“4K+5G”技術(shù)在電視轉(zhuǎn)播場景中的應(yīng)用分析

李 競

（作者單位：青島市廣播電視臺）

4K超高清技術(shù)和5G移動通信技術(shù)是影像傳輸領(lǐng)域中的兩項重要標志性技術(shù)，它們之間的有機結(jié)合在電視轉(zhuǎn)播領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。4K超高清技術(shù)通過將圖像分辨率提高到2 000線以上、支持Rec.2020廣色域、采用10位編碼色深等技術(shù)手段，大幅提升了畫面的呈現(xiàn)力和真實感。5G技術(shù)憑借支持超過10 Gbps的峰值速率、毫秒級的終端時延以及海量連接等顯著優(yōu)勢，能夠有效解決無線高清電視信號傳輸中的帶寬和延時痛點。成功實現(xiàn)4K超高清節(jié)目內(nèi)容，通過5G網(wǎng)絡(luò)進行遠程采集和傳輸，使電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)呈現(xiàn)出前所未有的高清晰度和高效率。本文通過解析4K超高清技術(shù)和5G技術(shù)的定義及特點，重點闡明兩者在電視轉(zhuǎn)播中的結(jié)合方式，包括如何實現(xiàn)無線高清信號傳輸、支持多點遠程采集和建設(shè)靈活的轉(zhuǎn)播網(wǎng)絡(luò)等；然后從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、內(nèi)容制播流程、信號傳輸方案、終端呈現(xiàn)技術(shù)進行分析。

1 “4K+5G”技術(shù)概述

1.1 “4K＋5G”技術(shù)定義與特征

“4K+5G”是將第四代超高清電視技術(shù)與第五代移動通信技術(shù)進行融合的技術(shù)，目的是實現(xiàn)無線高清電視信號傳輸。4K超高清的分辨率達到3 840×2 160，是1 920×1 080的高清圖像的4倍。4K超高清符合ITU-R BT.2020的寬廣色域標準，色域體積較BT.709高清標準擴大超過50%。其采用10位的編碼色深，是8位編碼的高清電視的4倍，色階數(shù)量達到10億級。這三大提升使4K超高清圖像相較于高清圖像有了質(zhì)的飛躍，呈現(xiàn)出更精細流暢的畫面質(zhì)感和更豐富、細膩的色彩層次。5G移動通信作為第五代無線技術(shù)，其核心指標與4G網(wǎng)絡(luò)相比呈數(shù)量級提升：峰值速率提升到10 Gbps以上，是4G網(wǎng)絡(luò)的10倍；無線接入時延降低到1 ms以內(nèi)，是4G的1/10[1]。5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、低時延、多連接的特征，可為無線電視信號傳輸提供持續(xù)穩(wěn)定的管道。將4K超高清圖像技術(shù)和5G無線傳輸技術(shù)進行有機結(jié)合，可以更好地保障無線高清電視信號的穩(wěn)定傳輸，使電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)實現(xiàn)無線化和高質(zhì)量。

1.2 技術(shù)標準化進程

目前，4K超高清技術(shù)和5G移動通信技術(shù)的標準逐漸成熟，為兩者的融合應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。4K超高清視頻技術(shù)從2006年開始研發(fā)，2009年第一份標準SMPTE 4096確立，標志著4K標準化進入正軌。在此后數(shù)年里，4K超高清視頻的核心標準（包括2012年國際電信聯(lián)盟制定的UHDTV-1參數(shù)標準，以及2015年HDMI 2.0接口標準和HDCP 2.2內(nèi)容保護標準）陸續(xù)形成并完善，4K超高清視頻技術(shù)的標準體系日趨成熟，已經(jīng)進入廣泛應(yīng)用階段。同一時期，5G移動通信標準化也在快速推進。早在2012年，5G的概念就已提出，2016年，第一個5G新無線標準確立，此后，非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone, NSA）和獨立組網(wǎng)（Standalone, SA）兩種5G網(wǎng)絡(luò)部署方案相繼確定。2019年，工信部向中國電信、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，2020年5G實現(xiàn)大規(guī)模商用。隨著運營商網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)速度的加快，5G通信技術(shù)的各項標準也在持續(xù)迭代，4K超高清視頻和5G移動通信這兩項標志性技術(shù)在發(fā)展的時間進程上高度吻合，且日趨成熟，為“4K+5G”的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 “4K+5G”技術(shù)在電視轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 無線高清轉(zhuǎn)播

5G網(wǎng)絡(luò)提供了寬闊、低時延的無線傳輸通道，可有效解決傳統(tǒng)電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)存在的有線連接依賴問題，實現(xiàn)真正意義上的無纜化轉(zhuǎn)播。相較于4G網(wǎng)絡(luò)百兆級的最大數(shù)據(jù)率，5G網(wǎng)絡(luò)提高到10 Gbps量級，足以傳輸數(shù)10路4K超高清電視信號。以高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding, HEVC）編碼一路4K視頻流大約需要10～20 Mbps的碼率計，5G網(wǎng)絡(luò)可以輕松傳輸上百路這樣的信號，而4G網(wǎng)絡(luò)幾乎無法承載一路4K視頻[2]。5G網(wǎng)絡(luò)的無線接入時延可降至1 ms量級，是4G網(wǎng)絡(luò)的1/10。這種毫秒級的低時延特性非常適合電視轉(zhuǎn)播對實時性的苛刻需求，可以大幅降低從信號采集到終端呈現(xiàn)的端到端延遲，確保電視畫面精準同步，尤其適合對實時性要求極高的現(xiàn)場直播。

2.2 多點位遠程采集

由于無線覆蓋范圍廣，5G網(wǎng)絡(luò)能夠支持電視轉(zhuǎn)播在多個場景中實現(xiàn)遠程無線采集，徹底打破以往微波鏈路等無線傳輸方式對機位布置的限制。5G系統(tǒng)覆蓋不同頻段，且能夠提供相應(yīng)的服務(wù)，如在700～900 MHz的低頻段可實現(xiàn)上萬米的長距離無線傳輸，適用于車載機位等遠距離采集。因此，可按轉(zhuǎn)播需求選擇合適的頻段進行遠程無線連接。4G和其他早期的無線網(wǎng)絡(luò)標準，通常只能支持幾十路的連接，即同一時間內(nèi)，每個節(jié)點只能與少數(shù)幾十個設(shè)備建立連接，5G網(wǎng)絡(luò)單一節(jié)點的無線連接數(shù)量可以達到百萬級別，遠遠超過前者。這樣，在轉(zhuǎn)播現(xiàn)場就可以建立起一個廣覆蓋、大容量的無線采集網(wǎng)絡(luò)，無須再設(shè)置大量的有線中繼站，大幅降低了系統(tǒng)布置和管理的復(fù)雜度。5G提供了強大的無線覆蓋和容量保障，相關(guān)工作人員可根據(jù)轉(zhuǎn)播需要建立起靈活可擴展的多點遠程采集模式，使轉(zhuǎn)播系統(tǒng)更加靈活高效。

2.3 靈活的轉(zhuǎn)播網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)可按需快速搭建靈活可擴展的電視轉(zhuǎn)播無線網(wǎng)絡(luò)。首先，5G支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)播內(nèi)容和場景需求進行差異化網(wǎng)絡(luò)部署，如針對體育賽事轉(zhuǎn)播，設(shè)置更高帶寬，更嚴苛的傳輸延遲指標，并進行用戶隔離來保證服務(wù)質(zhì)量。其次，5G基站具備快速部署和擴容彈性，轉(zhuǎn)播時工作人員可根據(jù)實際需要在現(xiàn)場臨時部署小規(guī)?；?，活動結(jié)束后及時拆除，無須長期占用資源。5G終端具有快速接入的特點，其數(shù)量可以根據(jù)轉(zhuǎn)播過程中的機位和內(nèi)容需求靈活調(diào)整。這些終端能夠?qū)崟r接入、切換和釋放，構(gòu)建出一個能夠彈性調(diào)節(jié)的無線網(wǎng)絡(luò)?？傊?G技術(shù)具備按需、快速、彈性擴容的特性，可根據(jù)轉(zhuǎn)播場景需求構(gòu)建靈活高效的無線網(wǎng)絡(luò)，顯著增強轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的可擴展性和可復(fù)用性。

2.4 豐富轉(zhuǎn)播內(nèi)容和形式

4K超高清技術(shù)提供更精致逼真的畫面效果，5G技術(shù)的大帶寬則可傳輸更豐富的音視頻內(nèi)容，二者相結(jié)合可極大拓展電視轉(zhuǎn)播的手段。4K超高清的高分辨顯示更精細流暢的畫面細節(jié)，10位編碼展現(xiàn)更豐富細膩的色彩層次，HDR技術(shù)呈現(xiàn)高達10 000∶1的寬廣動態(tài)范圍。5G技術(shù)提供的帶寬，可以傳輸多聲道數(shù)的立體聲音效、豐富的環(huán)境音效以及多語言聲道，并使其與畫面精確同步，更好地烘托節(jié)目氛圍。此外，多視角畫面的實時切換也成為可能，導(dǎo)播人員可以選擇不同的機位導(dǎo)播，優(yōu)選視聽視角。

3 “4K+5G”技術(shù)在電視轉(zhuǎn)播中的具體應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)需要進行整體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)源端內(nèi)容采集編碼、無線傳輸和目的端解碼播出。源端部署專業(yè)級4K攝像機進行高清晰圖像采集，并使用HEVC/H.265等高效編碼方式進行源壓縮，減少數(shù)據(jù)量；編碼后的視頻流通過5G基站進行無線發(fā)射。在目的端，設(shè)置專業(yè)4K解碼設(shè)備對視頻流進行解碼復(fù)原圖像，并接入專業(yè)級4K顯示設(shè)備進行節(jié)目畫面播出。此外，源端和目的端都要與5G核心網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，進行業(yè)務(wù)流量管理、調(diào)度控制等。5G網(wǎng)絡(luò)方面，工作人員要在轉(zhuǎn)播覆蓋范圍內(nèi)布設(shè)5G基站，實現(xiàn)寬范圍的無線接入；5G核心網(wǎng)負責(zé)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）保障、終端管理、信令控制等功能[3]。源端和目的端通過5G終端接入網(wǎng)絡(luò)，同時要設(shè)置傳輸監(jiān)控子系統(tǒng)，對視頻傳輸質(zhì)量進行監(jiān)測反饋。通過高效的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，4K超高清視頻內(nèi)容可以通過5G實現(xiàn)無線端到端傳送，滿足電視轉(zhuǎn)播的無線化需求。

3.2 內(nèi)容制播

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)按照采集、編碼、傳輸、播出的流程進行內(nèi)容處理。首先，使用專業(yè)4K攝像機采集高清晰圖像，同時采集立體聲音頻、字幕、數(shù)據(jù)等多源信號。然后，通過畫質(zhì)調(diào)節(jié)模塊進行HDR、色彩增強等畫面后期處理，并使用數(shù)字音頻混音臺進行多路音頻混合，使用HEVC等高效編碼方式對視頻、音頻源進行數(shù)字化編碼，并進行多路信號的打包復(fù)用。復(fù)用后的源數(shù)據(jù)流，通過5G基站進行無線發(fā)射，系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)切片、多連接傳輸?shù)确绞竭M行QoS優(yōu)化和策略調(diào)度。最后，目的端通過4K解碼設(shè)備進行解復(fù)用分路，恢復(fù)原始視頻和音頻信號，再通過節(jié)目播出調(diào)度平臺播出[4]。通過適宜的流程規(guī)劃，4K超高清源內(nèi)容可以進行數(shù)字編碼壓縮后無線傳輸，最終實現(xiàn)精準的端到端傳送與播出。

3.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)需要通過優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)方案，確保內(nèi)容的高質(zhì)量無線傳輸。以賽事轉(zhuǎn)播為例：首先，根據(jù)轉(zhuǎn)播場地情況，采用多頻段小基站形成覆蓋網(wǎng)格，實現(xiàn)場館區(qū)域的基本無線接入覆蓋，同時要協(xié)調(diào)運營商在賽事場館等轉(zhuǎn)播周邊地區(qū)進行無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，適當加密宏基站和微基站的部署，形成對重要機位點的無線覆蓋強化。對于一些重要的觀察點，如主播臺、導(dǎo)播室等，可以設(shè)置專用的定向小基站實現(xiàn)專門覆蓋。按照轉(zhuǎn)播時間段、傳輸容量需求等組建專用網(wǎng)絡(luò)切片實例，配置更豐富的無線帶寬資源，采用針對轉(zhuǎn)播業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先策略。另外，還要建立冗余設(shè)計機制，如設(shè)置主基站與備用基站發(fā)射同內(nèi)容，以及通過多基站同時無線傳輸單源內(nèi)容，即使局部網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，也不會中斷視頻傳輸[5]。

3.4 終端顯示

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)在目的端選用集成先進核心技術(shù)的高端專業(yè)顯示設(shè)備，以充分還原超高清信號的效果。首先，選擇原彩色激光等4K及以上超高分辨顯示面板，覆蓋廣闊的Rec.2020等色域，展現(xiàn)細膩豐富的色彩層次。其次，需要支持HDR技術(shù)，通過高動態(tài)范圍的信號編碼結(jié)合顯示端的本地調(diào)光運算，可呈現(xiàn)高達10 000∶1強烈對比感的畫面效果。此外，顯示設(shè)備還需支持高刷新率的畫面播放，匹配4K高幀率視頻源的拍攝參數(shù)，呈現(xiàn)流暢細致的畫面運動過程。最后，顯示端要集成智能化的畫質(zhì)分析優(yōu)化算法，能對不同類型的畫面內(nèi)容進行智能分析，實時進行最優(yōu)的參數(shù)調(diào)整，達到更好的顯示效果。只有選擇集成上述分辨率、色彩、高動態(tài)范圍、高幀率以及智能畫質(zhì)優(yōu)化等多項核心技術(shù)的專業(yè)級顯示設(shè)備，才能對超高清源進行匹配和優(yōu)化，真正呈現(xiàn)“4K+5G”轉(zhuǎn)播系統(tǒng)傳輸?shù)木籍嬅妗?/p>

3.5 融合網(wǎng)絡(luò)直播

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)還要考慮與網(wǎng)絡(luò)直播方式的集成，實現(xiàn)多屏終端同步傳輸。首先，在編碼系統(tǒng)中增設(shè)支持基于HTTP的自適應(yīng)碼率流媒體傳輸協(xié)議（HTTP Live Streaming,HLS）、實時信息傳輸協(xié)議（Real Time Message Protocol, RTMP）等流媒體協(xié)議的功能模塊，對4K視頻源內(nèi)容同時進行格式適配和協(xié)議封裝，輸出可通過互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)傳輸?shù)木幋a流。然后，通過內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network, CDN）或者其他網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，將不同協(xié)議的流媒體信號分發(fā)至轉(zhuǎn)播流監(jiān)視器（Watcher）端。觀眾通過電視機頂盒、計算機、手機等支持流媒體播放的智能終端，接入Watcher端觀看網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的4K直播內(nèi)容。通過在編碼系統(tǒng)內(nèi)置支持多協(xié)議的流媒體輸出模塊，“4K+5G”轉(zhuǎn)播信號自適應(yīng)編碼輸出HLS、RTMP等標準的流媒體，豐富傳輸渠道，實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)等方式進行多屏同步觀看，擴大轉(zhuǎn)播內(nèi)容的傳播范圍和受眾需求。

4 結(jié)語

隨著用戶對視聽體驗要求的不斷提升和行業(yè)競爭的日益激烈，傳統(tǒng)電視轉(zhuǎn)播方式面臨著革新和升級。4K超高清和5G技術(shù)為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)播注入了新的活力，不僅極大提升了轉(zhuǎn)播內(nèi)容的質(zhì)量，也使轉(zhuǎn)播實現(xiàn)了無線化和智能化，為行業(yè)發(fā)展提供了更多的可能性。青島市廣播電視臺將5G技術(shù)廣泛應(yīng)用于信號傳輸、外場連線、多點采集轉(zhuǎn)播制作中。展望未來，“4K+5G”等新技術(shù)與電視轉(zhuǎn)播行業(yè)的深度融合，將推動轉(zhuǎn)播方式實現(xiàn)由定點向多點的擴展，實現(xiàn)內(nèi)容制播、信號傳輸、終端呈現(xiàn)等全鏈路的革新進步。這必將極大拓展電視轉(zhuǎn)播的應(yīng)用空間，使其在新聞采訪、重大活動直播等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為觀眾提供更好的視聽體驗。