4K 超高清演播室的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

卞 雷

（宿遷市宿豫區(qū)融媒體中心（宿遷市宿豫區(qū)廣播電視臺(tái)），江蘇 宿遷 223801）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和觀眾的需求提升，電視節(jié)目制作和播出正面臨著從高清向超高清的技術(shù)轉(zhuǎn)型[1]。4K 超高清電視具有3 840×2 160 的分辨率，是高清電視的4 倍，能夠提供更清晰、更細(xì)致、更真實(shí)的畫(huà)面效果，給觀眾帶來(lái)更好的視覺(jué)體驗(yàn)[2]。4K 超高清電視技術(shù)的應(yīng)用，不僅需要相應(yīng)的前期拍攝、后期編輯及播出傳輸?shù)仍O(shè)備和系統(tǒng)，也需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的演播室系統(tǒng)來(lái)支撐大型節(jié)目的制播任務(wù)。

1 4K 超高清演播室設(shè)計(jì)方案

4K 超高清演播室是使用4K 分辨率的視頻設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)建的演播室，可以提供高清晰度、高色彩度、高動(dòng)態(tài)范圍的視頻內(nèi)容[3]。文章的設(shè)計(jì)方案以中型規(guī)模的4K 超高清演播室系統(tǒng)為例，主要由視頻系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)及畫(huà)分監(jiān)看系統(tǒng)組成。

1.1 視頻系統(tǒng)

視頻制作系統(tǒng)是4K 超高清電視節(jié)目制作的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由攝像機(jī)的接入、外來(lái)信號(hào)的接入、信號(hào)制作、信號(hào)調(diào)度交換以及信號(hào)的輸出5 個(gè)部分組成。

1.1.1 攝像機(jī)的接入

攝像機(jī)接入部分在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及攝像機(jī)的選擇、信號(hào)的傳輸和處理等方面。在攝像機(jī)的選擇方面，可以考慮使用索尼公司生產(chǎn)的HDC-5500 4K 高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）等專(zhuān)業(yè)的演播室攝像機(jī)產(chǎn)品。該類(lèi)攝像機(jī)具有高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍及高色彩空間等特點(diǎn)，可以提供優(yōu)質(zhì)的4K 超高清圖像。為了保證攝像機(jī)的靈活性和可靠性，演播室設(shè)計(jì)還需要配備攝像機(jī)控制單元和基帶處理器單元。其中，攝像機(jī)控制單元負(fù)責(zé)對(duì)攝像機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，基帶處理器單元負(fù)責(zé)對(duì)攝像機(jī)的輸出信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和編碼。在信號(hào)的傳輸和處理方面，設(shè)計(jì)采用網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）方式，即將攝像機(jī)的輸出信號(hào)封裝成IP 數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行傳輸和分配。這一設(shè)計(jì)需要遵循電影和電視工程師協(xié)會(huì)（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了視頻、音頻、同步及元數(shù)據(jù)等信號(hào)在IP 網(wǎng)絡(luò)中的傳輸格式和方法，為4K 超高清演播室的視頻系統(tǒng)提供了先進(jìn)、可靠的技術(shù)方案。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，攝像機(jī)接入部分的實(shí)施需要經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)在穩(wěn)定性和兼容性方面達(dá)到最佳表現(xiàn)。

1.1.2 外來(lái)信號(hào)的接入

4K 超高清演播室的設(shè)計(jì)方案中，關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一為外來(lái)信號(hào)的接入能力。在演播室設(shè)計(jì)方面，可選擇采用GV UHD1100 設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的幀同步、上變換以及色域轉(zhuǎn)換。處理后的外來(lái)信號(hào)被統(tǒng)一為3G×4 2-SI 模式的標(biāo)準(zhǔn)4K 信號(hào)，為整個(gè)系統(tǒng)提供高質(zhì)量的輸入信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)化的4K 信號(hào)進(jìn)入GV NODE 設(shè)備，經(jīng)過(guò)超高清轉(zhuǎn)換，將信號(hào)從傳統(tǒng)的串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）格式轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮殪`活的IP 格式，確保外部信號(hào)在演播室內(nèi)的順暢傳遞，可以為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的4K 超高清節(jié)目制作提供可靠的支持。

1.1.3 信號(hào)制作

在4K 超高清演播室的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以全I(xiàn)P 化的框架為基礎(chǔ)，采用ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻、音頻、同步和元數(shù)據(jù)等信號(hào)的傳輸和處理。為保障高效信號(hào)制作，建議使用GV K-Frame XP 全I(xiàn)P 4K/HD 切換臺(tái)。該設(shè)備支持64 路輸入和32 路輸出，具有2 級(jí)M/E 制作能力。設(shè)備支持信號(hào)格式轉(zhuǎn)換，如HDR/SDR、BT.2020/BT.709、50p/50i 等，以確保信號(hào)的兼容性和一致性。設(shè)計(jì)預(yù)留了多臺(tái)4K 圖文機(jī)、4K 字幕機(jī)及4K 特效機(jī)等設(shè)備，用于信號(hào)的包裝、特效及字幕等處理，以提升節(jié)目的視覺(jué)效果和表現(xiàn)力。

1.2 音頻系統(tǒng)

音頻系統(tǒng)在4K 超高清演播室中為整體節(jié)目制作提供全面的音頻支持，并與視頻系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基于SMPTE ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)的IP 數(shù)據(jù)流，以實(shí)現(xiàn)音頻的高效傳輸和交換。設(shè)計(jì)采用支持IP 輸入輸出的音頻調(diào)音臺(tái)、音頻監(jiān)視器及音頻收錄機(jī)等設(shè)備，以及支持IP 音頻流的交換機(jī)、同步器及網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，構(gòu)建一個(gè)基于IP 的高靈活性和高可靠性的音頻制作平臺(tái)。設(shè)計(jì)構(gòu)建一個(gè)基于Dolby Atmos、MPEG-H 等標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)三維聲制作平臺(tái)，支持三維聲制作和監(jiān)聽(tīng)的音頻調(diào)音臺(tái)、音頻監(jiān)視器及音頻處理器等設(shè)備，為觀眾提供身臨其境的聲音感受。

1.3 畫(huà)分監(jiān)看系統(tǒng)

畫(huà)分監(jiān)看系統(tǒng)是為4K 超高清演播室提供畫(huà)面監(jiān)視和質(zhì)量評(píng)估的系統(tǒng)，主要配合視頻制作系統(tǒng)的運(yùn)行。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了保持有原來(lái)系統(tǒng)所有的畫(huà)面分割、畫(huà)面監(jiān)視及畫(huà)面測(cè)量等功能，還增加了畫(huà)面增強(qiáng)、畫(huà)面對(duì)比等新技術(shù)。畫(huà)面增強(qiáng)設(shè)計(jì)采用人工智能技術(shù)，對(duì)輸入的4K 超高清視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像質(zhì)量提升，包括降噪、去模糊、增銳及調(diào)色等處理，以實(shí)現(xiàn)更加清晰和自然的畫(huà)面效果。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)還采用支持畫(huà)面增強(qiáng)功能的視頻處理器、視頻監(jiān)視器等設(shè)備，以及支持畫(huà)面增強(qiáng)算法的軟件平臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)基于人工智能的畫(huà)面增強(qiáng)平臺(tái)。畫(huà)面對(duì)比設(shè)計(jì)采用支持多路輸入和輸出的畫(huà)面分割器、畫(huà)面監(jiān)視器等設(shè)備，以及支持多種格式和標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)發(fā)生器、視頻信號(hào)分析儀等設(shè)備，構(gòu)建一個(gè)基于SmartView 4K2 的畫(huà)面對(duì)比平臺(tái)，為用戶(hù)提供更直觀、更全面的視覺(jué)信息。

2 4K 超高清演播室的優(yōu)勢(shì)

2.1 提升視覺(jué)感知體驗(yàn)

4K 超高清演播室通過(guò)提供更高的畫(huà)面清晰度和細(xì)節(jié)，為觀眾創(chuàng)造更出色的視覺(jué)體驗(yàn)和沉浸感[4]。以4K 分辨率為例，相較于高清分辨率，4K 每個(gè)像素點(diǎn)的信息量更加豐富，畫(huà)面更為銳利，色彩更鮮艷，對(duì)比度更高，尤其在大屏幕觀看時(shí)，效果更為明顯，展現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)和紋理，提升了整體視覺(jué)感知體驗(yàn)。4K 超高清演播室支持HDR 和寬色域（Wide Color Gamut，WCG），使畫(huà)面更加逼真和自然。通過(guò)采用先進(jìn)的編碼和傳輸技術(shù)如高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC），演播室實(shí)現(xiàn)了對(duì)HDR 和WCG 信號(hào)的處理和顯示，確保畫(huà)面的亮部和暗部均能保持細(xì)節(jié)，色彩的還原度和飽和度也更高，進(jìn)一步展現(xiàn)了真實(shí)的光影和色彩效果。

2.2 創(chuàng)造沉浸式聲音體驗(yàn)

4K 超高清演播室支持三維聲制作和監(jiān)聽(tīng)，通過(guò)多個(gè)揚(yáng)聲器或耳機(jī)模擬聲音在三維空間中的分布和運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了更為真實(shí)和沉浸的聲音體驗(yàn)。演播室采用Dolby Atmos、MPEG-H 等標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)不同的場(chǎng)景和內(nèi)容調(diào)整聲音的方向、位置、深度和高度，使聲音更具立體感和空間感。同時(shí)，通過(guò)IP 方式傳輸音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了音頻的高效交換和處理，提高音頻的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2.3 多平臺(tái)傳播

4K 超高清演播室通過(guò)超高清、高清及標(biāo)清同播的方式，覆蓋有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、IPTV 等傳輸渠道，滿(mǎn)足全國(guó)范圍內(nèi)不同層次和差異化的收視需求[5]。采用IP 全流程，支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口（Network Device Interface，NDI）、實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié)議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)端、社交媒體等新媒體平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)節(jié)目的多屏融合和跨平臺(tái)分發(fā)，使得演播室具備更大的傳播影響力和便捷的觀看方式，推動(dòng)了節(jié)目的多元化傳播。

2.4 節(jié)約成本

4K 超高清演播室可以節(jié)約制作和播出的成本，提高效率和收益。通過(guò)采用IP 全流程，4K 超高清演播室實(shí)現(xiàn)視頻、音頻、同步和元數(shù)據(jù)等信號(hào)的統(tǒng)一傳輸和處理，減少設(shè)備的數(shù)量和類(lèi)型，降低設(shè)備的采購(gòu)和維護(hù)的費(fèi)用，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的架構(gòu)和管理，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。同時(shí)，通過(guò)采用先進(jìn)的編碼和傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)4K 超高清信號(hào)的高效壓縮和傳輸，降低帶寬的需求和消耗，減少傳輸?shù)难舆t和丟包，提高傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。

3 4K 超高清演播室的具體應(yīng)用

3.1 《國(guó)樂(lè)大典第四季》錄制

《國(guó)樂(lè)大典第四季》是一檔凸顯中國(guó)民樂(lè)魅力的綜藝節(jié)目，以跨界合作為特色，邀請(qǐng)不同年代、不同音樂(lè)風(fēng)格的音樂(lè)人與國(guó)樂(lè)手合作。節(jié)目的制播采用4K 超高清演播室，實(shí)現(xiàn)了端到端的全I(xiàn)P 化架構(gòu)，支持12G 單流的4K 信號(hào)傳輸和切換，極大地提高了畫(huà)面的清晰度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)。該演播室使用索尼的XVS 系列4K 超高清IP 切換臺(tái)，符合SMPTE ST 2110 標(biāo)準(zhǔn)，支持HDR 和WCG 制作，使得畫(huà)面色彩更加生動(dòng)豐富，對(duì)比度更為出眾。為實(shí)現(xiàn)“所看即所得”的效果，4K 超高清演播室還使用了IP 多畫(huà)面分割監(jiān)看系統(tǒng)，能夠靈活調(diào)用交換機(jī)的IP 信號(hào)源，提供了直觀的實(shí)時(shí)監(jiān)視體驗(yàn)。錄制過(guò)程中，索尼的4500 硬盤(pán)服務(wù)器用于4K 信號(hào)的收錄，并將信號(hào)實(shí)時(shí)推送到后期編輯網(wǎng)，方便后期制作和最終播出。

3.2 南方衛(wèi)視“唱享”音樂(lè)會(huì)的豎屏制作直播

南方衛(wèi)視“唱享”音樂(lè)會(huì)以“讀信”為主題，呈現(xiàn)一場(chǎng)戶(hù)外音樂(lè)慢綜藝。該節(jié)目的錄制采用4K 超高清演播室系統(tǒng)，創(chuàng)造了全新的觀看體驗(yàn)。節(jié)目制作利用5 個(gè)4K 訊道機(jī)進(jìn)行豎屏拍攝，通過(guò)L 支架旋轉(zhuǎn)90°拍攝，導(dǎo)播區(qū)與調(diào)像區(qū)的屏幕均旋轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的畫(huà)面展示。IP 分控中心對(duì)臺(tái)內(nèi)其他區(qū)域演播室的制作進(jìn)行服務(wù)和調(diào)度，提升了系統(tǒng)的覆蓋范圍和利用率。在直播過(guò)程中，4K 超高清演播室系統(tǒng)采用IP 流監(jiān)看模式，監(jiān)看系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)，支持HDR 和SDR，確保畫(huà)面質(zhì)量。通過(guò)轉(zhuǎn)換，將直播信號(hào)輸出相應(yīng)的4K 和高清SDI 信號(hào)，分別供電視臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)播出，滿(mǎn)足了不同平臺(tái)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)不斷演進(jìn)，4K 超高清演播室必將在廣播與電視領(lǐng)域中發(fā)揮更為重要的作用，為觀眾帶來(lái)更豐富、更震撼的視聽(tīng)體驗(yàn)。通過(guò)文章的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析，期待這一先進(jìn)技術(shù)在未來(lái)繼續(xù)推動(dòng)節(jié)目制作的發(fā)展，為觀眾呈現(xiàn)更加精彩紛呈的視聽(tīng)盛宴。