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4K“IP化”建设在演播室系统中的应用

2023-04-16郑州广播电视台王晔

卫星电视与宽带多媒体 2023年4期
关键词:演播室高清分辨率

■ 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。

1.4K技术的概述

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。

2.4K技术的应用难点和现状

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。

3.4K标准和应用

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。

4.4K“IP化”架构在演播室系统中的应用

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。

5.4KIP化建设在演播室系统中需要考虑的内容

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。

6.结束语

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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