范可川 蒙文凱

摘? 要：科學技術的進步促進了許多行業(yè)的創(chuàng)新。隨著4K乃至8K超高清電視技術的發(fā)展，超高分辨率電視節(jié)目制播的應用需求與日俱增。本文基于電視制播系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及面向超高清電視發(fā)展所必須解決的技術問題，提出基于IP技術架構的解決方案。核心思路是將SDI基帶信號轉換為IP數(shù)據(jù)包，從而大大提高超高清電視節(jié)目制作與傳輸?shù)男阅芘c效率，使超高清電視制播技術真正在應用領域及市場化推進上邁出堅實的一步。

關鍵詞：超高清數(shù)字電視;4k;8k;制播技術;IP化技術? ? ? ? ? ? ? ? ? 中圖分類號：TN949.197? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1671-0134（2020）08-117-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.08.031

本文著錄格式：范可川，蒙文凱 . 超高清數(shù)字電視的IP化技術探討[J].中國傳媒科技，2020（8）：117-119.

在電視技術高速發(fā)展的今天，大屏化以及超高分辨率視頻圖像的呈現(xiàn)已經日益普及。廣播電視已進入了4K超高清技術高速發(fā)展階段，近年來包括央視在內的多個廣播電視臺已經陸續(xù)開展了4K超高清電視節(jié)目的制作與播出工作。2018年10月1日央視CCTV4K超高清電視頻道通過衛(wèi)星及全國有線網絡播出，標志著超高分辨率電視技術應用進入嶄新的發(fā)展階段。由于4K、8K超高分辨率視頻信號制作與播出對相關的技術要求很高，原有的電視系統(tǒng)很難滿足超高清電視制作與傳輸?shù)囊螅录夹g的應用與發(fā)展迫在眉睫。

1.傳統(tǒng)電視制作播出系統(tǒng)架構面對4K超高清制作所存在的問題

廣播電視技術已進入了一個媒體深度融合、新技術應用層出不窮的高速發(fā)展階段。經歷了高清晰度電視（HDTV）穩(wěn)定成熟的發(fā)展階段后，4K超高清晰度電視（UHDTV ）技術以其更高的畫面分辨率、更寬的色域以及更高的動態(tài)范圍，極大地超越了原來高清晰度電視給觀眾帶來的視聽體驗。超高的畫面分辨率及高動態(tài)圖像、3D全景音頻能夠帶給用戶更震撼、更貼近真實的觀看感受。傳統(tǒng)標清電視（SDTV）傳輸系統(tǒng)標準SMPTE295，帶寬為270Mbit/s;高清電視（HDTV）傳輸系統(tǒng)標準SMPTE292，帶寬為1485 Mbit/s;4K超高清電視（UHDTV）標準SMPTE2036，帶寬為11880Mbit/s。綜合比較分析，4K信號所占帶寬是2K高清信號的8倍。通常情況下，傳統(tǒng)的基帶4K超高清視頻制作包含4×3GB SDI（Serial Digital Interface，數(shù)字分量串行接口）和12GB SDI兩種方式傳輸。4×3GB SDI方式需要大量布線，設備之間連線復雜，電纜數(shù)量幾乎是現(xiàn)有系統(tǒng)的四倍;而12GB SDI方式的傳輸距離是短板。因此，對于電視技術人員來說，必須利用更為先進的IP技術，有效地解決上述問題。

2.超高清數(shù)字電視IP化技術探討

如今IP技術在中國電視制播應用技術相對成熟，涵蓋高清電視節(jié)目前后期制作編輯、信號傳輸、信號監(jiān)控和測評等。音視頻數(shù)據(jù)流和辦公文件流可以混合傳輸使用，同時二者可以維持一種互相不干擾、互相補充的狀態(tài)。現(xiàn)有的SDI-over-IP技術可以完全替代傳統(tǒng)方法。這種新的基于IP網絡構建的IP化矩陣使用IP交換機+ SDN技術取代傳統(tǒng)的SDI矩陣架構。SDN網絡架構可通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的管理調配，為視音頻信號等提供更多傳輸通道，確保信號的傳輸質量。SDI-over-IP相對傳統(tǒng)的輸入輸出接口，還可以有效地將基帶信號快速轉換為IP數(shù)據(jù)包，輕松地調度信號的輸入和輸出，支持多路數(shù)據(jù)傳輸，并在以太網高效傳輸。

2.1全面優(yōu)化IP化技術系統(tǒng)結構

使用高分辨率數(shù)字IP技術，其中，IP化的系統(tǒng)可以利用虛擬化、大數(shù)據(jù)和云計算等尖端技術來優(yōu)化系統(tǒng)結構，共享資源，加強各個部門之間的協(xié)作以及系統(tǒng)管理經驗，大大提升了工作效率。同時由于IP技術架構在各種開放平臺中的廣泛應用，可以擴展交互式多屏功能的業(yè)務發(fā)展;這些功能有助于促進電視臺等傳統(tǒng)媒體實施開展的新媒體業(yè)務，彌補不足和缺點，提高競爭力。在實施超高清數(shù)字電視IP化后，實現(xiàn)三網之間的協(xié)議統(tǒng)一，解決各個網絡存在的問題，實現(xiàn)傳統(tǒng)媒體與新興市場的融合，滿足新媒體時代人們不斷增長的需求。

2.2增加網絡系統(tǒng)的擴展性

由于IP網絡的技術架構相對比較簡單，其網絡架構具有易于配置、管理維護高效便捷的特點。利用 IP網絡架構技術可以輕松實現(xiàn)超高清電視信號的混合調配、超遠距離傳輸，日后系統(tǒng)擴容發(fā)展也易于操作;IP架構下電視設備只需接到互聯(lián)網網關設備，就可以輕松地完成電視畫面質量在標準分辨率、高分辨率和超高分辨率之間的轉換。而目前傳統(tǒng)SDI技術設備的通用性能仍然很低，國產設備在SDI設備核心技術的掌握上相對落后，而國外SDI設備產品的價格又普遍過高。反而在IP技術領域，中國本土產品的起點很高，國產化程度高，發(fā)展前景廣闊，可以大大降低建設IP架構系統(tǒng)的成本。

3.電視制播系統(tǒng)實現(xiàn)IP化的技術解決方案

3.1解決方案的整體思路

在4K超高清電視節(jié)目制作傳輸過程中，技術人員需要采用有效的解決方案來解決網絡速度和傳輸?shù)膯栴}，IP技術則為電視制播網絡提供了有效的解決方案。利用IP網絡技術和光纖特性來實現(xiàn)SDI信號和IP分組數(shù)據(jù)（SDI-over-IP）信號的有效轉換。這樣不僅可以解決4K技術下電視節(jié)目制作過程中出現(xiàn)的技術問題，還可以進一步解決網絡傳播速度的問題。

在電視臺制作和播出業(yè)務中，包含文件域和信號域兩類場景。文件域從其誕生開始，經歷了從單機到網絡到全臺網的發(fā)展，已經實現(xiàn)了基于IP化的架構模式;信號域目前全國都尚處在傳統(tǒng)SDN網絡架構模型，IP化尚在探索階段。隨著SDI-over-IP框架的成熟，在演播室、播出系統(tǒng)的建設中，可逐步采用IP化網絡進行信號域的試點，再逐步推廣到全信號的IP化。最終實現(xiàn)信號域和文件域基于IP網絡技術充分融合，全臺系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一維護，實現(xiàn)基于IP的軟件定義電視臺的技術目標。

由于傳統(tǒng)SDN架構硬件鏈路不具備彈性，在系統(tǒng)升級換代時需要推翻重建;在4k超高清系統(tǒng)建設中每路信號都要被拆成4路3G SDI傳輸，矩陣端口需求是高清的四倍，規(guī)模越來越大;按原來的SDI技術架構繼續(xù)發(fā)展越發(fā)困難。而IP架構具有可利用現(xiàn)有IT成熟技術、格式無關、靈活彈性等優(yōu)勢，行業(yè)標準化組織如EBU、SMPTE、AMWA、NOMS等都在致力推動媒體信號域架構IP化的發(fā)展，一系列標準，如ST 2110、ST2059、IS04、IS05等協(xié)議標準，也取得了較廣泛共識與支持。在此基礎上，信號域全IP化已經成為現(xiàn)實。在基于IP的網絡體系結構中，大多數(shù)電視制作設備和傳輸系統(tǒng)雖然只需要使用一種網絡方法進行制作，但是卻需要更多的設備進行SDI信號轉換。由于網絡連接方法是雙向多通道連接的，可以幫助優(yōu)化電視制作網絡的技術架構，可以有效地提高電視信號的傳輸效率和質量。此外，在傳輸層面，技術人員可以充分利用IP技術來傳播其他有價值的電視制作信息，以提高帶寬傳輸應用程序的效率，進一步將應用程序的功能最大化。

3.2解決方案的優(yōu)化

3.2.1解決方案存在的不足

將傳統(tǒng)SDI信號轉化IP數(shù)據(jù)包的過程中，必須考慮信號的轉換、控制以及設備的兼容性，同時也要考慮傳統(tǒng)制播體系相對落后的設備現(xiàn)狀。在傳輸階段，會存在嚴重的信號延遲問題，對電視系統(tǒng)的性能產生不利影響。通常電視制作時發(fā)生的信號延遲必須控制在5幀以內。同時電視信號傳輸?shù)难舆t也要求控制在嚴格的范圍內。

3.2.2解決方案的優(yōu)化對策

數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，大多數(shù)10G交換機在交換大型數(shù)據(jù)包（視頻信號）時產生的延遲相對較小。與高清電視（1080/50i）信號相比，過渡延遲更長，相對于2K技術來說，4K超高清信號延遲的持續(xù)時間超過了18微秒。同時，如果具有相對良好網絡環(huán)境的網絡交換機（例如局域網）就會以恒定的速度與同步系統(tǒng)進行鏈接。IP網絡體系結構解決方案可以有效防止信號不好而引起的信號延遲問題。

電視制播系統(tǒng)采用時間同步技術來避免信號延遲問題，傳統(tǒng)的SDI基帶信號系統(tǒng)中我們采用BB鎖相式來處理視頻信號的同步。而對于IP系統(tǒng)中的超高碼率的信號則需要相應的IP網絡同步技術來處理同步問題，即依靠PTP（精確時間協(xié)議）來實現(xiàn)IP網絡電視信號超高碼率傳輸?shù)臅r間和頻率的同步需求，其時鐘同步精度達到納秒量級。很好地解決了信號在以太網傳輸中的同步瓶頸，尤其是基于SDI-over-IP技術處理的電視信號。SMPTE基于PTP第2版的標準（ SMPTE2059），專門用于廣播電視應用。SMPTE ST2059-1/2規(guī)定了專業(yè)廣電環(huán)境中時間和頻率同步的精確時間同步，協(xié)議規(guī)定必須準確地同步系統(tǒng)的主時鐘（由同步系統(tǒng)實現(xiàn)的時鐘）和從時鐘（包括時鐘開關和SDI IP轉換到終端），特別是主時鐘和從時鐘系統(tǒng)之間的參考時間變化（偏移量表示）。在數(shù)據(jù)包通信期間，主時鐘和從屬系統(tǒng)會受到信號線更換的影響。最高時鐘的精確時間同步原理如下：在系統(tǒng)中，主時鐘在指定的時間段內（通常每秒一次）傳輸消息信息，并響應系統(tǒng)從時鐘的總時間和消息。想獲取信息即發(fā)送時間信息標注并添加其它相關信息的“時間戳”;接收器則根據(jù)時鐘歷史記錄計算網絡延遲和參考誤差。為了應對因各種設備故障導致的主時鐘信息丟失的情況，PTP協(xié)議定義了下一個具有時間精確度的設備自動接替主時鐘的功能。

4.電視制播系統(tǒng)IP化網絡架構解決方案技術分析

實際開發(fā)過程中，基于IP體系結構的解決方案具有以下優(yōu)點。

首先，IP化網絡架構解決方案技術架構簡單，可以進一步減少電視設備和電視系統(tǒng)所需的電纜連接數(shù)量，減少了設備的接口，系統(tǒng)設計相對簡單?；诰W絡傳輸?shù)碾p向特性，IP系統(tǒng)所有設備都連接至IP交換機，視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)等都可在同一根網線中傳輸，極大簡化了系統(tǒng)架構。

第二，基于IP網絡架構的電視制播系統(tǒng)具有很高的靈活性。電視技術人員利用成熟的網絡技術設計的電視制播系統(tǒng)，能夠利用IP架構通過軟件技術來替代傳統(tǒng)電視制播系統(tǒng)的硬件功能去實現(xiàn)電視前期制作、信號傳輸?shù)阶罱K播出的系統(tǒng)功能，大大簡化了系統(tǒng)結構、降低了系統(tǒng)運維成本，實現(xiàn)對系統(tǒng)高效便捷的管理。

第三，IP化網絡架構解決方案技術具有易于升級擴容的優(yōu)勢。基于IP技術架構的電視制播系統(tǒng)可以參照統(tǒng)一的技術標準進行升級擴容，從而大大簡化電視制播系統(tǒng)的升級改造及日后的擴容發(fā)展。

5.超高清電視技術IP化發(fā)展的意義

處于高速發(fā)展時期的媒體行業(yè)正面臨前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，新技術、新媒介的不斷涌現(xiàn)，促使我們必須利用全新的技術體系來適應廣播電視技術的高速發(fā)展。[1]當前媒體融合的大背景下，超高清電視IP化系統(tǒng)建設要求電視臺必須進行技術創(chuàng)新，搭建全新的電視制播技術架構;IP化將大大推動全臺網絡化、云技術等部署的進程。同時，新的技術應用對電視臺技術人員也是一個機遇和挑戰(zhàn)，在學習、理解、適應IP化技術的過程中，提高了自身核心競爭力。[2]新的IP技術使超高清電視信號在采、編、播及傳輸過程中避免了過多編解碼過程造成的信號損失，最大限度保障了節(jié)目的質量。[3]傳統(tǒng)電視技術中，視頻、音頻、以太網、光纖網等線纜密布，給升級、維護帶來很大的技術難題?；贗P以太網交換技術可實現(xiàn)靈活的管理和配置。[4]擴大對新媒體的支持。新媒體業(yè)務所需的文件通常碼率比較低，但根據(jù)許多新媒體平臺版本來看，通過IP方法進行內容分散和接收，減少了系統(tǒng)設置以及默認值的操作過程，相對統(tǒng)一的封裝格式減少了跨不同平臺的不同制造商的生產系統(tǒng)之間的障礙，為潛在的新業(yè)務支持提供了一個開放、靈活和獨立的發(fā)展基礎。

結語

在超高清電視技術發(fā)展已成為主流的今天，相關電視技術人員必須意識到傳統(tǒng)電視技術系統(tǒng)的短板，通過學習全新的IP技術方案來解決所遇到的問題。隨著IP技術的成熟，傳統(tǒng)廣電技術走向IP 化，將大大拓展廣電發(fā)展空間，使超高清電視技術應用走入千家萬戶，為廣大觀眾提供更高質量的電視節(jié)目。

參考文獻

[1]徐儉，馬春，徐有聰.媒體融合時代電視中心IP化基礎架構技術初探[J].廣播電視信息，2017（3）：64-67.

[2]韋安明.電視中心基礎架構IP化探討[J].廣播與電視技術，2015，42（4）：18-21.

[3]賈宏君，李曉宇.2016年SMPTE電視技術標準化跟蹤研究[J].廣播與電視技術，2017，44（3）：155-160.

[4]董峰.SDI-over-IP關鍵技術研究[J].現(xiàn)代電視技術，2018（11）：109-112.

作者簡介：范可川（1964-），男，廣西陸川縣，高級工程師，研究方向：廣播電視技術、超高清數(shù)字電視節(jié)目制作、播出;蒙文凱（1968-），男，廣西橫縣，高級工程師，研究方向：廣播電視技術、超高清數(shù)字電視節(jié)目制作、播出。