2023年4K超高清播出系统的分析与研究.docx

天道酬勤 4K超高清播出系统的分析与研究 程宏 安贵江 王磊 刘新同 随着受众对高质量视听的需求不断提升，以及媒体科技在UHD、沉浸式音频、新IP标准等融合新技术中的不断开展，开播4K超高清频道势在必行。2023年国际电信联盟ITU发布了超高清电视标准的建议，经过近五年多的开展，中央电视台在4K超高清电视内容的拍摄和制作方面有了一定的积累，在节目交换、播出发布、流程管理等方面进行了充分调研和测试，在HDR、三维声等方面进行了初步探索。随着HDR的推出，UHD应理解为更好的像素，而不是以往单纯的理解成更多的像素。 近期，工信部、国家播送电视总局、中央播送电视总台印发超高清视频产业开展行动方案〔2023-2023年〕。文中指出，超高清视频是继视频数字化、高清化之后的新一轮重大技术革新，将带动视频采集、制作、传输、呈现、应用等产业链各环节发生深刻变革。加快开展超高清视频产业，对满足人民日益增长的美好生活需要、驱动以视频为核心的行业智能化转型、促进我国信息产业和文化产业整体实力提升具有重大意义。 一.国内4K播出系统的现状 在4K播出方面，广东省成为我国第一个吃螃蟹者，广东播送电视台在2023年底正式开播4K超高清电视试验频道，成为我国4K开展史上的一个里程碑。 中央电视台已建成4K超高清试验频道并在2023年10月1日正式开播。 阜阳在接下来将要进行的播出和总控改造，将采取全IP化的方式搭建3+1系统，即3个高清频道+1个4K频道。 播出文件格式的选择以及相关问题 央视以及广东电视台采用的播出根底参数如以下列图： 二.超高清播出设备现状 1. 4K视频效劳器 播出信号选择方面，目前绝大多数进口视频效劳器，只支持4x3G和IP，在12G SDI的道路上踌躇，不过据了解，哈雷的视频效劳器有望在2023年底支持12G SDI信号的播出模式。目前每台单机都只支持1通道编解码，多通道需求的情况下，需要外置存储或者专用主机进行扩展。 国内视频效劳器厂商产品以集播控、切换、图文、字幕等功能于一体的ALL-IN-ONE架构视频效劳器为主，信号选择上以IP为主，也可满足4x3G和12G SDI，并以价格低廉，功能完善，平安性可靠等优点，在备份系统的设计中受到广泛青睐。但由于IP模式尚未成熟，故多将该种视频效劳器用于备份链路使用。 播出文件选择方面，除了目前流行的XAVC-I外，XAVC也支持longGOP约200Mb的文件模式，即XAVC-L，但依目前情况来看，该指标对计算性能要求太高，众多厂商都表示目前难以实现。因此，500Mb的XAVC CLASS 300文件格式依旧是目前主要选择对象。目前主流进口视频效劳器，包括哈雷、imagine、GV等根本也只支持500Mb的XAVC I-Frame Class 300封装的4K文件。目前这也是央视采用的标准。该格式采用帧内编码，质量好，实际可以理解为制作交换格式。带宽、容量、计算量等各方面壓力巨大。 2. 4K周边设备 包括信号转换设备〔4x3G、12G、IP间的互转〕、切换设备〔切换矩阵和切换台〕、字幕图文包装、介质录放机、SDN交换机、监听监看等播出周边设备对于4K的支持，总体上来说比拟完善，但在对不同播出信号的支持方面，各家却参差不齐，很难在一家供给商找到完善的解决方案，必须要在多家提供商之间进行设备拼凑才能满足实际播出需求，因此，各个厂商设备之间的连通性问题就凸显出来，这方面的完善，需要经过大量的互通性测试。下面简单介绍国内主流设备提供商的设备支持情况： ·4K处理转换类设备 实现HD-4K，12G-4x3G等格式之间的互转，GV、AXON、PESA、EVERTZ等主流厂商都有产品。 浅压缩，科维新板卡支持但12G和4×3G的信号输入，编解码卡之间通过IP互联。 实现4K over IP方面，GV有假设干款产品。IP接口采用的25Gb端口，SDI接口采用4x3G输入输出，支持向下兼容HD；Imagine只有一款产品SNP，但功能比拟强大，支持8路4K信号处理，支持静/净切换，下变换等功能。IP接口采用的100Gb端口，SDI接口采用4x3G输入输出，支持向下兼容HD。 ·4K切换开关/切换台 GV有兼容12G/4x3G的产品，据称还有一款支持4K基带IP的切换台会在年底发布。 ROSS有的周边产品覆盖面相对较广，而且已经有支持单根12G的相关设备，其中包括：视分，帧同步，键控器，16X16矩阵，多画面，IPG网关〔IP-12G互转〕。 PESA的12G小型矩阵支持切换开关功能，键控功能在近期发布。 AXON代理了一款韩国的产品，具有12G切换台等产品。 ·4K矩阵产品 GV-SAM有大矩阵，传统架构，规模最大，但很贵。 ROSS有12G的矩阵，有大、小两款，性价比拟好。目前演播室、转播车用的较多。该产品是一个多功能产品设计，针对转播车场景，可以把矩阵输入做帧同步、把矩阵作为多画面等特殊功能。但内部为软件处理，没有交叉点板，更不支持冗余交叉点板。 PESA有12G的矩阵，最大规模160x160，性价比拟好。目前演播室、转播车用的较多。支持冗余交叉点板等典型矩阵功能。 ·4K信号视分 主要是12G产品，PESA、ROSS、AXON〔韩国〕、GVSAM等品牌均有产品。 ·4K监看监听等产品 12G-SDI的多画面目前PESA和ROSS有；大洋使用Hp效劳器+自己的虹桥八代卡可用作多画面，高清可支持16路，4K可支持4路，目前4x3G、12G、IP均支持。 Imagine已经有4K IP多画面产品。 4K监视器： SONY和松下均推出一款支持4K的监视器，4x3G，支持HLG、SQ、SLOG3等曲线，HDR，BT.2023色域，价格较为昂贵，均在40W左右，而且监视器体积大。 TVLOGIC，4K监视器有12G和4x3G的接口，亮度到达1000nit。 国内有OSEE，支持4x3G、12G。价格以及画面效果等具体还需深入了解。 监听目前只有支持3G的，没有4x3G或12G的，但峰值亮度只支持800nit。但也有支持IP的〔ST2110模式下别离音频的监听，需要测试〕。 ·4K字幕包装 目前新奥特已经提供了4K的A10字幕机和4K的石墨图文包装等产品线。 进口厂家均为图文包装类产品，非常昂贵。目前也以支持4x3G为主。 ·4K延时器 廣州波视、格非都发布了4K的延时器，目前是4x3G的，有望支持12G和IP。 ·4K同步产品 泰克公司的同步发生器〔SPG8000〕和测试信号发生器〔TG8000〕能够为复杂环境提供各种各样的基准信号和测试信号。而泰克自动切换单元〔ECO8000/ECO8020〕可以可实现两台同步机主备倒换。 SPG8000A是一款精密的多格式主控同步和主控时钟发生器，适用于混合同步发生器和PTP 〔IEEE 1588〕主控时钟参考信号发生器应用。可满足方案从传统基于SDI的根底设施分阶段迁移到基于IP的视频〔包括现场制作〕根底设施的客户的新需求。 ·4K应急介质机 索尼和松下均推出了面向4K的应急介质机。SONY称介质机虽支持vdcp控制协议，但在实际测试中并没有到达预期效果，目前索尼的应急介质机正在央视进行测试。 松下新推出8K介质录像机，价格不菲。 ·SDN交换机 华为公司，已经发布支持25G/100G端口的路由器。有全球独有的净切换功能，但不支持静切换。价格比拟贵。 H3C公司，已经发布支持25G/100G端口的SDN交换机。不支持净/静切换。 ·SDN管理软件 SDN即软件定义网络，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面别离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。 在从SDI向IP过渡，就是从静态的信号架构，向动态信号架构转变的过程。管理一个动态的系统，且要实现广电所见即所得的管理特点，软件是IP系统的核心产品。 在传统的制播网络中，去中心化是网络设计的一大目的，但由于SDN概念的开展，并结合目前制播网络的应用，中心化的概念再一次被提上了风口浪尖，将SDN的核心计算放在效劳器集群或云上，以提升计算能力要求来到达节省计算时间的目的。因此，基于SDN的集中化将会是传统制播网络升级的必然趋势。 三.基带信号选择分析与思考 1. 4x3G-SDI 〔1〕优势 各厂家的4K处理设备过去几年的输入输出均采用4x3G，设备成熟；传输设备包括视分/帧同步/切换器等可以用完全成熟的3G产品〔每路信号用4台/块〕。GV独家有4x3G切换台产品供货〔同时兼容12G〕。 截止目前，绝大局部进口厂家的4K视频效劳器、编码器设备，都只支持4x3G信号输入输出格式。因此，可以立刻搭建出一套比拟完善的播出系统，而且可以保证传统的播出平安架构。但据了解某些厂家有只支持SQD而不支持2SI的情况，如果做集成，需要提前沟通确定细节。 4x3G 2SI模式，后者可以在确保假设干路信号丧失情况下，后端依然可以恢复视音频内容，因此监看的时候可以只取一路，节约监看监听环节的本钱。 〔2〕缺点 线缆太多，设备太多，需要更多的空间且部署本钱高昂。 4根线传输信号，长期运行会遇到同步漂移的问题。需要回到模拟分量时代的管理方式，即每过一段时间，逐个环节检查同步——维护管理倒车。虽然2SI模式可以一定程度防止这个问题，但如果作为正式播出频道，一定会成为一个负担。 4x3G系统先进性不高，没有技术上的创新，花费巨资搭建的系统很快会被淘汰，造成资金浪费。随着基带IP技术和12G-SDI技术的开展，4x3G也必然被淘汰。尤其在总控环节根本不可接受。 2. 12G-SDI 12G-SDI技术的热点在于演播室、转播车等现场制作环节，尤其是在轻量化4K现场制作场景中，开展很快。因此，某一些视音频厂商的产品在这个领域成熟较快。 这种方式是对于四线3G的优化改良，技术上并没有什么变化，仅仅是减少了空间和线缆数量的问题。 〔1〕优势 信号架构可以完全回到了目前大家熟悉的单线同轴模式。 绝大局部产品已经有供货，包括切换开关、切换台、键控器、4x1、多画面，矩阵也可以到144x144以上规模。且性价比拟好。 〔2〕劣势 进口视频效劳器、编码器没有支持的，但国产的都可以支持，所以如果采用进口产品，局部环节必须用转换器实现信号的归一化。 传输距离受限〔加奈美的L-5.5CUHD直线测试极值100米〕，更远距离需要采用光端机。且经测试，跳线环节会引入较大的衰减，衰减量在20%左右。因此，在目前末级广泛采用4x1模式下，建议取消绝大局部跳线环节，减少信号传输衰减。从目前在HD的经验，在播出内使用问题不大。 目前12G-SDI暂时没有继电器产品，所以所有的产品的背板均不支持掉电旁通。据悉这类产品可能在明年〔2023年〕出现。 〔3〕分析和建议 在频道规模不大的情况下，又不想太多改变管理模式，建议采用12G-SDI模式搭建播出系统。 优势在于：可以快速上线、架构成熟。性价比拟高，管理模式可以几乎不变，人员适应本钱最低。 不支持掉电旁通带来了一定程度风险，但从应急角度，比4x3G可能还是更简单可靠。而且，等12G继电器技术成熟后厂商直接更换背板。 3. IP 〔1〕基带IP协议的现状 ST2023-6：成熟协议，解决了嵌入式SDI信号和IP的封装问题。不需要PTP同步即可工作。但需要>12G的带宽。4K系统中采用对带宽和端口会造成压力，不建议使用，央视的标准也没有选用。各厂商也没有支持的动力。 ST2110：正在完善协议，已经解决了视频、音频、元数据等数据通过IP进行封装的问题。必须要PTP同步才能工作。只需要<9G的带宽，大量节省带宽。 ST2059：定義了视音频IP设备如何采用PTP时钟进行同步。协议本身已成熟。 IS04/05/06：定义了视音频IP设备在网络内如何自发现、注册等工作方式，最终效劳于统一网络管理的需求。目前只发布了IS