4K超高清播出技术应用——北京广播电视台冬奥纪实4K超高清频道视音频系统设计

摘要

        4K超高清制播技术，是电视行业主流技术发展方向，为了更好地服务于北京冬奥会转播报道，展示北京城市形象，扩大受众范围，提升传播效果，北京广播电视台新建冬奥纪实频道，并采取了4K超高清、高清、标清同播方式。

        近年来，超高清转播车、演播室及箱载系统等制作域系统如雨后春笋般，在全国各地大放异彩。但在播出域，国内的超高清播出系统的设计仍处于“摸石头过河”的探索阶段。北京广播电视台紧跟广电行业制播技术发展趋势，进一步拓展技术应用场景丰富频道节目，以制播技术系统建设入手，打造冬奥纪实4K超高清频道。该频道于2020年12月30日早6点正式开播，是我国首个上星播出的省级4K超高清频道，也是国内唯一的超高清、高清和标清同播频道。

        冬奥纪实频道的顺利开播，标志着北京广播电视台正式迈入超高清时代。通过超高清技术升级，实现了高分辨率、高动态范围、宽色域、高质量视音频等关键指标，有效提升电视节目视听效果，为观众提供高品质收视体验。本文将对该频道视音频系统的总体架构和各功能点进行阐述和总结。

二、技术参数

        为兼顾高标清画面质量，确保广大高标清用户群体的收视效果，北京台引入体系化、标准化方法，起草了《北京广播电视冬奥纪实4K频道超高清、高清、标清同播频道制播技术规范（暂行）》，梳理、细化4K超高清同播频道制播技术要求，为开展电视节目制播业务提供标准。

北京台4K超高清同播频道制播流程遵循原则为：

        ◆超高清优先原则：本频道节目应按照4K超高清格式进行制作，下转换为高清格式后供其他频道播出。直播和录制过程中，在有条件的情况下，优先使用4K超高清信号。

        ◆兼顾高标清同播原则：演播室信号直播/录制流程中，应根据下转换高清信号进行调光，同时监看4K超高清输出效果；后期文件制作流程中，应同时监看4K超高清输出效果和下转换高清输出效果；播出中心应同时监看4K超高清、下转换高清信号播出效果。

        ◆内外统一标准原则：使用台内制作系统、委托台外制作以及租用台外技术资源制作节目，均须遵照此规范要求执行统一技术标准。

4K超高清频道基本参数如表1所示。

        与高清时代相比，4K超高清在各个参数上都有了较大的提升，如分辨率由1920×1080提升至3840×2160、帧率从25帧/秒提升到了50帧/秒、色域由BT.709提升至BT.2020，动态范围由SDR提升至HDR:HLG标准等，表现出高分辨率、高帧率、宽色域、高动态范围及高码率的特性。

三、系统架构

        冬奥纪实4K超高清频道在视音频系统的设计上，将传统理念和创新技术相结合，采用12G基带信号+IP信号的混合信源模式，在以安全播出为前提的基础之上，以成熟稳定的12G基带信号传输为主，同时尝试启用IP技术系统提供第二备份信源，为未来台内的“全面IP化”打下夯实的基础。视音频系统整体架构如图1所示。

1. 信号源部分

        视音频通道采用静净切换矩阵+键控+末级4×1切换的模式，实现信号的处理和切换功能。4K播出链路的最前级为12个信号源的输入，分别为主备播出视频服务器信号、总控IP第二备信号（通过IPG转换成12G-SDI信号进入基带主备路）、基带总控外来信号、演播室直拉信号、介质机信号、测试图信号及垫片信号，所有信号均为符合ST-2082标准的12G-SDI信号。信号通过12G视频分配器分送至主备切换矩阵、监看画分、监控系统、一致性比对服务器等。具体各信号源如表2所示。

2. 信号处理部分

        主备切换矩阵选用了16×2净静切换开关，可以实现视频的净切换和音频的静切换。在视频的净切换方面，并没有采用简单的输出帧同步的方式达到视觉上的净切换，而是在将所有输入源行对齐的前提下完成符合SMPTE RP-168标准的净切换，如图2所示。

        在音频净切换方面，也没有选用常见的V型净切换。在采用V型净切换时，切换瞬间设备将会将当前的音频快速淡出至接近静音后，再快速淡入至新的音源。这种切换方式虽然可以避免音频方面的“pop”或者“click”，但是切换效果显得较为生硬，尤其是在对同一音频内容做切换时，该效果尤为明显。4K净切换矩阵采用了Cross-fade型切换，该方式在发生切换的瞬间，设备将在淡出前一音源的同时，交叉淡入后一音源。这样一来，在切换点时，输出信号的嵌入音频电平将基本保持不变，观众的听觉感受将不受任何影响，如图3所示。

        在信号经过主备16×2切换矩阵后，采用主备12G键控器实现台标、字幕的叠加，该链路中的键控器可同时支持2个外键和2个内键的叠加，可存储双台标、备用台标和字幕信息，并实现各自间互不影响的上下键。链路各节点输出信号分别经过12G视频分配器进入监听监看、信号切换、传输等环节，实现全链路信号的直观展示和监测控制，有利于及时发现系统故障点，第一时间进行应急切换操作，保障播出安全。最后4K末级输出信号经过UHD-HD下变换（同时实现HDR-SDR的转换）和HD-SD下变换两级变换，实现超高清、高清、标清信号的同播。

3. 信号切换部分

        信号经过主备键控器后分别进入主备4×1切换开关，作为主备双链路的交叉备份，4×1切换开关的第三路信号输入为总控IP播出信号经IPG（IP-Gateway）输出的第二备信号（自带台标），第四路输入为应急垫片信号（自带台标），用于在主、备、第二备信号均故障时的应急手段，从而实现末级四路信号的一键应急切换。在4K末级信号之后，经两级下变换后的高清、标清信号也同样采用4×1的方式实现应急切换。

4. 监听监看部分

（1）频道监看

a. 电视墙监看

        电视墙监看部分采用4K画面分割器+监视大屏的方式构成，配置4块监视大屏显示信号源、链路各节点信号及末级输出信号，示意图如图4。

b. 控制桌监听监看

        控制桌监看部分采用4K画面分割器 + 监视器的方式构成，配置1台4K HDR监视器，显示超高清、高清、标清各主备4×1的四路输入信号和输出信号，配合4×1切换面板，实现信号的快速简便切换，示意图如图5。

        另外配置一台4K主监听设备，用于值班员日常值班时监听主路输出信号是否异常。

c. 技监监听监看

        技监监看部分配置一套12G切换矩阵（24路）、一台4K监视器及一台专业波形监视器，可以调度全链路信号并显示其具体信息，作为值班员日常对信号指标的核对。另外配置一台4K技监监听设备，配合信号质量的核查。

（2）集中监控

        为了更好地保障播出安全，该频道还建设了一套集中监控平台，提供多维度的报警方式，在不同岗位、不同机房、不同位置采用语音、蜂鸣器、报警灯、文字显示、按钮闪烁等方式，组合不同的报警提示方法，适配现场对管理的复杂需求。

        系统在播出视音频链路上采集关键节点信号进行内容技审检测，并对4×1切换器前的主路、备路、第三信号源、垫片信号和4×1切换器后的主备路末级信号进行一致性比对。

一致性比对技术在自动同步的缓冲区范围内，比较视音频信号的一致性，测量信号之间差异、延时、偏移。可以按照报警切换逻辑进行报警发布和自动切换，在完全符合切换逻辑的场景进行自动切换，其他场景产生相应报警不会触发自动切换操作，提示技术人员进行手动应急切换。

        报警切换逻辑涵盖异态结果汇总过滤、比对结果汇总过滤、多组异态结果组合判断、多组比对结果组合判断、异态时长阈值判断、比对不一致时长阈值判断、一致性面板指令发布、UI界面告警结果推送、检测结果数据库记录等内容。确保每次切换均按照设计要求执行，覆盖了产生播出事故的绝大多数故障场景。

        集中监控平台采用分布式架构，分为监测采集端、分析管理端、展示运维端三部分。数据库、信息采集和分析业务分离，能灵活地进行业务扩展。监测采集端对机房环境、播出关键视音频设备与IT设备、业务流程、时钟系统及传送系统设备网管的状态指标和报警信息进行采集监测；对经过前端设备IP化的播出末级SDI信号及编码复用后ASI信号进行实时信号监测和收录存储。

        ASI信号的监测包含《DVB系统测试标准TR101 290》码流三级错误、PSI/SI表格全解析、模板比对、PCR抖动分析、带宽数据实时信息等内容。

        分析管理端将监测信息进行汇总，实现了统一分析、处理、查询、管理、报警的功能，将信号链路、指标报警、设备信息进行联动，能够实现监测、调度、报警等核心业务的协同化管理和智能化呈现，并通过权限管理方式实现不同用户不同环节的访问控制。

        展示运维端可以查询到上述信号指定类型及时间产生的报警，进行信息查看和录像回看。具备轮巡功能，可以让设定数量的SDI及ASI信号进行轮巡播放。在不同岗位、不同机房能够采用文字提示、语音播报、报警灯等多维度的报警方式提示技术人员进行应急处理。配置了3D机房模块可以实现对机房设备的可视化监测管理，配置了系统日常运转所需的管理层流程化呈现模块，为“岛式结构”的播出值班管理、应急操作、运行维护提供支撑与便利。

5. 信号传输部分

        冬奥纪实4K频道的超高清、高清、标清节目信号分别送总局无线局上星播出、送歌华有线地面播出、送中央发射塔地面无线播出。其中高清和标清节目信号传输维持现状，传输方式、覆盖范围和技术参数均不变，另新建一套冬奥纪实4K超高清节目信号传输系统。

        送歌华有线地面播出采用H.265编码压缩标准，上星播出采用AVS2编码压缩标准。视频码率为36Mbps,音频编码方式为杜比数字（+），音频码率448Kbps。信号路由为：播出中心末级12G-SDI信号送给编码压缩系统，编码后的ASI信号通过SDH终端送中国有线进行加扰，送总局无线局节传中心，再送无线局地球站经过调制功放送中星6C播出。卫星参数：采用DVB-S2 8PSK调制、5/6信道编码、0.1滚降系数、15.95Msps符号率，可传输的信息码率为38.646Mbps，实际占用带宽为 17.545MHz。系统框架如图6所示。

四、系统特征

1. 超高清、高清、标清三同播

        播出视音频通道系统中，通过两级下转换实现4K超高清、高清、标清同播，在这其中最重要的环节就是HDR到SDR的下变换。对此我们重点关注两方面内容：一是HDR到SDR转换参考白基准亮度和参考白电平设置；二是下转换时，以100%动态范围为分界线，100%动态范围以下的SDR内容和高于100%动态范围的HDR内容的选择，具体如下：

（1）HDR到SDR转换参考白基准亮度和参考白电平设置

        因为冬奥纪实频道历史原因，频道播出的节目类型多样，既有体育赛事节目、演播室录制节目、还有纪实类节目，甚至北京台4K制作的春晚都是在本频道播出的，造成节目平均亮度，峰值亮度存在较大的差异。因此，我们初期采用75%HLG相对保守的参数设置，后经请教业内专家和北京台节目制作人员，在75%HLG的基础上进行适当微调，对77%HLG（230尼特）映射100%SDR、79%HLG（257尼特）映射100%SDR进行大量测试，适当提高HDR参考白电平，增加SDR内容的电平资源，虽然降低了高动态范围电平资源，但是从整体上改善HDR图像的综合质量。最终确定了77%HLG映射到100%SDR（230尼特）。

        将230尼特作为SDR与HDR内容的分界线。高于230尼特的高光部分是HDR内容，只有HDR电视才能正常再现，下转换到高清SDR后，这些高光信息被压缩到只占用很少电平和亮度资源的拐点部分，低于230尼特部分的内容能够在SDR电视上正常显示。

        HDR转换成SDR除了做电平映射以外，还需要做伽玛和色域映射，伽玛从HLG映射到SDR，色域从BT.2020映射到BT.709。

（2）场景参考映射（SR）与显示参考（DR）的选择

        SR与DR的差别在于，SR保留转换后信号的OOTF（系统伽玛），DR保留转换前信号的OOTF（系统伽玛）。在选择映射方式时，我们结合制作流程，主要考虑两方面因素：一是非北京台制作的体育赛事转播节目可能会遇到在HDR制作中混合使用HLG和SDR摄像机现象，目前推荐SDR摄像机应该用SR上转换才能与HLG摄像机完美匹配；二是北京台HDR制作系统采用SDR调光制作HDR，由于HDR摄像机内置的下转换器都是SR，因此播出中心下变换器综合以上两大特点，确定采用场景参考映射（SR）。

        其实完美地实现4K超高清、高清、标清同播，不仅是在播出端进行下变换设置就能实现的，而是需要制作域、播出域共同配合、相互兼顾、统一技术参数才能够实现，如在制作域，北京台采用的是SDR调光方式，只要摄像机下转换映射关系是正确的，即使4K HLG信号超过100%下转换时，也不会出现高清信号电平过高的问题，用SDR调光直播或录播制作HLG时，台内所有固定参数下转换设备都统一采用相同的HLG与SDR映射关系，也就是说摄像机和转换器的映射关系是相同的，这样直播时才能实现“所见即所得”，调光工程师、导演、播出下转换监控端看到的高清图像效果也是相同的。

2. 12G、IP 混合播出

        为执行“4K先行，兼顾8K”的路线，越来越多的大型制作域系统已推行了以IP为主的4K制作系统，北京台也已开始建设全台IP信号调度总控系统，对接外系统IP信号并为内部播出系统提供第二备信号源，实现传统基带播出与IP总控的接轨，推进“播总控一体化”方针。IP播出链路设计是基于国际主流的SMPTE ST 2110-10/-20/-30、ST 2110-31、ST 2110-40等相关标准，IP同步基准采用广电专用标准ST 2059专业广播应用使用的IEEE-1588精确时间协议。IP链路示意图如图7所示。

引入第二备IP播出信源的优点如下：

        一是进一步提高系统的安全性。主备链路采用基带架构，第二备采用IP架构的异构设计，在同构主备链路因突发情况，基带链路全部失效时，IP链路可承接播出任务，将播出内容正常推送至后级传输系统。

        二是提升系统的灵活性。在基带主备链路的设计中，主备信源均来自前级的16×2净切开关，信源最多可以同时存在16个，而IP系统则不受此限制，第二备视频服务器可从总控IP交换机中随意调取全台的任意一路信号，自由选择备份信号信源。

        三是对全台IP化建设起到了承上启下的作用。IP技术与传统基带技术截然不同，在常规的主备链路上设计为台内技术人员熟知的基带系统，符合台内人员习惯的应急流程，同时技术人员可通过第二备IP通路了解相关理论知识，熟悉全新的IP化设备，为将来的IP系统作好扎实的业务储备。

3. BB、PTP同步信号共存

        4K频道同步系统采用传统BB加PTP同步协同的方式，系统中视音频设备使用BB信号同步，网络设备使用PTP信号同步。同步系统可同时输出BB信号和PTP信号，为各系统提供所需格式的同步信号，从而使信号处理达到帧精确度。同步系统示意图如图8。

        其中PTP符合IEEE 1588、SMPTE ST2059-1和ST2059-2标准，PTP时钟采用BMCA最佳主时钟算法，时钟类型采用边界时钟BC模式，通过同步系统对全台PTP时钟信号的分配做出统一规划，通过铺设到演播室等外部系统的光缆并配备相应的光模块实现PTP信号的向外分发，并适配外部系统的PTP时钟信号接口。

五、总结

        北京广播电视台冬奥纪实4K超高清频道是我国首个上星播出的省级4K超高清频道，也是国内唯一的超高清、高清和标清同播频道。该频道的开播，代表着我国在频道三播领域有了从0到1的突破，也代表着北京广播电视台的4K产业从无到有的飞跃。对于提升北京广播电视台品牌影响力、加快北京市广电技术迭代升级、促进首都信息产业融合发展、助力北京冬奥新闻宣传工作都具有重要意义。目前该系统已上线稳定运行5个多月，从实际使用效果看，系统运行稳定可靠，具备应对突发故障的能力及抗干扰的能力，也为今后4K播出的推进起到了很好的实践意义。

作者：北京广播电视台 金强 董秀琴 张潇丹 尹成程 官健