哈密市融媒体中心：李晶

广播电视播放技术经过多次技术更新初步形成了以4K超高清播放为主的播放体系，4K超高清的优点在于帧率和分辨率高，并能提供全景声服务，加之较高的可视度使其受到观众的喜欢。4K超高清播放是基于网络技术而诞生的一种技术，其融合了网络技术和广电播放技术，极大地提升了用户使用体验。现阶段我国对于4K超高清播放技术的研究依然处于探索阶段，面板技术问题是制约4K超高清技术进一步发展的关键。所以研究广播电视台4K超高清播出系统关键技术对于突破4K超高清播放技术阻碍发挥着重要作用。

1.广播电视4K超高清播出系统

无论何种播放模式都需要配备与之对应的播放系统，通过播放系统将广电节目提供给观众，从而实现广电信息传递。4K超高清播出系统是一种先进的广电节目播放系统，该系统应用了多种先进的智能技术，研究4K超高清播出系统的特点和结构设计方式对于突破4K超高清技术阻碍有着重要的意义。

1.1 4K超高清播出系统特点

相比较于传统高清、标清系统，4K超高清在分辨率、帧率和动态范围方面更具优势，其还具备了传统播放系统不具备的宽色域和全景声优点，这些优点使其成为广播播放技术中的新宠。2017年工信部和国家广播电视总局针对于4K超高清技术应用制定了相关标准，提出了建设4K超高清播出系统的具备标准，并要求各地根据建设标准开展4K超高清播出系统建设工作。4K超高清的清晰度和帧频较高，分辨率倒带了3840×2160，比HD高清播出系统显示点数多3倍，画面清晰度相对传统播放系统更高。4K超高清播出系统有着最低50帧的帧频，帧频的最大值能够达到120帧，其远远超过HD播放系统的帧频。播出画面过程中，帧频高表示播出的画面流畅度高，画面在细节方面更细腻。设计播出系统时遇到的难题是帧频越高对于播放系统的容量、带宽要求越高，设计的难度越大，因此在发展初期我国4K超高清播出系统采用50P的帧频，设计难度相对较小。传统高清、标清的动态范围设计主要以SDR标准为主，亮度最大值为100nit，不同于传统播放系统，4K超高清系统增加了动态范围值，主要以HDR标准为主，采用这一标准的画面亮度基本全部在100nit以上，所以播放画面变得更加明亮，色彩变得更为柔和。4K超高清在宽色域方面以UHDTV色域范围为主，这种色域的优点是电视色域得到了拓展，更多种类的颜色被应用在画面中，画面与实际场景的差异变得更小。此外，4K超高清的全景声采用了5.1环绕立体声，而且音源采集平面得到了拓展，观众能够获得沉浸式的观看体验，极大地满足了观众观看需求。

1.2 4K超高清播出系统设计

我国不同地区在建设4K超高清播放系统时采用的设计方案不同，但是总体的标准相同，都是工信部和广电总局颁发的标准，研究4K超高清播出系统设计对于发现系统缺陷和改进系统功能有着重要意义。我国开始对4K超高清播出系统进行验收测试的时间为2017年12月，在各地进行了多册的测试，并对测试结果进行了分析，得出4K超高清系统性能优异的结论，系统可为4K内容播出提供平台，此后其他地区相继开展了4K超高清播出系统建设工作，我国4K超高清播放系统建设正式开始。

播出系统主要由总控、播控、整备、编单、监管、传输和辅助七个分支系统结构组成。总控子系统信息传递线路连接到播控系统中，其作用是传输4K信号，提供播放信息传播路径。播控子系统连接到六个子系统中，保障播放信息的共享，为电视节目顺利播出提供基本保障。整备子系统的作用是对素材与外来文件进行处理，按照节目单对播放的节目文件进行储存和传递，确保信息传递质量。编单子系统的作用是对节目单进行编辑与审核，提供图文与台标给播控子系统，确保节目播出的流畅性。传输系统直接连接到播控系统中，实现了播放信息的传递。监管系统通过监管软件与播控系统形成实时的信息传递，其能够动态地查询4K超高清播出系统设备运行状况，发现故障信息后能够第一时间发送故障警报，防止故障信息升级造成更多问题。辅助系统直接连接在播控系统中，二者可以进行日志交互，实现信息资源共享。

设计广播电视台4K超高清播出系统时可以采用4路3G-SDI基带系统，这种系统的稳定性较高，设计视音频链路时，可以选择All in One服务器，该系统的作用是赋予4K超高清播出系统更多功能，如线路直播功能和硬盘播出功能等，提升播放节目的丰富度。在播放系统中加入同构主备播出视频服务器能够为换面稳定切换提供通道，而异构二备单机视频服务器则增加了视频的播放流畅度，系统运行提供变得更为稳定。在线监测设备的应用非常重要，其能够对视音频链路进行有效的安全监控，节目播出过程中如果发现异常，监控设备可以调动备用音频设备，从而使得电视节目稳定地播出。

2.广播电视台4K超高清播出系统关键技术

在4K超高清播放系统中，应用了多种先进的智能技术，这些技术为节目画质和播放流畅度的提升打下了技术，研究4K超高清播放技术对于突破4K超高清播放技术阻碍有着重要的意义。目前我国4K超高清播放系统主要应用了时码控制技术、4K净切换技术和4K画面一致性比对技术，这些技术是4K超高清播放系统稳定运行的关键。

2.1 时码控制技术

我国在4K超高清播出系统建设方面采用GY/T307-2017标准，播出系统帧频扫描频率为50Hz。传统播控系统中一般使用基于25P播出控制逻辑的帧频扫描技术，这种扫描频率只能适用于高清或表情播放系统，无法应用于4K超高清播出系统中，想要确保4K超高清播放系统顺利实现，必须采用新的标准。一些技术人员开展设计工作时选择了基于50P播出逻辑的帧频扫描方法，在原有的系统播出控制逻辑基础上进行帧频扫描技术改进工作，设计出新的帧频扫描方法，为播控软件高效和准确地识别50P文件提供了技术依靠，系统能够将正确的帧精度播控指令传给播放设备，保障播放系统有序运行。例如，在50P素材中，对Play与Cue进行扫描时，借助于VDCP协议转换指令信息，然后将指令发送给服务器，服务器按照指令进行工作，系统播出控制逻辑得到了精确地控制。服务器接收指令能够识别播控操作指令帧位置，同时通过映射的方法进行转换，最终以LCT+VITC格式将换面展示出来。系统能够结合文件时码轨精确地对LTC和VITC数据进行帧精度定位，将更加优质的画面呈现在观众的眼前，使得播放的效果大大提升，满足了观众的观看体验需求，图1为时码控制数据传输。

图1：时码控制数据传输

2.2 4K净切换技术

在广电节目播放过程中，视音频链路设计非常关键，4K超高清播视音频链路主要由三个服务器负责，其作用是将4路4K信号传输至指定的设备中，主要采用Qua-link的传输方式，传播渠道类型主要为4路3G-SDI信号，保障了信号传输稳定性。技术人员设计视音频链路过程中可以将4台双路二选一倒换器按照在末级装置内部。采用这种设计方式的视音频链路能够为系统提供8个输出端口和16个3G-SDI信号端口，这种设计方法可以为4路4K信号传输稳定性提升打下基础，有效地实现四选一目标。为了防止播出系统进行频道切换时发生花屏、黑屏、卡顿这类播放问题，可以将帧同步技术应用于倒换器中，然后借助于CPI控制传输对播放的指令进行切换，这样可以保障3G-SDI信号切换的精确性和高效性。同时，在设备实施GPI发送的净切换指令后，会在播放视频的切换部位应用切换指令，确保信号切换前后具备同步帧精度，保障视音频的流畅性与高帧率0。除此之外，设计播出系统时切换面板GPI可以通过并联连接方法进行连接，如果播放节目是GPI设备出现短路问题，系统能够将切换面板与GPI间电路切断，系统无法对二者间电位水平进行计算，从而出现了净切换效果降低的问题，想要将这一问题解决，可以将信号限流装置安装在系统中，面板和设备间即使出现短路故障，GPI电势差也能被精确计算，4K超高清播出的稳定性大大提升，图2为4K净切换技术。

图2：4K净切换技术

2.3 4K画面一致性比对技术

传统播放系统中使用的视音频监控主要借助于KPI功能对播放画面进行跟踪，分析播放中的问题，这种方法经常出现KPI报警时间延长，从而导致报警延迟现象屡屡常发生。想要解决这一问题，引入4K画面一致性比对技术非常重要，这项技术能够将KPI报警延迟问题解决，提升4K信号质量，保障播放的效果，因此4K超高清播出优势得到了有效体现。设计系统时先将4路4K信号采集，同时质量监控KPI明确，利用真值逻辑进一步对4K信号进行精准监控，并实现故障判断。在这一过程中，4K信号视频监控发生视频丢失问题，具体表现为画面蓝场、黑场、绿场等，画面上分布着各种颜色的斑点。音频检测出现音频反相、视频静音以及视频音量不稳定的现象。设计广播电视台4K超高清播出系统时，可以借助于信号一致性对各类信号进行对比，设计与3G-SDI BNC输入端口匹配的连接方法，端口数量一般设置为12个，其可以为音视频指纹采集与提取提供基本的技术支撑，使得画面一致性比对结果变得更加准确，为4K信号传输提供稳定的渠道，Qua-Link4K画面输入变得更为理想。第四路信号为垫片，这种信号区别于其他信号格式，所以不需要对该信号进行一致性比对，直接设计传输形式即可。连接信号一致性比对仪时，能够保障12个3G-SDI输入端口与设备进行稳定连接，同时也能将4路SDI信号标记出来，使得信号传输逻辑变得更为有序，提升了信号稳定性。但是进行实际对比工作时，设备会有限比对2路信号中位于同一位置的四分之一画面，如果比对结果发现有不同的四分之一画面，那么系统得出4K信号差异这一结论。如果是3路信号，采取两两比对的方法进行比对，画面一致性比对按照既定规则进行。4K超高清播出系统应用的画面一致性比对仪能够对存在差异的4K信号插帧、声音和信号延时等进行精确地比对，其可以为操作人员开展画面分析工作提供可靠的数据。应用4K广播电视台播放节目时画面一致性比对技术遵循一定的逻辑原理：如果出现画面单路信号并且画面的内容存在差异，两路信号一致现象时，KPI报警设备静默，无须切换备选画面，如果画面出现单路信号内容存在差异且两路信号一致的现象是，KPI报警开始工作，此时输出信号不一致，需要将画面切换到备用画面。如果三路画面均不一致，无KPI报警，则不需要进行画面的切换，但是如果三路画面不一致，并且出现KPI报警现象时则需要进行画面的切换。进行这一些切换操作工作时，系统能够按照主→备→二备顺序进行备用画面的切换，确保了画面切换的稳定性。画面一致性比对数能够为播出系统控制4K信号提供可靠的方法，结合比对结果实现换面的实时动态转换的目标，系统设备能够及时针对运行故障进行处理，保障播出安全性，为人们提供良好的播放服务，图3为一致性对比关系。由于4K超高清播出系统涉及了许多视音频画面，所以系统需要处理大量数据，对画面一致性比方法和承载算法硬件设备的要求很高，这是4K超高清技术的重要阻碍。目前4K超高清电视播放技术并不完善，建设方案以及相关的技术算法也存在缺陷，由于缺少现实的案例，所以相关的技术依然处于探究阶段，想要将这些技术应用于实际播放中，需要开展多次试验，通过实验发现技术缺陷，并对技术缺陷进行完善，这样可以大大提升技术应用的可行性。

图3：一致性对比关系

总而言之，4K超高清播出系统设计对于实现4K超高清播放普及有着重要意义，4K超高清设计涉及的技术较多，设计人员应该将关键技术应用研究工作做好，不断进行技术更新。借鉴现有的成功案例，学习他人成功的经验，在现有技术支撑下不断进行技术创新，进一步提升4K超高清播放系统的稳定性和安全性，为人们提供更多精彩的4K超高清观影服务，提升人们的生活舒适度。