超高清電視播出系統(tǒng)展望

李 敏

（四川廣播電視臺，四川 成都 610041）

1 研究背景

隨著電視播出從模擬技術到數(shù)字化技術，從標清電視發(fā)展到目前主流的高清電視，直到近幾年最新的超高清電視播出技術，科學技術的不斷進步極大地改變著電視播出技術系統(tǒng)、電視視音頻信號質(zhì)量和受眾收看電視的內(nèi)容。電視播出系統(tǒng)如何來重新設計和構建，滿足電視播出最新技術的發(fā)展，在更高技術條件下實現(xiàn)更加集約化、信息密度更高、系統(tǒng)更高程度整合、控制更加自動和智能化的系統(tǒng)功能，就成為廣大廣電技術人員所面臨的現(xiàn)實問題。

本文將從超高清電視逐步普及的大勢所趨之下，根據(jù)新技術的發(fā)展，試圖在可以預見的未來，展望4K超高清電視播出系統(tǒng)在新技術時代條件下的構建思路和超高清電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。

2 我國4K超高清電視播出系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著標清電視和高清電視的大范圍普及，目前我國的電視播出基本上呈現(xiàn)出以下的特點：一是全國整體上是高清電視播出為主，標清電視為輔；二是東中部和部分發(fā)達的西部地區(qū)已經(jīng)完全實現(xiàn)高清化播出，少數(shù)省份和地區(qū)正在發(fā)力進行標清電視播出系統(tǒng)高清化改造；三是部分省市已經(jīng)涉足4K超高清電視領域，擁有了自己的4K超高清轉播車、4K超高清演播室或者4K超高清電視播出系統(tǒng)，從總臺到省級及地方初步具備了4K超高清電視制作和播出的能力，但這種布局分布在全國來看是極不均衡的；四是總臺已經(jīng)率先試水8K超高清電視技術，對更高更新的電視技術進行驗證和嘗試。

就技術而言，自從日本NHK電視臺科學與技術實驗室研發(fā)出超高清電視有關技術以后，后高清時代也隨之而來。超高清電視可以播放高達4320線×7680線的圖像，這是高清電視的四倍！在實際的使用當中，超高清電視的有效分辨率也高達3840×2160。相較于標清和高清電視，這種改變是非常直觀和大跨度的。從觀眾的角度而言，用肉眼就可直觀的分辨出畫質(zhì)的好壞、清晰度的高低、有效像素的多少、畫面明暗對比度高低、沉浸式體驗感優(yōu)劣等。繼高清電視之后，超高清電視技術再次使用戶從視頻到音頻的感官體驗都得到了質(zhì)的提升。上一次這樣的用戶體驗的大幅度提升還得回退十多年前在從標清電視到高清電視發(fā)生演進的時候。

從產(chǎn)業(yè)的角度來看，推出4K超高清電視頻道，能夠極大地對我們現(xiàn)在的節(jié)目播出內(nèi)容進行有效的補充和品質(zhì)提升。現(xiàn)在，我國的4K超高清電視機普及率已經(jīng)超過85%，但是各電視臺4K電視頻道的播出還處于起步的階段。不斷推出和完善4K超高清電視播出頻道，能夠極大地推動4K全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。通過比較小的投資能夠拉動數(shù)十億級的上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，例如刺激4K超高清機頂盒，4K超高清電視機的消費，促進廣播電視信號傳輸網(wǎng)絡的升級改造，促進高帶寬廣電設備的更新?lián)Q代，促進4K超高清電視制作生態(tài)的快速發(fā)展等。從整個社會經(jīng)濟發(fā)展的層面而言，這既促進了國內(nèi)經(jīng)濟內(nèi)循環(huán)，也能夠增加外部經(jīng)濟循環(huán)的動力，所以推動4K超高清電視頻道建設是非常有必要和迫切的。而現(xiàn)實情況是，目前國內(nèi)能夠提供4K超高清電視播出頻道的電視臺不超過七家——顯然，這是一個需求遠遠大于供給的局面。如何更好更快地建設和實現(xiàn)4K超高清電視頻道播出是現(xiàn)在和未來一個階段各級電視臺，尤其是總臺和各省級主要電視臺亟需面對的課題。

3 我國4K超高清播出系統(tǒng)架構

就目前國內(nèi)已經(jīng)建設和播出的超高清電視頻道而言，其總體的系統(tǒng)架構，是采用基帶的SDI系統(tǒng)。這種系統(tǒng)有顯而易見的好處：一是系統(tǒng)簡單清晰。按照傳統(tǒng)的基帶系統(tǒng)思路進行搭建，系統(tǒng)內(nèi)各種信號按照輸入輸出的接口設置，分別在不同的線纜上進行點對點傳送。二是按照傳統(tǒng)的基帶電視播出系統(tǒng)進行構建，有利于后期的運行和維護。三是技術適配性非常好。人員培訓周期短，對系統(tǒng)的理解較為容易，能夠較快上手進行操作，較快進入角色。同時，缺點也非常的明顯：按照系統(tǒng)的信號傳輸方式的不同，基帶4K超高清播出系統(tǒng)可以分為4×3G和12G兩種系統(tǒng)。4×3G系統(tǒng)最大的問題在于，每一路信號需要用四根3G SDI同軸電纜并行傳輸，這對4個線纜的信號同步調(diào)平要求非常高。同時，哪怕構建的電視播出系統(tǒng)規(guī)模不是很龐大，但是相對于高清系統(tǒng)，線纜量是其四倍，所以在信號傳輸層面會顯得系統(tǒng)非常的臃腫：理論上而言，構建一個4K超高清電視播出頻道所需要的SDI同軸電纜的數(shù)量就是相同系統(tǒng)架構情況下一個高清電視播出頻道使用線纜量的四倍。而且隨著系統(tǒng)的規(guī)模在后期的擴展，采用4×3G的系統(tǒng)的可擴展性也是一個非常大的問題。同時，因為系統(tǒng)內(nèi)子信號路數(shù)的4倍關系，對于這類系統(tǒng)的故障點定位也需要花費更多的時間進行排查——這是比較難以接受的一個現(xiàn)實。

對于12G的4K超高清電視播出系統(tǒng)，它存在的主要缺點：高帶寬要求，超高清電視信號在12G同軸電纜中的傳輸距離有限。經(jīng)過實踐證明，超過70m以上的超高清電視信號12G電纜傳輸有一定的困難。所以在規(guī)避了部分4×3G的缺陷后，又遇到了新的難以克服的問題，這對于電視系統(tǒng)和外來信號之間的連接產(chǎn)生了巨大的阻礙。因為從具體實踐而言：演播室、電視播出、電視總控、分控等各子系統(tǒng)之間的距離往往是大大地超過了這個距離的。所以，用12G基帶同軸電纜構建一個電視播出系統(tǒng)是存在一定問題的[1]。

針對構建4K超高清電視播出系統(tǒng)遇到的問題，考慮人員培訓操作難易度的情況，在盡量不改變原來電視采、編、播流程的前提之下，提出一種更為合理的、較為經(jīng)濟的、具備系統(tǒng)擴展性和前瞻性的新一代的電視播出系統(tǒng)，是整個業(yè)界的共識和追求的目標。

4 一種基于IP架構的系統(tǒng)方案

隨著工信部、國家廣電總局聯(lián)合印發(fā)了《超高清視頻標準體系建設指南》，國內(nèi)的4K超高清電視應用出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長。從目前4K超高清電視播出系統(tǒng)所面臨的問題來看，無論是廠家還是各個電視機構都已經(jīng)積極行動起來，面對問題、分析問題，試圖以一種最佳的能夠達成共識和值得推廣的方案來解決問題。目前的共識是：通過建立一種非傳統(tǒng)的電視播出系統(tǒng)，從而更好地解決超高清視頻業(yè)務，并且能夠規(guī)避之前所遇到的各種問題。于是，一種基于IP架構的系統(tǒng)方案呼之欲出[2]。

我們這里要說的是一種基于SMPTE2110系列標準的多流分離I P傳輸方式的超高清電視播出系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)基帶電視播出系統(tǒng)的最大不同在于：將SDI基帶信號進行了IP化封裝，并且這種封裝不是原封不動、單純地將SDI信號進行IP轉換，而是對原本嵌入的視音頻信號、輔助信號進行了單獨的處理和IP打包，在一個全IP的系統(tǒng)內(nèi)進行信號傳輸。這個系統(tǒng)最大的優(yōu)點是：拋棄了原來輸入信號、輸出信號、輸入線纜、輸出線纜的傳統(tǒng)物理定義。只要系統(tǒng)傳輸帶寬能夠滿足信號傳輸需求，一根小小的光纖內(nèi)就可以同時傳送很多路信號，哪怕這些信號從傳統(tǒng)視角來看是“逆向的、有入有出的”。由此可見，這樣的系統(tǒng)可以最大限度地減少線纜的使用數(shù)量，從而極大地減少系統(tǒng)的物理體量[1]。同時，相較于較早期的SMPTE2022系列標準而言，SMPTE2110把視頻和音頻以及輔助信號分別進行了打包傳輸，方便了下游設備對所需處理的某類某個信號（視頻、音頻、輔助信號）直接進行提取和處理，這一點極大地優(yōu)化了信號處理的效率，在SMPTE2022系統(tǒng)中需要將打包信號進行解封裝，然后進行視音頻解嵌，在對所需信號（視頻或者音頻）進行獲取和加工以后再進行視音頻信號加嵌，最后再對加嵌后信號進行整體IP化打包封裝過程。整個系統(tǒng)的工作效率得到了提升，也提高了帶寬的使用效率[3]。

基于SMPTE2110協(xié)議標準的IP系統(tǒng)的廣電應用思路方興未艾。在全國各省級電視臺基本上完成高清化改造的今天，我們需要考慮的是下一代電視播控傳輸技術以及隨之而來的系統(tǒng)架構應該怎么實現(xiàn)的問題。從目前技術成熟度和使用滿意度的情況來看，基帶系統(tǒng)必將成為一個比較長期的存在的系統(tǒng)架構解決方案。然而，如果有新建一套播控傳輸系統(tǒng)的考慮的話。規(guī)劃和建設一套IP化的系統(tǒng)應該也是一個非常不錯的選擇。無論是高清播、總控系統(tǒng)還是4K超高清播。IP化必將以其獨特的魅力和優(yōu)勢，成為我們下一代廣電行業(yè)播、總控系統(tǒng)的明智之選。各類基于IP的功能化定制開發(fā)還處于一個上升階段，例如，基于IP系統(tǒng)的電視信號線路上載導入系統(tǒng)，類似于這樣的功能現(xiàn)在暫時還處于半應用階段。

5 結束語

隨著超高清時代的到來，如何利用既有的經(jīng)驗和系統(tǒng)集成能力，實現(xiàn)更高效便捷的應用？系統(tǒng)架構的路線選擇如何決策？如何把我們面臨的許多現(xiàn)實需求通過全新的IP系統(tǒng)來實現(xiàn)？這些都成為廣大的廣電工作者需要面對和解決的問題。