的圖像邊緣。4K 超高清技術支持更廣闊的色域范圍，能夠呈現更真實、更細膩的色彩。4K 超高清技術具備更高的對比度和更暗的黑色水平，能夠保留更明亮的白色和更細膩的陰影細節，圖像在明暗過渡時更具細膩性和明亮度。

2 某區縣廣播電視臺播出系統現狀

2.1 當前播出系統的技術配置和局限性

某地廣播電視臺當前播出系統只支持標清（720×576）和高清（1 920×1 080）分辨率，無法提供4K 超高清分辨率體驗。播出系統無法準確還原高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）和廣色域（Wide Color Gamut，WCG）的圖像，導致觀看體驗存在局限性。當前系統在處理和傳輸4K 超高清內容時還存在數據傳輸速度不足的問題，影響內容的流暢播放和傳輸穩定性。由于4K 超高清的視頻文件體積相對較大，當前播出系統的存儲容量和處理能力難以滿足4K 超高清節目的需求。部分舊有設備也無法兼容4K 超高清格式，導致無法正常播放或需要更換設備以適應新的播出系統。

2.2 傳統播出系統與4K 超高清播出系統的差距

傳統播出系統的分辨率較低，無法提供4K 超高清的細膩畫質和更高的清晰度，而4K 超高清播出系統能夠呈現更多細節和更為逼真的圖像質量。該區縣傳統播出系統也無法準確還原HDR 和WCG圖像，而4K 超高清播出系統具備更廣闊的色彩表現能力，使得圖像更豐富、更鮮明。此外，4K 超高清播出系統需要更大的帶寬、更高的存儲和處理能力，以及支持4K 超高清格式的設備。總體上看，該區縣傳統播出系統的改造升級面臨網絡和設備等技術挑戰。

3 改造路線設計

若將4K 超高清播出系統設計為網狀結構，則該系統平臺的控制、管理與監控核心為播出控制系統。4K 超高清技術的快速推廣和普及帶來了內容制作和傳輸的挑戰。播出系統不僅需要支持4K 超高清信號的生產和傳輸，還需要具備強大的性能和穩定性，以應對復雜的播出環境和需求。

3.1 4K 超高清播出系統軟件架構設計

本次設計的軟件架構嵌入了分布式超高清轉碼模塊、4K 畫面一致性比對和4 鏈接3G-SDI 凈切換全新功能模塊。該區縣的傳統播出系統使用專用的硬件設備進行視頻處理和轉碼，轉碼效率和處理能力可能有限。引入分布式超高清轉碼模塊后，可以利用分布式計算資源進行視頻轉碼，提升轉碼效率和處理能力，并能支持更高分辨率的視頻處理。在畫面一致性比對上，該區縣的傳統播出系統沒有專門的模塊來實現畫面一致性比對功能，畫面質量和色彩表現的一致性無法得到保證。引入4K 畫面一致性比對功能模塊后，能夠自動檢測不同畫面輸出之間的差異并進行調整和校準，確保多個4K 播放器或4K 視頻源在畫面質量和顏色表現上的一致性。在3G-SDI 凈切換方面，該區縣傳統播出系統使用傳統的視頻切換設備來實現信號的切換，需要手動控制切換過程，切換時間較長。引入4鏈接3G-SDI 凈切換功能模塊可以實現在4K 超高清播出系統中多個3G-SDI 信號之間的快速、平滑的切換，確保信號質量和連續性，提升播放切換的效果[1]。

本次軟件架構除了嵌入了三大模塊以外，還在以往的25 幀播控模塊基礎上，升級成50 幀控制邏輯。4K 畫面一致性比對功能模塊用于確保播出系統中的多個4K 播放器或4K 視頻源在畫面質量和顏色表現上的一致性。該模塊通過對比不同的畫面輸出，可以檢測到畫面顯示設備之間的差異，并自動進行調整和校準，以達到畫面一致性的效果；4 連接3G-SDI 凈切換功能模塊用于實現在4K 超高清播出系統中多個3G-SDI 信號之間的凈切換。該模塊通過使用專門的切換設備和算法，可以在不影響信號質量和連續性的前提下，實現快速而平滑的切換過程。

本次播出系統的控制、管理與監控平臺的軟件架構除了實施層級、模塊化處理以外，強化了各個層級之間的相互關系，對不同的模塊明確功能邊界，確保后續的功能迭代與新技術模塊引入。

3.2 4K 超高清播出系統業務流程

該區縣電視廣播播出系統傳統的節目整備業務、單據編排業務、播出控制業務和系統監控業務與4K 超高清播出系統的對應業務相比，傳統系統的節目整備業務主要涉及標準清晰度（Standard Definition，SD）或高清晰度（High Definition，HD）的節目制作和編輯；4K 超高清系統的節目整備業務需要針對4K 分辨率進行節目的制作和編輯，使節目素材達到更高的分辨率和圖像質量要求[2]。同時，需要考慮4K 格式的處理能力和存儲需求。傳統系統的單據編排業務通常針對SD 或HD 的節目單進行編排和安排；4K 超高清系統的單據編排業務需要針對4K 節目源進行編排和調度，確保4K 節目的播出順序和時間表。傳統系統的播出控制業務主要通過專門的硬件設備來實現播放控制和切換操作；4K 超高清系統的播出控制業務引入專門的4K播放控制設備，支持更高分辨率的視頻播放控制和切換操作。傳統系統的系統監控業務主要關注傳統播出系統的設備狀態、連接等指標的監控；4K 超高清系統的系統監控業務需重點關注4K 播放設備、網絡帶寬及存儲容量等與4K 播出相關的指標進行監控，以確保4K 播出系統的穩定性和性能。

將區縣電視廣播播出系統傳統的節目整備業務、單據編排業務、播出控制業務和系統監控業務進行改造，使其適應4K 超高清播出系統，需要對原有的SD 或HD 節目制作流程進行改造，增加對4K素材的處理能力和工具。可使用適合4K 超高清的攝影設備、后期制作軟件等來制作和編輯4K 節目。改造素材采集環節優先選擇支持4K 分辨率的攝像機和采集設備，篩選出適合4K 播出的素材，并調整現有的節目審批標準和流程，確保4K 節目符合相關規定和高品質要求[3]。

在單據編排業務改造方面，更新節目單的編排工具和系統，支持4K 節目的編排和調度。考慮4K節目時長與轉碼、傳輸所需時間的因素，需精確安排節目的播出時間和順序；為4K 節目設計跳板節目，用于平滑過渡和靈活調整播出節目，確保4K 節目的高質量播放。在播出控制業務改造方面，升級現有的播出設備，包括播放器、調度器等，以適應4K 超高清播出需求[4]；同時引入自動化播出控制系統，實現對4K 節目播放的自動調度、切換和廣告插播等功能，減少人工干預。在系統監控業務改造方面，使用高速的以太網和網際互連協議（Internet Protocol，IP）傳輸技術，確保足夠的帶寬和低延遲，引入專門的4K 信號監控設備，對4K 節目播出進行質量監控，確保畫面質量、色彩一致性和穩定性；優化系統監控軟件，及時收集和分析與4K 播出相關的數據，并生成相應的報表、指標和警報。

3.3 技術架構

針對區縣電視廣播播出系統的視音頻鏈路及周邊和視頻服務器系統進行改造設計，能夠適應現代化的需求和技術發展。首先，應先升級攝像頭、監控攝像機等設備到高清或4K 分辨率，提高圖像質量和細節展示能力；增加網絡攝像機的應用，實現遠程監控和管理功能；使用數字音頻調音臺和音頻處理器，提供更精確的聲音調整和效果處理功能；增加多路音頻輸入和輸出接口，支持多聲道音頻處理和編碼功能；引入高清或4K 的視頻分配器、切換器和轉換器，支持多信號源的異步切換和跨系統平臺的視頻轉換[5]。其次，針對4K 超高清播出系統的資源存儲需求，需增加存儲設備的容量，以適應更大規模的媒體內容存儲需求，使用高速磁盤陣列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID）或云存儲解決方案，提高存儲性能和可靠性，并引入現代化的視頻編碼標準，如H.264、H.265 等，提供更高的圖像質量和更低的比特率，從而減少傳輸帶寬和存儲空間的占用。最后，將視頻服務器系統遷移到基于IP 網絡的架構，支持遠程訪問和管理，簡化系統監控和維護。例如，使用云計算和虛擬化技術，提供彈性擴容和靈活的資源分配方式。

4 結語

隨著4K 電視和設備的普及，觀眾對更高質量的內容和觀看體驗的需求不斷增加。對區縣廣播電視播出系統進行4K 超高清改造升級，可以滿足觀眾對高質量內容的需求，提高媒體競爭力，適應市場發展趨勢。盡管4K 超高清的視頻數據量較大，但現代的視頻編碼技術和網絡傳輸技術能夠實現更高效的壓縮和傳輸。改造升級后的系統可以更好地利用帶寬和存儲資源，提供高質量的視頻流媒體服務。