松下公司 4K超高清演播室應用介紹

孫奉明 松下電器（中國）有限公司廣播電視系統(tǒng)營銷公司

松下公司 4K超高清演播室應用介紹

孫奉明 松下電器（中國）有限公司廣播電視系統(tǒng)營銷公司

本文對4K超高清演播室建設中SDI方式向IP方式轉換的發(fā)展方向及面臨的問題進行了深入的分析，在分析的基礎上提出當今4K超高清演播室系統(tǒng)建設的思路。對松下4K 12G-SDI演播室系統(tǒng)和設備應用進行了介紹。

4K超高清演播室 技術發(fā)展方向 系統(tǒng)建設思路

1.引言

目前4K是一個很熱門的話題，尤其是數(shù)字電影和一些專題片的拍攝,4K都有很多應用。國家新聞出版廣電總局提出， 在“十三五”規(guī)劃期間，有條件的電視臺要進行4K節(jié)目的制作，同時通過網(wǎng)絡方式進行4K的播出。

在日本，4K也是一個非常熱門的話題，因為它有一個具體的目標，就是承諾在2020年東京奧運會時要進行8K的轉播。8K實際上是4K的第二階段，所以目前在日本，4K正在緊鑼密鼓地規(guī)劃和實施。

從歷史上來看，作為大型的體育賽事，確實能對廣電技術有很強的推進作用，例如通過北京2008奧運會，我國高清在電視臺的業(yè)務逐步得到了普及。松下贊助奧運會的計劃從1988年漢城奧運會開始，并將是東京2020年奧運會在內的今后4屆奧運盛會的全球頂級贊助商。

所以松下超高清產品的開發(fā)，不僅是松下的一個產品規(guī)劃，同時也是對奧運電視轉播的一個鄭重承諾。

2．Media over IP的發(fā)展路線

當今廣電面臨多方面的技術轉型：從標清向高清再向超高清轉換；網(wǎng)絡和設備從專門的硬件向通用設備及軟件定義的虛擬化轉換；節(jié)目制作從網(wǎng)絡化向云平臺架構轉換，還有演播室從SDI向IP轉換。4K演播室的建設，有一個話題是避免不了的，究竟是延續(xù)現(xiàn)有多年的SDI傳輸技術，還是采用更新的IP的傳播方式。

SDI方式向IP方式轉換，這是我們廣電行業(yè)甚至是各行各業(yè)的一個潮流。如上所述，廣電行業(yè)有很多的轉換，包括SDI向IP方面轉換。IP化發(fā)展的優(yōu)勢表現(xiàn)在：使用標準的非專業(yè)產品是應用SDI-to-IP混合環(huán)境重要原因；從依賴硬件的工作系統(tǒng)專向虛擬化環(huán)境；IP化發(fā)展是電視業(yè)務向UHD推廣的基礎條件。高清、超高清需要有更高碼率的傳輸條件，IP化平臺是技術發(fā)展的必然趨勢。

IP化過程中的虛擬化給用戶帶來擔心：它顛覆了傳統(tǒng)的工作方式，很多觀念和我們系統(tǒng)的構成有一個突破性的發(fā)展；故障難于診斷和排除，我們在SDI基帶的應用，已經形成了SDI基帶信號測量、故障診斷和排除的經驗，采用IP化后，所有的環(huán)境發(fā)生變化，故障診斷和排除方法與SDI基帶的方法完全不同；可靠性和計算能力不足，4K系統(tǒng)的碼率比高清高很多，需要有一個更高的承載能力和計算能力，目前設備商的承載能力以及對于廣電高可靠性的要求，還有一些課題需要研討；技能缺乏，采用IP化對我們今后的人才培養(yǎng)和技術能力都是一個考驗，將來電視臺不僅僅是AV人才，還要培養(yǎng)IP人才；缺乏標準，標準化的工作是一個重要的問題。IP化是廣電技術發(fā)展的方向，大家是沒有任何異議的，但IP化發(fā)展進程將是一個漸進的過程，IP與基帶相互融合的技術架構將會存在相當長的一段時內。SDI是一個很成熟的標準，我們將SDI在IP的通道里進行傳輸，需要一個國際標準。2007年-2013年，SMPTE陸續(xù)發(fā)布了ST 2022 1-7系列標準。隨后SMPTE又發(fā)布了ST 2110標準。ST 2110標準系列包括7個部分，這是一個新的標準。大家都看好ST 2110標準，因為ST 2110標準系列規(guī)范了現(xiàn)場制作系統(tǒng)流程中不同IP實體流的承載、同步和描述，為IP網(wǎng)絡傳輸不同的視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)流定義了一個可互操作的系統(tǒng)。SMPTEST2110標準使單獨路由和分離基本流（音頻、首批和輔助數(shù)據(jù)）成為可能。這種發(fā)展簡化了如增加字幕和圖文以及如處理多音頻語言和類型的工作。每個基本流可單獨路由和在端點重新組合。每個分量流（音頻、視頻和輔助數(shù)據(jù)）被同步，因此基本流相互共同定時，但保持獨立。從基帶到IP發(fā)展過程見圖1。

圖1 基帶到IP發(fā)展過程

圖2 松下NAB2017 IP聯(lián)通演示

松下電器在NAB2017 展示會上進行了IP聯(lián)通演示，通過松下切換臺和控制器來進行網(wǎng)絡服務器的控制，形成了一個從外場傳回來的信號進行IP流處理的一個簡單演示系統(tǒng)。IP方式簡單替代SDI并不復雜，但是它并沒有達到我們過去認為要實現(xiàn)IP傳輸?shù)膬?yōu)勢，它僅僅只是一個IP信號的轉換，在現(xiàn)有制作環(huán)境中采用IP技術，并沒有改變原來的工作環(huán)境。INPS（IP Networked Production System）系統(tǒng)則是一個純粹的IP系統(tǒng)，構建基于IP環(huán)境的制作系統(tǒng)，而不是在現(xiàn)有制作環(huán)境中采用IP技術，可通用多用途基礎設施解決方案。在這樣的IP應用環(huán)境下，靈活性-提高生產率及工作效率、可靠性-低成本實現(xiàn)系統(tǒng)冗余，可擴展性-以最小化投資對應未來的升級擴展、可應用性-適用于多種用途等優(yōu)點可以充分的發(fā)揮出來。

建設INPS系統(tǒng)分這樣幾個步驟，第一步是先取代現(xiàn)有的電纜系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對所有攝像機、切換臺的功能進行靈活控制，形成靈活組合的工作室，實現(xiàn)資源共享。第二步是進行可擴展資源群集的建設，過去單機功能都是固定的，通過虛擬化，可以根據(jù)需要進行不同的組合，使得資源可以靈活的調配。第三步是作為服務來進行運作，就是在不同的過程中，可以根據(jù)工作繁忙或空閑并非經常用到全部功能的一些特征，進行高效的利用、快速傳輸，提供更多的功能。這是我們實現(xiàn)IP化的最終目標。在今年的NAB2017 展示會上，我們展示的制作、傳輸系統(tǒng)見圖3，圖3中右邊是采用傳統(tǒng)的SDI基帶方式進行制作、傳輸；左邊是采用虛擬環(huán)境，可以通過組合的IP方式進行制作、傳輸。

圖3 松下NAB2017IP 制作、傳輸系統(tǒng)演示

3．4K演播室系統(tǒng)建設思路

作為更具感染力的超高清電視在多個方面比現(xiàn)有高清電視有非常大的提升，它體現(xiàn)在分辨率的提高（4K、8K）、灰度階梯的增加（10bit）、色域的展寬（BT.2020）、動態(tài)范圍的擴展（HDR）、幀頻的提高（60f/s）以及音頻效果的改善（22.2ch）。所有這些性能提升都是靠資源來解決的。首先分辨率提高直接提高了碼率，動態(tài)范圍和色域表面上好像沒有提高碼率，但它需要把現(xiàn)在的8bit擴充成10bit甚至12bit，增加灰度等級，才能實現(xiàn)高動態(tài)范圍。4K演播室系統(tǒng)的設計思想要從可靠性和穩(wěn)定性方面來考慮，現(xiàn)在SDI基帶的信號傳輸技術非常成熟，但由于4K超高清碼率的大幅增加，造成了系統(tǒng)構成更加復雜,例如采用4條3G-SDI電纜進行超高清的傳輸方式，使得實際應用受到很大限制。目前仍采用SDI基帶方式設計4K 超高清，是因為它還有一定的優(yōu)點，SDI系統(tǒng)的檢測和故障處理都比較方便。但是它的缺點是擴展性弱。還有就是IP系統(tǒng)的延時比較大，而SDI基帶系統(tǒng)延時最多就是幾電視行。

4K演播室系統(tǒng)建設采用12G-SDI與采用MoIP性能比較見圖4。

圖4 12G-SDI與MoIP性能比較

使用12G接口可以實現(xiàn)低延時，從攝像機到演播室輸出的系統(tǒng)延時可在1行以內，能夠繼承傳統(tǒng)的視頻系統(tǒng)設計，但系統(tǒng)自由度和擴展性比較低。

IP接口則正好相反，延時大，每個節(jié)點有1幀，從攝像機到演播室輸出的系統(tǒng)經多個環(huán)節(jié)，延時將到達4幀，但IP接口具備更強的開放性和可擴展性。

基于上述的分析，目前演播室系統(tǒng)的設計可以參考以下思路：本地的視頻信號處理包括攝像機輸出采用12G接口，而和遠距離的外場進行信號交換時，采用IP接口。這樣既可以發(fā)揮12G信號低延時的特點，也兼顧了IP接口靈活的擴展能力。同時我們也認為將來IP是發(fā)展方向。12G-SDI+MoIP的4K 演播室建設方案見圖5。

圖5 12G-SDI+MoIP的4K 演播室建設方案

4．4K 12G-SDI演播室系統(tǒng)介紹

在這樣的4K演播室系統(tǒng)建設思路下，松下電器通過開發(fā)設備的12G接口，用于4K 12G的演播系統(tǒng)設計，單根電纜就可以傳輸一百米超高清基帶的信號,可與原有的高清系統(tǒng)保持相同的應用性和可維護性。同時松下還開發(fā)了淺壓縮的TICO接口，帶寬為3G，可利用原有的線路直接實現(xiàn)4K升級。

圖6是在IBEE2016展會上展示的松下以12G為基礎設計的演播室系統(tǒng)，實際采用100米電纜傳輸。從攝像機等信號源經過跳線、分配的實際應用環(huán)節(jié)以松下電器開發(fā)的切換臺和矩陣為核心，得到制作完成的4K信號，還包括監(jiān)測等周邊的環(huán)節(jié)。

圖6 IBEE2016展會上展示的松下4K-12G演播室系統(tǒng)

NHK今年對12G的系統(tǒng)進行了測試，通過切換不同測試信號（含測試脈沖波型），使用WFM波形監(jiān)視器觀測包括：12G-SDI的眼圖、回波損耗等電性能指標；追加更長同軸電纜后再進行以上電性能指標觀測；使用中繼設備后多段接力輸出的電性能指標觀測；切換臺基礎性能的確認，素材切換、MIX混合、WIPE掃劃的功能測試。同時還對5.5C-UHD同軸電纜的彎曲、部分側壓、荷重、扎線布線等物理性能進行試驗測試。還有電磁兼容方面特性的測試，因為12G-SDI已屬射頻頻段，要考慮分布參數(shù)的影響。松下在多年開發(fā)視頻產品的基礎上，對分布參數(shù)進行了很好的處理，12G的板卡的電磁兼容已達到很好的性能。

5．松下4K-12G切換臺/攝像機/矩陣/周邊產品

松下開發(fā)了可充分對應4K/2K同播應用的全4K切換臺/攝像機，4K信號的處理基本采用12G-SDI。松下全4K切換臺，而不是2K升級成4K的切換臺，其4K的輸入路數(shù)可以達到80路，輸出路數(shù)可以達到40路，可以在大規(guī)模的演播室或者是轉播車上使用。

松下還研發(fā)了4K攝像機，根據(jù)電視轉播的需要，鏡頭采用了電視的B4卡口，采用單片大感光器件的方式，通過擴展鏡可以把光路投到一英寸的大傳感器件上。一英寸傳感器具備比2/3英寸傳感器更大的像素面積，具有高靈敏度和高動態(tài)范圍的特點。攝像機支持高動態(tài)范圍HDR功能的HLG標準。松下同時開發(fā)了12G-SDI的周邊和矩陣設備，通過系統(tǒng)做HDR/SDR變換。松下現(xiàn)場制作HDR/SDR的應對方案見圖7。

SDR與HDR的性能比較見圖8，HDR 技術使傳統(tǒng)照明理論和曝光控制受到挑戰(zhàn)。

圖7 松下現(xiàn)場制作HDR/SDR的應對方案

圖8 SDR與HDR的性能比較

4K節(jié)目制作中高動態(tài)范圍HDR和標準動態(tài)范圍SDR在直播的應用方式，區(qū)別于單機前期拍攝環(huán)境和調色處理的后期制作環(huán)境。高動態(tài)范圍其實就是自然界的光點非常之大，但電視系統(tǒng)受拍攝的器械、制作傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)以及終端顯示的能力限制，只能維持在一定動態(tài)范圍內。通過多年的經驗積累和不斷的技術適配，松下設備的標準動態(tài)范圍SDR是比較令人滿意的，在這樣的技術條件下，已發(fā)揮到了極致，可以把很寬的動態(tài)范圍收容到相對比較窄的系統(tǒng)里面來。

現(xiàn)在，整個電視系統(tǒng)的兩端已經發(fā)生了很大的變化，一是現(xiàn)在很多數(shù)字電影拍攝的應用，包括剛才說到的大感光器件這種高動態(tài)范圍大光圈的感光度，都使得前期的拍攝具有了高感光度的能力；二是顯示器件也有了很大的發(fā)展，高亮顯示面板正一代一代的向前發(fā)展。

電視系統(tǒng)也要支持HDR系統(tǒng)。松下攝像機支持HLG的顯示轉換，同時松下的切換臺具有14bit的深度。這樣，無論各種方式、其他的文件或是數(shù)據(jù)方式都可以支持，可進行無損的處理，所有轉換和調色功能都通過外部的色板完成。

關于前期拍攝如何控制光圈和曝光處理的問題，因為高動態(tài)范圍和標準動態(tài)范圍都要輸出，采用的辦法就是拍攝的時候主要是根據(jù)2K的SDR進行曝光的處理，同時留有一定的余地可以進行4個不同形式的增益控制，保留更高動態(tài)范圍，在將來后期處理高動態(tài)時能夠使用。這樣前期拍攝就保證了直播出來的高清SDI的完好，同時又能進行后期高動態(tài)范圍的處理。