4K“IP化”建设在演播室系统中的应用

■ 郑州广播电视台：王晔

新时期下的人们对视频画面感的要求非常高，尤其是清晰度的要求，所以在这样的需求下，4K技术应运而生，它更好的满足了人们对视觉画面感的要求。而在前几年的伦敦奥运会和世界杯中，就是通过对4K信号技术的应用，给人们带来了非常好的视觉体验感受。为此，我国也加大了对4K信号技术的研究力度，并将其广泛应用起来。但是4K技术在应用的过程中仍然面临很多的问题，这些问题在一次程度上限制了4K技术的发展，因此我们需要加强对4K技术应用问题的分析，为推动4K技术的发展打好基础。

1.1 4K技术的概念

4K技术也被称为是4K信号，是一种超高清的显示技术。对于4K技术来说，它的每一帧都超过了800万像素，也就是超出了传统的高清范畴，所以说它是一种超高清技术，能够给广大观众带来更好的视觉体验感受。在我们日常生活中，我们经常听说的4K电视也是这一原理。而高清到超高清4K，主要是来自于以下几个方面的转化：①分辨率的发展。高清时期的2K时代，视频分辨率是在1920×1080，而超高清4K的视频分辨率是在3840×2160；
②颜色领域范围比较宽泛。高清时期下的色域宽度在R.709，而超高清4K的色域宽度在BT.2020，很明显4K技术会更有优势；
③帧率高。高清的帧率在50i/25P，超高清4K的帧率在50P/60P；
④量化高。高清的量化在8bit，4K技术量化在10bit/12bit，进一步扩大了颜色空间范围。也就是说4K的量化，颜色会更加饱满；
⑤音频效果更加保真。⑥宽带。高清时期的宽带是3Gb，而4K超高清技术下，宽带流速扩大到了12Gb，直接影响到高清视频的效果。

1.2 4K技术的发展

在20世纪90年代的时候，就已经出现了16:9的屏幕宽高比，16:9的宽高比与传统时期下的电影宽银幕的比例是一样的。随着进一步电视相关技术的研究，在21世纪的时候，电视的清晰度已经越来越明显了，也就是说在16:9的宽高比下，更好的保证了电视的清晰度和分辨率。1920×1080是非常清晰的分辨率。要知道电影画面的视觉清晰度和电视清晰度是存在一定差异性的，虽然说清晰度存在竞争，但是彼此之间也有各自的优势，也正是因为这种优势的存在，所以促进了二者之间的共同发展。直到广播电视领域引进了2K技术之后，给电影带来了很大的冲击，而电影也为了维持自身的优势，加大了对电视技术的应用研究，而这也促进了4K信号技术的制作要求。

就目前4K应用现状来看，仅仅通过分辨率的提高来达到图像超高清的视频体验还是不够的，对于4K视频画面来说，无论是从色彩方面来看，还是从对比度角度分析，都比传统时期的高清效果更好。为了给后期的电视制作留出空间，可以利用高动态范围图像（HDR）在4K技术基础上进行记录，亮度的曲线可以利用S-LOG3，此曲线对画面的高亮或者是灰暗的细节之处表现得非常好，能够给整个画面带来通透和层次感。在高动态范围图像和宽色域的制作能力下，4K高清制作的效果能够得到更好的保障。在利用4K技术制作过程中，需要考虑设备和现有系统的兼容性特点，由于4K技术与高清技术相比，所需数据量会更多，节目制作的层次也多，所以对性能的要求非常高。为此，可以利用无线电广播通信技术对4K高动态范围图像和高清SDR同时制作和开展，为各大晚会或者直播赛事的传输提供很好的平台。

IP系统的形成和传统的基带系统之间也是有很大差异性存在的，在具体的应用过程中，需要保证每一个信号接入设备的IP地址不会反复出现，导致信号中断的情况发生。就目前来看，所使用的基带IP播出系统，都是采用无压缩信号的传输方式，这种方式最大的优点就是不用重新编码，也能够有效保证信号处理的及时性；
但是此方式也有很大的缺点，就是对宽带的要求是非常高的，所以为了充分发挥出此系统的应用价值和优势，在应用的过程中最好是采用全流程光线链路在系统的末端进行编码，用TS流系统进行传输。除此之外，在压缩IP的播出系统中，还需要提起将基带信号和即将要播出的素材编码成TS流，这样做的目的是能够在后续实现对图文的叠加、调度和传输工作，有效降低交换宽带使用的情况，实现4K信号技术的传输在千兆网络环境下进行。但是在此信号处理工作中，需要重新编解码，这样就会导致延时情况出现，所以在面对这一问题的时候，要仔细分析并解决。

4K技术与传统标清、高清相比，无论是分辨率还是格式种类等都是有新兴标准的，4K的名称是标识其横向解析度为4000像素（3840×2160或者是4096×2160）。关于4K分辨率的格式也是有很多种的，我们比较熟悉和常见的有16:9、1.85:1、4:3等等，不仅被电影行业重视和应用，广播电视行业也非常青睐。但是就目前来说，我国并没有制定4K电视标准，主要是因为目前不具备4K电视节目播出和交换的条件。目前，4K技术正在快速发展中，并逐步发展为行业录制的标准，越来越多的电视、影视、纪录片等也都在尝试采用4K格式来录制和制作，由于4K视频的内容越来越丰富，所以它终将会成为广播电视行业的最新标准。

从不同角度来分析，4K可以说是镜头的改革，在4K技术的应用下，传统时期下镜头焦点的概念已经完全被抛弃掉了，换来的是全新超清晰全距离对焦，它可以将整个画面的细节全部体现出来，也正因为如此，才能够给观众带来非常清晰的画面感受，改变传统的观赏模式，当然，观众也可以结合自己的需求去欣赏和观看视频画面的细节，这也为日后进一步提高和延伸6K乃至8K时代的发展带来了很大的推动力。

在4K技术的拍摄视角下，会给摄像机带来很高的分辨率，在cut-out功能模式应用下，可以截取其中一部分作为的单独的输出信号；
在控制器的应用下，所截取的图像通过位置和大小的合理调整，可以实现自动识别功能，并将图像进行还原，有效降低扭曲视频画面的出现。在这样的情况下，一部4K摄像机就可以同时输出不同的信号，而且还能保证信号的实时性。此项技术在演播室的制作和应用过程中，也会更加便捷。在传统时期下，电视演播室都是有男女两名主持人来主持，而4K的Cutout的功能就能很好的满足这一要求，不但有效规避了大多台机位尴尬的问题，也无需专门的摄像人员。这一理念的有效应用，不但改变了传统时期下电视制作工艺技术，摄像人员也从幕后转到了台前，有效降低了摄像人员的工作负荷，简化了电视画面的取景工作。

上面已经说过“4K”属于一种超高清的显示技术，而想要构建4K演播室，不但需要很多设备上的支持，还需要结合不同环节来实现，如拍摄环节、录音环节、编辑和播放等环节。在相关信息的拍摄和采集端口，需要通过利用高动态范围图像（HDR）和宽色域（WCG）的摄像机来对4K高质量的画面进行捕捉；
同时在摄像机的下端还需要配置高性能的4K字幕机、4K在线包装和虚拟系统，通过这些设备的配置，能够进一步提高视频、音频的整体输出效果。此外，4K技术在输出的时候，是必须要用到切换台和矩阵调度的，并将视频服务器、摄像机以及图文虚拟系统等输出的4K信号等切入到矩阵当中，以此来形成镜像输入、生成节目信号。

在相应的数据中显示，即使单路的4K图像信号值已经达到了12Gbps，但是就目前数字分量串行接口（SDI）最高的单路传输容量在3Gpbs，所以需要利用四条3Gpbs同轴线缆在同一个时间进行信号的传送工作，这样才能保证信号传输的稳定性。但是采用这种方式或多或少都会给系统带来一些影响，如增加复杂性、降低稳定性等，尤其是会给大型的演播室内部系统建设带来很多无法解决的问题。具体主要体现在以下几个方面：由于多个子系统当中线的数量会增加，所以会构成四倍高清系统，而在这种情况下，切换台和矩阵所使用的直切键数量就会在4K技术的应用模式下，改为高清模式之一，而确认和退出的级数也会随之减少，当然，投入成本也会上升。在以上这些因素的影响下，就会催生出4K系统基础的IP化进程。也就是说，在信息的传输过程中，会由原来模拟信号的传输转化为遵循网络协议的数字传输，也就是我们俗称的网格化。

将4K IP化建设在演播室系统软件中，能够降低很多传统设备的应用，进一步精简系统的结构，而这只局限在软件基础上；
在硬件方面，通过对IT设备的有效应用，无论是在安装、配置还是调试中，也都变得非常简化，使操作系统也变得非常简化、便捷。此外，还可以在一定程度上降低硬件的更新频率，间接降低了整个演播室系统的建设、运行和维护风险，当然成本也会降低很多。4K IP化演播室系统的建设，最好是在模块化的基础上进行设计，目的是实现对系统的扩充，使系统日后能够完成自动升级和增补。此系统的控制命令都是由网络协议来实现的，而传统时期下的实现模式采用的是点对点布线的方式，与传统的模式相比，更能保证可靠性，因为它是将控制网和视频传输网进行分开组网，满足可靠性目标。总的来说，这些演播室的制播优势都可以成为4K IP应用和发展的基石。

将4K IP化建设在演播室系统中，具体需要考虑以下几个方面的问题：首先，需要考虑的是SDI基带信号的IP化，也就是说视频、音频信号的IP化。对于4K信号技术传输工作来说，想要使用基带信号完成传输工作，是不现实的；
其次，需要考虑的是同步问题。在基带信号的传输工作中，同步信号是在模拟视频或者是数字信号方式出现的，但是在4K IP化的建设应用中却不是如此，它是以IP形式进入到系统中的。此外，还需要考虑校时的问题。最后，还要考虑安全问题，并要将其作为重点考虑的问题。演播室系统在设计和建设的过程中，所遵循最基本的原则就是可靠性和安全性，因此，需要在设计工作的时候，尽量选择可靠成熟的产品和技术，同时还要考虑保障能力、自动切换性能等多个方面的问题，最终目的就是要保证系统的安全播出。

4K IP化技术在演播室中的应用主要包括两个方面，即IP化视频架构方式和4路3G-SDI同轴线缆应用方式。其中对于IP视频架构方式来说，就目前国内技术的水平现状来看，还很少有演播室能够做到，但是很多大型演播室或者是实力比较强的演播室，也会尝试应用这种方式，因为此种方式无需架设很复杂的线缆，从成本角度分析，能够降低成本投入。对于IP化技术来说，架构方面是具有特殊性的，与数据包的传输方式也不同，需要单独完成传输工作，并在4K信号技术的应用完成信号的处理工作。此外，对于4路3G-SDI同轴线缆应用方式来说，目前很少有学者对其进行研究和分析，在应用过程中，由于它在传输方面非常复杂，也很容易受到线缆的限制，所以如果对传输信号进行压缩的话，将会给视频画面质量带来影响，这也是4K信号技术在演播室应用中最大的阻碍因素。近些年来，随着人们深入研究，发现4K信号所占用的实际宽带达到了高清3G信号宽带的4倍左右，所以我们可以在此基础上制定应用方案并落实。

在新时期的媒介融合发展模式下，将IP化有效应用在电视中心直播领域的音频、视频传输架构上，可以将传统电视台的采集和播出的整个运作过程，从硬件转移到软件中，而且统一的IP化架构也改变了传统的两层皮架构，不但能够降低运营成本，传输的稳定性、安全性也得到了很大的提升，尤其是提高了操作的便捷性，推动了全媒体汇集、平台化生产以及多种渠道传播的新电视传播模式，给广大用户群体也带来了更加清晰的视频体验感。当然，未来的我们还需要在4K基础上进一步研究和优化，推动电视领域制作技术朝着更高层次去发展。

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