郭海紅
(吉水縣融媒體中心,江西 吉安 331600)
科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步,推動(dòng)我國(guó)電視制式從標(biāo)清到高清的發(fā)展。相比以往的2K電視,4K超高清電視在分辨率、幀率以及聲效方面都具有顯著優(yōu)勢(shì),可提升超高清電視的可視度,利用先進(jìn)的播控系統(tǒng)進(jìn)而提高節(jié)目播出的流暢度,增進(jìn)觀眾觀看體驗(yàn)。當(dāng)前,國(guó)家正大力度推動(dòng)4K超高清電視播出的研究,目前有CCTV 4K頻道、地方衛(wèi)視“4K頻道”等。從廣播電視技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看,電視系統(tǒng)逐步進(jìn)行超高清改造,廣播電視播控系統(tǒng)中重視TICO編解碼硬件設(shè)備的應(yīng)用,結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)分析關(guān)鍵技術(shù),探討畫面一致性比對(duì)和凈靜切換技術(shù)設(shè)計(jì),明確4K超高清電視信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)在播控系統(tǒng)改造中的應(yīng)用,充分考慮其應(yīng)用需求,以適應(yīng)4K超高清的發(fā)展。因此,如何合理設(shè)計(jì)電視播控系統(tǒng)4K超高清改造,是當(dāng)前技術(shù)人員需要著重考慮的問(wèn)題。
近年來(lái),多媒體視頻編解碼技術(shù)不斷進(jìn)步,為降低視頻數(shù)據(jù)量,在電視播控系統(tǒng)4K超高清改造中,要選用TICO編解碼設(shè)備,采用輕型視頻壓縮技術(shù),在不改變?cè)杏布幕A(chǔ)上,利用媒體虛擬化處理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)JPEG2000編解碼功能,完成4K超高清視頻內(nèi)容傳輸,從而保持質(zhì)量和位速率的平衡,提高設(shè)備的適應(yīng)性和使用周期,構(gòu)筑大型跨域SDN媒體網(wǎng)絡(luò)[1]。
針對(duì)電視播控系統(tǒng)特點(diǎn),結(jié)合技術(shù)先進(jìn)性和安全性,TICO編碼器配置為1路UHD 4×3G-SDI同軸輸入,1路TICO3G-SDI同軸輸出,TICO解碼器配置為1路TICO3G-SDI同軸輸入,1路UHD 4×3G-SDI同軸輸出。編解碼器的具體配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 TICO編解碼器配置結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)中,電視臺(tái)依據(jù)4K超高清電視節(jié)目播控技術(shù)規(guī)范,選用TICO編解碼器完成從主控到播出的4K信號(hào)調(diào)度,實(shí)現(xiàn)制播域各單元間的4K信號(hào)傳輸,其中總控系統(tǒng)負(fù)責(zé)編碼,播出系統(tǒng)負(fù)責(zé)解碼。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理,TICO解碼板卡解碼TICO編碼流信號(hào)。直播信號(hào)經(jīng)過(guò)TICO編碼,將4K信號(hào)淺壓縮,傳輸TICO編碼流信號(hào)至播出系統(tǒng),經(jīng)由TICO解碼板解出符合要求的編碼流信號(hào)之后傳送至地網(wǎng)。TICO編解碼板卡進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range,HDR)的4K信號(hào)解編,保證HDR的高清圖像質(zhì)量,充分保證4K信號(hào)的穩(wěn)定性,提升設(shè)備的適用性,延長(zhǎng)其使用周期。選用TICO編碼的目的是進(jìn)一步架構(gòu)4K超高清一致性檢測(cè)技術(shù),提升播出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
為保證超高清視頻的視頻信號(hào)質(zhì)量,需要引入畫面一致性對(duì)比檢測(cè)技術(shù),分別采集4路分量的視頻信號(hào),依照相應(yīng)的真值邏輯進(jìn)行信號(hào)完整性比對(duì)測(cè)量,明確相應(yīng)的質(zhì)量監(jiān)控關(guān)鍵性能指標(biāo)(Key Performance Indicator,KPI),保證等效的質(zhì)量控制性能指標(biāo),實(shí)現(xiàn)4K信號(hào)的有效控制。其中,檢測(cè)算法包括視頻一致性檢測(cè)和音頻一致性檢測(cè)。一致性檢測(cè)是指在預(yù)定時(shí)間內(nèi)對(duì)比音視頻信號(hào)的一致性,進(jìn)而同步音視頻信號(hào)[2]。通過(guò)一致性比對(duì)檢測(cè)每路3G-SDI信號(hào),其中4K信號(hào)的視頻檢測(cè)主要針對(duì)視頻丟失和中斷、純色彩場(chǎng)等現(xiàn)象,音頻檢測(cè)主要針對(duì)音頻反相、音頻中斷以及音量偏高或偏低等現(xiàn)象。音視頻信號(hào)檢測(cè)主要體現(xiàn)在采集線程和檢測(cè)線程兩條線程上。采集線程分別通過(guò)音視頻采集卡進(jìn)行信號(hào)采集,借助回調(diào)函數(shù)處理采集數(shù)據(jù)后進(jìn)入檢測(cè)數(shù)據(jù)序列等待,檢測(cè)線程通過(guò)調(diào)用采集數(shù)據(jù),分析、比對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)。
4K超高清一致性檢測(cè)架構(gòu)分為四部分,分別是信號(hào)采集、信號(hào)分析、內(nèi)容比對(duì)平臺(tái)管理和客戶端。信號(hào)采集主要負(fù)責(zé)采集主末路信號(hào),檢測(cè)所采集基帶信號(hào)的合規(guī)性;信號(hào)分析負(fù)責(zé)4K超高清內(nèi)容特征值的分析提??;內(nèi)容比對(duì)平臺(tái)管理主要負(fù)責(zé)策略制定與管理,綜合音視頻信號(hào)的比對(duì)信息以及內(nèi)容異態(tài),判斷各路信號(hào)的一致性,依據(jù)不同場(chǎng)景檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量并在應(yīng)急條件下給出報(bào)警提示并觸發(fā)應(yīng)急切換設(shè)備;客戶端通過(guò)可視化界面展示各路信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果,并觸發(fā)自動(dòng)切換及報(bào)警提示。為保證4路3G SDI信號(hào)的一致性,各組信號(hào)兩兩對(duì)比過(guò)程中首先要做到幀對(duì)齊,接著逐幀比對(duì)。為降低誤差,技術(shù)人員使用畫面一致性比對(duì)技術(shù),采用分段整體匹配的對(duì)齊方式,根據(jù)設(shè)定容差記錄每次對(duì)齊的偏移值,根據(jù)多次比對(duì)的偏移值是否一致判斷一致性,為下一步凈靜切換技術(shù)的應(yīng)用做準(zhǔn)備。
在4K超高清播出系統(tǒng)中,視音頻架構(gòu)如圖3所示,主要包括4條路徑輸出的4K視頻信號(hào),輸出信號(hào)的傳輸方式為Qua-link形式。
圖3 視音頻架構(gòu)
技術(shù)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),在鏈路末端配置4臺(tái)具有靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接和凈靜切換功能的雙路二選一主備倒換器,可提供信號(hào)輸入端口16個(gè)、輸出端口8個(gè),有效滿足4路4K視頻信號(hào)4選1的需求。借助控制面板,實(shí)現(xiàn)在線視頻GPI通用接口連接,依據(jù)GPI控制傳輸切換指令,完成同步幀精度為基礎(chǔ)的視頻凈靜切換,實(shí)現(xiàn)4K基帶信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)交換,確保視音頻的流暢性與高幀率。同時(shí),技術(shù)人員在系統(tǒng)中引入單向信號(hào)限制裝置,確保GPI的電勢(shì)差不受倒換器故障影響,保障4K超高清電視節(jié)目的有效傳輸。實(shí)現(xiàn)電視播控系統(tǒng)4K超高清改造,需要借助TICO解編碼設(shè)備,通過(guò)畫面一致性比對(duì)以及凈靜切換技術(shù),完成4K超高清電視信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。
SMPTE 2110標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的無(wú)壓縮傳輸,推動(dòng)廣電制播領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。依照SDI與IP化的相互轉(zhuǎn)化工具,SDI基帶信號(hào)與IP化數(shù)據(jù)流借助IP路由切換調(diào)度,實(shí)現(xiàn)IP視頻與基帶信號(hào)間的無(wú)縫切換。利用IP化將4K超高清高碼率類型信號(hào)進(jìn)行IP化轉(zhuǎn)型,實(shí)現(xiàn)VANC機(jī)制下視頻同步傳輸,是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下行業(yè)的主流發(fā)展趨勢(shì)。視頻制作設(shè)備主要由IP核心交換機(jī)和IP切換臺(tái)組成,本系統(tǒng)中的IP切換臺(tái)支持4K制作字幕、在線包裝接入、DVE特效、多通道鍵控疊加、高清IP信號(hào)等[3]。無(wú)需額外的轉(zhuǎn)換設(shè)備,按需配置40 Gb·s-1光口和25 Gb·s-1光口,配置不低于2M/E的4K切換臺(tái),同時(shí)配備相應(yīng)信號(hào)切換矩陣以及多通道錄像機(jī),滿足復(fù)雜播出應(yīng)用需求。
同時(shí),為充分結(jié)合傳統(tǒng)SDI鏈路與IP流鏈路,要進(jìn)行基于SDI/IP信號(hào)處理的超高清(Ultra High Definition,UHD)基帶信號(hào)IP轉(zhuǎn)化,可將無(wú)壓縮的視音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)SDI基帶信號(hào),實(shí)現(xiàn)主備信號(hào)冗余切換。在此過(guò)程中,本系統(tǒng)增加了兩個(gè)網(wǎng)關(guān)處理模塊,實(shí)現(xiàn)超高清播出視音頻鏈路上的IP鏈路備份。
搭建軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)管理網(wǎng)絡(luò),可以優(yōu)化傳統(tǒng)視頻播出架構(gòu),逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化,分離數(shù)據(jù)面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面,加快IP化轉(zhuǎn)型進(jìn)程,進(jìn)而靈活控制網(wǎng)絡(luò)流量,為網(wǎng)絡(luò)功能完善提供方便。
作為4K超高清電視IP化架構(gòu)的核心組成部分,SDN在增進(jìn)4K超高清視頻的信號(hào)傳輸、預(yù)警、故障分析等方面都具有重要作用。借助SDN管理系統(tǒng),能夠搭建SDN密碼管理安全機(jī)制,分級(jí)管理用戶,從而提升流量管道配置的靈活性,實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)播出業(yè)務(wù)要求選取對(duì)應(yīng)傳輸通道,及時(shí)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備,從根本上規(guī)避傳輸問(wèn)題,優(yōu)化運(yùn)維流程,保障播控系統(tǒng)運(yùn)行的安全與高效,為電視播出系統(tǒng)提供強(qiáng)有力支撐。
電視播控系統(tǒng)的4K超高清改造過(guò)程中,要充分發(fā)揮IP流調(diào)度矩陣的優(yōu)勢(shì),做好工作期間的主備并行工作,可通過(guò)以下兩種技術(shù)措施強(qiáng)化工作期間的安全保障[4-5]。
(1)根據(jù)IP流調(diào)度,提前配置斷電直通時(shí)輸出的對(duì)應(yīng)輸入流地址以及端口號(hào),從源節(jié)目流經(jīng)由流矩陣調(diào)度切換,從新的網(wǎng)口輸出至新的交換機(jī)。
(2)斷電直通網(wǎng)卡在IP流矩陣中操作系統(tǒng)崩潰、設(shè)備問(wèn)題出現(xiàn)的同時(shí)收到系統(tǒng)指令,自動(dòng)檢測(cè)功能開(kāi)啟,1機(jī)信號(hào)不受設(shè)備崩潰或軟件故障的影響,經(jīng)斷電直通網(wǎng)卡直接傳輸至2機(jī)。
通過(guò)上述步驟,完成了電視播控系統(tǒng)的4K超高清改造,實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)層面上支持4K超高清電視播控工作的目標(biāo),保障4K播出系統(tǒng)整體平穩(wěn)運(yùn)行。播控設(shè)備聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào),節(jié)目制播更為便捷高效。
隨著社會(huì)的發(fā)展,4K超高清電視制播控系統(tǒng)亟待創(chuàng)新改造。廣電行業(yè)要不斷提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),增進(jìn)播控系統(tǒng)的核心地位,逐步推進(jìn)4K超高清電視節(jié)目發(fā)展,多措共舉,創(chuàng)造先進(jìn)的4K超高清播控系統(tǒng)。就現(xiàn)階段技術(shù)而言,選用TICO編解碼設(shè)備、基礎(chǔ)架構(gòu)IP化是兩個(gè)重要的突破口,在關(guān)鍵技術(shù)上踐行畫面一致性比對(duì)和4K凈靜切換技術(shù),充分發(fā)揮4K超高清電視的特點(diǎn),能夠被觀眾認(rèn)可和接受。當(dāng)前,電視播控系統(tǒng)的超高清改造還有極大的探索空間,需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)一步總結(jié)。