4K超高清播出系统的分析与研究

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　　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发展，开播4K超高清频道势在必行。2012年国际电信联盟ITU发布了超高清电视标准的建议，经过近五年多的发展，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、国家广播电视总局、中央广播电视总台印发《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022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。加快发展超高清视频产业，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，广东广播电视台在2017年底正式开播4K超高清电视试验频道，成为我国4K发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2018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基础参数如下图：
　　二.超高清播出设备现状
　　1. 4K视频服务器
　　播出信号选择方面，目前绝大多数进口视频服务器，只支持4*3G和IP，在12G SDI的道路上踌躇，不过据了解，哈雷的视频服务器有望在2019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。
　　国内视频服务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架构视频服务器为主，信号选择上以IP为主，也可满足4*3G和12G SDI，并以价格低廉，功能完善，安全性可靠等优点，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，故多将该种视频服务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。目前主流进口视频服务器，包括哈雷、imagine、GV等基本也只支持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（4*3G、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，总体上来说比较完善，但在对不同播出信号的支持方面，各家却参差不齐，很难在一家供应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-4*3G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有若干款产品。IP接口采用的25Gb端口，SDI接口采用4*3G输入输出，支持向下兼容HD；Imagine只有一款产品SNP，但功能比较强大，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4*3G输入输出，支持向下兼容HD。
　　·4K切换开关/切换台
　　GV有兼容12G/4*3G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，性价比较好。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160*160，性价比较好。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服务器+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4*3G、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，4*3G，支持HLG、SQ、SLOG3等曲线，HDR，BT.2020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4*3G的接口，亮度到达1000nit。
　　国内有OSEE，支持4*3G、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4*3G或12G的，但峰值亮度只支持800nit。但也有支持IP的（ST2110模式下分离音频的监听，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4*3G为主。
　　·4K延时器
　　廣州波视、格非都发布了4K的延时器，目前是4*3G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。可满足计划从传统基于SDI的基础设施分阶段迁移到基于IP的视频（包括现场制作）基础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达到预期效果，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。价格比较贵。
　　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分离开来，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概念的发展，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的核心计算放在服务器集群或云上，以提升计算能力要求来达到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. 4*3G-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4*3G，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4*3G切换台产品供货（同时兼容12G）。
　　截止目前，绝大部分进口厂家的4K视频服务器、编码器设备，都只支持4*3G信号输入输出格式。因此，可以立刻搭建出一套比较完善的播出系统，而且可以保证传统的播出安全架构。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。
　　4*3G 2SI模式，后者可以在确保若干路信号丢失情况下，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成本。
　　（2）缺点
　　线缆太多，设备太多，需要更多的空间且部署成本高昂。
　　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模式可以一定程度避免这个问题，但如果作为正式播出频道，一定会成为一个负担。
　　4*3G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技术的发展，4*3G也必然被淘汰。尤其在总控环节基本不可接受。
　　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，发展很快。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的优化改进，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。
　　绝大部分产品已经有供货，包括切换开关、切换台、键控器、4x1、多画面，矩阵也可以到144*144以上规模。且性价比较好。
　　（2）劣势
　　进口视频服务器、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，部分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，建议取消绝大部分跳线环节，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（2020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。性价比较高，管理模式可以几乎不变，人员适应成本最低。
　　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
　　ST2022-6：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，最终服务于统一网络管理的需求。目前只发布了IS04，05、06尚未正式发布，目前各厂商跟进速度并不快。
　　ST2022-7：实现一个流传输的链路冗余，成熟协议。各厂商基本都支持。
　　（2）优势
　　IP方式相比于基带，可提供前所未有的高带宽，可以达到25G、40G、100G。可以很好的容纳4K系统在ST2110下9Gb/s带宽。
　　一根光纤可复用多个信号，因此可以简化布线空间和布线成本。而且采用单模光纤可以传输非常远的距离，在远距离传输的信号质量上可以得到保证。
　　IP协议与格式无关，所有的播出信号可以在一个交换机内调度。大量设备可以软件化，系统更灵活，可以做到资源共享，很好的适应融媒体时代。
　　（3）缺点
　　SDI时代的静态信号路由，在IP里变成了动态路由，使得信号在传输过过程中无法达到所见即所得的目的，必须依赖软件才能工作。
　　考虑动态路由容错，必须引入2022-7，会增加系统资源消耗，增加成本。技术均为IT技术，相对传统模式，可控性较差。以PTP为例，虽然具备了完善的master/slave等机制确保安全，但工作是完全依赖设备、交换机、时钟源之间的自动协商，理论上有失效的风险。
　　在管理模式上，原有的基于SDI的线路维护和应急操作模式基本全部作废。IP系统内，交换机将成为主题，交换机如何合理的配置网络参数，各个节点的IP地址管理以及大量的交换机维护工作等新型工作内容，不仅仅是对管理人员更是对运维人员的挑战，所有的问题都需要重新适应，要思考新的技术和管理方法，这需要在前期投入大量的时间和经验来实践出一套新的运维、管理模式。
　　（4）分析与建议
　　这是当下热议的4K素材传输和播出方式。虽然目前IP化的方式尚未成熟并存在诸多问题，但这是未来发展的必然趋势，这种趋势的推动下，用不了多久该技术就会趋向成熟，所以目前如果采用IP技术上播出系统，肯定是将播出安全的要求降低，就是要在长期运行中不断的发现问题、处理问题。以达到学习技术、培养人才、深化管理的目的，为未来系统全面IP化打好基础。
　　我们初步构想的IP与12G SDI混合的4K播出频道系统通路示意图如下。采用主、备和第三备通路，IP与12G SDI混合方式。
　　四.DTMB-A技术标准与4K数字地面电视广播
　　2015年7月8日，国际电信联盟（ITU）公布：由中国政府提交的中国地面数字电视传输标准的演进版本（D T M B-A，DTMB Advanced）被正式列入国际电联ITU-R BT.1306建议书“数字地面电视广播的纠错、数据成帧、调制和发射方法”，成为其中的系统E（如图3）。这标志着D T M B-A已经成为数字电视国际标准。数字电视地面广播传输演进系统DTMB-A，通过对帧结构、星座映射、纠错编码等部分进行改进，获得更优的系统性能。DTMB-A系统在8MHz带宽下，可支持5.00Mbit/ s～49.51Mbit/s的系统净荷数据率。
　　清华大学教授、北京数字电视国家工程实验室主任杨知行指出，中国数字电视DTMB标准是继美、欧、日之后的第四个数字电视国际标准。DTMB-A具有传输容量大、信号接收灵敏度高、抗干扰能力强、高速移动接收性能好等特征，是在原有DTMB标准基础上的增强和提高。DTMB-A主要技术特点包括：新的灵活帧结构大幅度降低接收机复杂度和能耗，灵活支持多种业务；支持256QAM/256APSK等高阶调制，使得数字电视传输演进系统频谱利用率相比于现有国标DTMB有明显提高；基于Golay-APSK的调制体制，在提高频谱效率的同时提高差错控制性能，保证传输的可靠性；新型LDPC码进一步降低载噪比门限；多天线发射分集技术获得空间分集增益，可消除传统单频网系统中“人工多径”的影响，获得更好的信号覆盖；基于时频二维信号处理的测距和定位算法，可实现在视距条件下的高精度、低复杂度的无线定位算法。
　　香港地面数字电视广播，一直在积极充当国家数字电视广播创新发展的先锋。2012年9月，香港电台及无线和亚视，联合北京数字电视国家工程实验室，在香港进行了DTMB-A测试（同时还进行E-DTMB数据业务的测试），虽然传输码率高达37.6Mb/s（最高可达近50Mb/s），显著提高了频谱的利用率和传输码率，并进一步降低了接收门限，效果达到甚至优于DVB-T2。在香港进行的DTMB-A测试验证了电视台直接利用DTMB系统来做，可以兼容DTMB系统原有的基础设施，传输容量显著提升；验证了DTMB-A高效率模式在香港复杂环境下也可以实现可靠接收，特别是在香港有山、有海、有潮汐等地理环境下。 　　2018年11月，数字电视国家工程实验室（北京）与清华大学在浙江嘉兴进行了中国首次超高清电视地面无线广播试验，实现了单频道单点发射超高清电视无线覆盖。这次超高清电视地面广播试验主要参数如下：
　　支持50或60帧4K超高清视频；
　　信道传输：DTMB-A，256APSK、LPDC码率；传输码率超过40Mb/s；发射频道：中心频率562MHz，8MHz带宽；发射功率1KW，发射塔天线高120m；覆盖范围达40KM。
　　通过现场选址，4K频道地面广播测试选定16个室外测试点和7个室内测试点进行了信号接收摸底测试，在接收机能够正常接收解码显示超高清电视节目的情况下，记录测试点接收信号场强。测试结果表明，采用DTMB-A传输的4K超高清电视广播频道可以覆盖嘉兴市区及郊区大部分区域。
　　2018年12月，国家广播电视总局规划院广播电视计量检测中心于对“嘉兴4K超高清地面数字电视系统”进行了系统检测，形成检测报告。检测主要结论说明：
　　（1）超高清视频格式与质量：视频分辨率3840×2160，帧率50f p s ，10b i t量化精度，B T.2020色域，5.1声道；
　　（2）IP化封装格式采用SMPTE ST 2110标准，视频2110-20，音频2110-30；切换调度时无丢帧，每帧完整，抖动小，IP视频切换输出码率不变；SDN交换机数据处理延时3微秒，丢包率0%；视频切换主观效果良好；
　　（3）地面数字电视4K频道采用嘉兴市规划使用的数字电视覆盖频道增补24频道进行测试，实现了通过无线方式在一个电视频道内播出超高清4K数字电视节目；采用DTMB-A标准传输，工作模式为256APSK，2/3码率，32K FFT，最小接收功率为-84dBm，净载荷39.61Mb/s；测试用的节目编码后的码流速率为36Mb/s；
　　（4）所测试10个室外固定接收点中，稳定接收点有9个，室外接收最远覆盖距离约39km；所测试7个室内固定接收点接收情况良好，7个测试点都可以稳定接收。
　　嘉兴地面数字电视4K频道技术试验超高清试点项目完成了国内首次超高清地面广播试验，覆盖范围较大、接收效果良好；采用了我国自主创新的核心技术，系统实现以国产化设备为主，为大力发展4K超高清电视地面广播进行了有益探索，同时也证明我国4K超高清电视地面广播技术和产业化条件已基本具备。
　　四.4K播出系统研究总结
　　（1）4K播出频道系统整体技术可行，具体技术细节需按照安全播出的要求，还需进一步细化与深化，避免与减少技术风险。
　　（2）全台4K技术系统是个整体系统，各技术环节需整体规划（总控、演播室、播出频道等分系统），相互进行匹配与优化，达到整体最优。
　　（3）针对节目部门进行交流，根据节目部门需求和播出安全角度出发，应在进入播出系统或者播出流程之前，做到节目格式统一化。
　　（4）在穩步推进4K播出频道系统的实施，探索8K播出频道系统。做到4K先行，兼顾8K。
　　（5）随着北京2022年冬季奥运会的临近，建议在推进4K数字地面电视广播的实施。
　　（6）建议在超高清系统中应用SDI/IP混合网络架构，发挥SDI和IP各自的优点，是比较现实的策略。重点研究IP技术与产品。B&P
　　参考文献
　　[1] 工信部、国家广播电视总局、中央广播电视总台印发《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》
　　[2] 《广东广播电视台4K超高清电视播出控制、管理及监控平台设计》
　　[3] 《嘉兴超高清4K电视频道设计与测试》
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