兼容4K升级的高清演播室系统设计_李竞.pdf

56电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)PARTS&DESIGN器件与设计文献引用格式：李竞.兼容 4K 升级的高清演播室系统设计 J.电视技术，2022，46（12）：56-62.LI J.Design of HD studio system compatible with 4K upgradeJ.Video Engineering，2022，46（12）：56-62.中图分类号：TN948.11 文献标识码：A DOI：10.16280/j.videoe.2022.12.013兼容 4K 升级的高清演播室系统设计李 竞（青岛市广播电视台，山东 青岛 266071）摘要：近年来，随着广播电视技术飞速发展，受众对高质量电视画面的需求也在日渐提高。建设 4K 演播室已成为各广播电视台目前的紧要目标。然而，从演播室改造规划及全台信号调度方面来看，在未完成播控传输系统改造之前建造 4K 演播室，将会造成4K设备制作纯高清节目的情况，导致设备预算的浪费。而建造纯高清演播室，将会影响未来4K化改造的进程。基于此，重点对兼容 4K 升级的高清演播室系统设计进行研究。以青岛市广播电视台 800 m2演播室新建高清系统为例，分析如何在设计、新建高清演播室时兼顾未来的 4K 升级。结合 4K 演播室的系统架构、信号流程、设备选型及分系统设计等方面，提出建设兼容 4K 升级的高清演播室的设计建造方案，为今后的演播室设计提出具有强扩展性的建设思路，增强设备的性价比及利用率，提高演播室系统的先进性。关键词：4K 演播室；高清系统改造；切换台Design of HD Studio System Compatible with 4K UpgradeLI Jing(Qingdao Radio and Television Station,Qingdao 266071,China)Abstract:In recent years,with the rapid development of radio and television technology,the audiences demand for high-quality television pictures is also increasing.The construction of 4K studios has become an urgent goal for radio and television stations.However,from the perspective of studio transformation planning and signal dispatching of the whole station,the construction of 4K studio before the transformation of broadcast control transmission system is completed will lead to the production of pure high-definition programs by 4K equipment and waste of equipment budget.The construction of a pure high-definition studio will affect the process of 4K transformation in the future.Based on this,this paper focuses on the design of HD studio system compatible with 4K upgrade.Taking the new high-definition system of Qingdao Radio and TV 800 m2 studio as an example,this paper analyzes how to take into account the future 4K upgrade when designing and building a new high-definition studio.In combination with the system architecture,signal process,equipment selection and subsystem design of 4K studio,the design and construction scheme of building HD studio compatible with 4K upgrade is proposed,which puts forward a construction idea with strong scalability for future studio design,enhances the cost performance and utilization of equipment,and improves the progressiveness of studio system.Keywords:4K studio system;high definition system transformation;switchboard1 概 述在目前广电 4K/8K 超高清化的发展趋势下，建设 4K 演播室已经成为多数电视台近几年的目标。对于近期有新建或改造需求的高清演播室来说，在新建或改造前，将 4K 改造、升级的因素考虑在内，有利于演播室建设的经济型和先进性。青岛市广播电视台在 2021 年对台内 800 m2演播室进行了改造升级，建设了全新的高清视频系统。在建设该套系统前，笔者对未来的 4K 升级、改造方案进行了充分 作者简介：李 竞（1971），女，本科，高级工程师，研究方向电视制播系统。电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)57PARTS&DESIGN器件与设计的预评估。本文针对青岛市广播电视台 800 m2演播室新建高清系统时选用的方案，从设备选型方面，阐述如何在兼顾未来 4K 改造的前提下，对现有新建高清演播室进行建设规划。2 系统架构的选择从高清系统升级至 4K 系统，主要有以下几种选择。2.1 Quad-link 3G-SDI自 2015 年开始，我国便有了早期的 4K 直播制作域系统。当时超高清技术标准尚未完善，部分4K 系统采用了国外推广私有协议 IP 技术架构（如NMI、TICO、ASPEN），部 分 系 统 采 用 Quad-link 3G-SDI 架构。以上两种架构均可以完成 4K 超高清节目的制作。然而，在目前 ST-2110、12G-SDI架构完备的情况下，Quad-link 3G-SDI 的方案只适用于系统中个别设备的 I/O，而在整体的系统架构设计方面，该方案在先进性及可扩展性方面则不是最佳选择。2.2 ST-2110在2017年底，电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）组织完善了 ST-2110 标准及其子集的协议，如图 1所示。2018年底，主流厂家便均已支持ST-2110标准。截至目前，国内已有大量的制作域系统采用了 ST-2110 架构作为系统的根基。对于高清演播室系统而言，也可以进行纯高清的 ST-2110 系统建设。IP系统是依托核心交换机及软件定义网络（Software Defined Network，SDN）软件搭建的网络化系统，其架构如图 2 所示。相比基带系统的点对点连接，IP系统的概念则是“All in All out”，依托虚拟逻辑矩阵和资源池打造了一个高效的制作系统，视频、音频、通话、同步、Tally、控制等系统融为一体而又可以互相分离。同时，交换机的高带宽特性将轻松突破传统基带系统“物理端口数量”和“交叉点数量”限制，使得建立高效率的演播室集群从技术角度来说变得更加容易。然而，大集群化制作的 IP 系统在小系统中将变得非常尴尬：如建设一个 3 4 讯道的演播室，将 SDN 软件的成本平摊到讯道后，每个讯道的成本将格外高昂1。图 1 ST-2110 协议示意图图 2 IP 系统架构示意图58电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)PARTS&DESIGN器件与设计2.3 ST-2082（12G-SDI）2018 年初，部分 12G-SDI 产品在平昌冬奥会得到了广泛应用。之后，各大主流广电厂商便陆续宣布支持 12G-SDI 接口。目前，部分小型超高清转播车、演播室采用了 12G-SDI 构架的系统进行建设，也取得了良好的效果。还有部分演播室、转播车，采用了 ST-2110 和 12G-SDI 的混合架构来进行系统设计，以保障超高清系统的安全性、稳定性。12G-SDI 系统与原有高清基带系统架构相同。系统采用全基带连接，直播系统构架仍为切换台+矩阵架构，或是主切换台+备切换台+矩阵变体架构。周边、监看等设备也均为 12G-SDI 的周边。整体系统的架构、流程与高清时代几乎没有什么改变，如图 3 所示，造价上也相对具有较高性价比。对于高清演播室的扩容及升级，HD-SDI 系统升级至12G-SDI 系统，是一个可靠的方案之一。图 3 12G-SDI 系统架构的示意图2.4 Jpeg-XS早在 2019 年春，工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台便在 超高清视频产业发展行动计划 中明确提出“4K 先行、兼顾 8K”的总体技术路线。截至 2022 年，国内已有数个 8K 制作域系统，数个 8K 频道也准备陆续开播。对于 8K制作，如采用 ST2110-20 的无压缩架构，带宽压力较大；而 8K Jpeg-XS 标准的浅压缩、高质量、低延时则是一种比较好的选择。JPEG-XS 标准的特性2如图 4 所示。目前，有越来越多的超高清系统选择Jpeg-XS 标准。然而对于高清演播室的升级而言，由传统 HD-SDI 升级至 Jpeg-XS 难度较高，设备更换要求较大，从经济性上来讲，不算一个可靠的方案。综合以上分析，针对此次项目，考虑在搭建一套完整高清系统的前提下保持 4K 可扩展性，以便未来可以用最低的成本以及最小的硬件改动，将这套高清系统分批次升级为支持 4K-HDR 制作的系统。为此，笔者研究了行业内设备现状，在青岛市广播电视台 800 m2演播室新建高清视频系统时，采用了部分未来可扩展为支持 4K 制作的高清制作域设备。图 4 JPEG-XS 标准的特性示意图 3 高清系统兼容升级 12G-SDI 系统时的设备选型3.1 讯道摄像机及镜头本次新建系统配置了 8 台 Sony 讯道摄像机，同 电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)59PARTS&DESIGN器件与设计时在系统建设中预留接口，能与青岛市广播电视台高清转播车的讯道摄像机组成 8+N的高清系统，既扩展节目使用需求，又不浪费资源。如青岛市广播电视台的重点节目 问政青岛 就应用了11个讯道。在讯道机型号选择上，主要考虑以下两款设备。（1）HDC-3500 讯道机。该讯道机标配为高清输出，未来可通过软件升级，以支持 2160 50P 的 4K HDR 输出，并可通过增加硬件输出板卡的方式，使其支持输出 12G-SDI 及 ST-2110。（2）HDC-3100 讯道机。该讯道机为之前高清讯道机的升级型号，通用性强、性价比高，与目前超高清讯道机的机头功能类似，均支持全域快门。如考虑未来支持超高清升级，第一选择是HDC-3500 讯道机。但 HDC-3100 相比 HDC-3500讯道机而言，性价比将高出不少。考虑到 800 m2演播室百废待兴，本次先选购 HDC-3100 讯道机。未来在升级超高清系统时，即使重新采购