高 宇

（北京廣播電視臺(tái)，北京 100022）

0 引言

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展讓VR 全景視頻成為觀眾進(jìn)行新型賽事體驗(yàn)的渠道。觀眾不僅可以觀看更具空間效果和立體效果的視頻，還能在仿真空間下體驗(yàn)虛擬的現(xiàn)實(shí)場景，沉浸式地體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)的樂趣。在2016 年的里約奧運(yùn)會(huì)播出平臺(tái)中，NBC、CBC及BBC 等電視臺(tái)就已經(jīng)推出了體育賽事的VR 觀看客戶端，甚至在進(jìn)行轉(zhuǎn)播時(shí)，專門設(shè)計(jì)了針對整個(gè)賽事流程的VR 組件，實(shí)現(xiàn)了對某些體育項(xiàng)目的VR全景播放，大大提高了觀眾的臨場體驗(yàn)感。同時(shí)，伴隨VR 技術(shù)的發(fā)展和用戶數(shù)量的不斷擴(kuò)大，很多移動(dòng)智能終端和社交媒體平臺(tái)都推出了VR 視頻的播放功能，以適應(yīng)越來越多的VR 視頻內(nèi)容的發(fā)布和觀看需求。VR 全景視頻的制作和傳輸需要更先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)的支持，5G 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)能力能夠充分滿足VR 視頻制作和傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)場景。

1 5G 技術(shù)對VR 內(nèi)容生產(chǎn)的主要作用

1.1 為用戶的觀看提供強(qiáng)大的寬帶支持

5G 通信技術(shù)可以提供超過1 Gb·s-1的帶寬，從而滿足每個(gè)用戶的VR 視頻觀看需求和體驗(yàn)。理論上來說，在1 km2內(nèi)，5G 技術(shù)條件下的寬帶速度能夠滿足幾萬名用戶的高清VR 視頻觀看需求。如果視頻的碼率較低，則可以支持更多用戶的觀看需要。

1.2 減少用戶觀看視頻的時(shí)空限制

盡管目前VR 視頻的主要觀看場景仍然較為固定，但隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和移動(dòng)智能終端功能的完善，在乘車、運(yùn)動(dòng)等碎片化的時(shí)間中，用戶有了越來越多的VR 視頻觀看需求。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在行駛的車輛、偏遠(yuǎn)的高山等地信號(hào)較差，無法滿足VR 視頻的傳輸和觀看，甚至普通視頻的觀看也會(huì)出現(xiàn)卡頓和延遲[1]。5G 網(wǎng)絡(luò)的高移動(dòng)性能夠有效解決網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和網(wǎng)速的問題，從而有效滿足不同時(shí)空中用戶的視頻觀看需求。

1.3 保障高碼率VR 視頻的直播采集

VR 視頻的采集需要使用專門的VR 攝像機(jī)。在傳統(tǒng)的VR 視頻制作中，為了保障視頻的高畫質(zhì)和高碼率，一般采用轉(zhuǎn)播車進(jìn)行視直播采集的保障。伴隨著5G 的發(fā)展和相關(guān)配套技術(shù)產(chǎn)品的使用，高碼率的VR 視頻采集可以通過移動(dòng)攝像機(jī)、無人機(jī)等設(shè)備經(jīng)5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且5G 網(wǎng)絡(luò)的高移動(dòng)性和帶寬支持能夠保障視頻采集和傳輸?shù)牧鲿承?。這讓現(xiàn)代體育賽事的VR 視頻采集和傳輸變得更加快捷，也大大降低了直播的成本，提高了視頻直播的靈活性。

2 5G+VR 電視制播技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國的5G技術(shù)作為一項(xiàng)重要的國家發(fā)展戰(zhàn)略，技術(shù)水平位居世界前列。根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《2021 年通信業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，截至2021 年年底，我國的5G 基站超過142 萬個(gè)，覆蓋了90%以上的城區(qū)和40%以上的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，用戶規(guī)模達(dá)到4.5 億。5G技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，給我國體育賽事電視制播技術(shù)的更新發(fā)展提供了有利條件[2]。中央廣播電視總臺(tái)CCTV 進(jìn)行了多次5G 環(huán)境下的VR 視頻信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸以及遠(yuǎn)程制作的試驗(yàn)，對5G+VR 在技術(shù)適配和業(yè)務(wù)流程方面進(jìn)行了針對性的探究和完善。2021 年，作為第十四屆全國運(yùn)動(dòng)會(huì)（以下簡稱全運(yùn)會(huì)）官方合作伙伴，中國電信在5G+云網(wǎng)技術(shù)的支撐下，能夠?yàn)橛^眾提供“自由視角觀賽、多視角觀賽以及VR 直播觀賽”3 種觀賽模式。中國移動(dòng)基于5G+AI+VR 等新技術(shù)，量身定制包括自由視角、VR 直播、多視角三種智慧觀賽模式，在第十四屆全國運(yùn)動(dòng)會(huì)期間提供了7 場比賽直播。本文將以此次體育賽事為例，系統(tǒng)闡述5G+VR 電視制播技術(shù)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

2.1 前期準(zhǔn)備

第十四屆全國運(yùn)動(dòng)會(huì)的VR 制作雖然已經(jīng)有不少參考，但仍處于探索和優(yōu)化階段。因此，前期進(jìn)行了充分的方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作。其中，主要是對5G+VR 視頻制播的方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。技術(shù)團(tuán)隊(duì)首先了解了本次運(yùn)動(dòng)會(huì)的比賽場館和項(xiàng)目。本次賽事共計(jì)有陜西奧體中心體育館、韓城西安交大基礎(chǔ)教育園區(qū)體育館、商洛市體育館等53 個(gè)場館。主會(huì)場為陜西省奧體中心體育館，位于陜西奧體中心南區(qū)，全運(yùn)會(huì)的開閉幕式都在這里舉行。由于疫情防控和其他因素，第十四屆全運(yùn)會(huì)場館較多，且場館和賽事多樣，要實(shí)現(xiàn)全景式的VR 視頻呈現(xiàn)難度較高，因此只能采用小型化和靈活度較高的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集單元的覆蓋。

在全運(yùn)會(huì)開始之前，為了保障賽事的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播，通信運(yùn)營商搭建了多個(gè)5G 基站，覆蓋了主要的比賽場館和重點(diǎn)區(qū)域。中國移動(dòng)和中國電信的VR 視頻技術(shù)小組把VR 攝像機(jī)與5G 網(wǎng)絡(luò)接入、綁定，組成了多個(gè)移動(dòng)的VR 采集單位，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)源部分的高效采集。同時(shí)，為了滿足多個(gè)場館賽事的直播需求，將VR 視頻的切換、編輯及編碼推流系統(tǒng)集中設(shè)置在陜西國際體育之窗的賽事指揮中心，從而保障賽事的VR 視頻直播能夠集中進(jìn)行切換和編輯制作。全運(yùn)會(huì)賽事指揮中心在國內(nèi)大型賽會(huì)轉(zhuǎn)播中也是第一次實(shí)現(xiàn)在廣播電視中心搭建融媒體指揮調(diào)度中心，第一次大規(guī)模使用4K/8K 技術(shù)進(jìn)行直播，第一次大規(guī)模使用云計(jì)算技術(shù)、5G 技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)播。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括信號(hào)的回傳、制作協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及直播推流等多個(gè)模塊。整個(gè)系統(tǒng)是以壓縮的視頻流為核心的IP 化架構(gòu)。

2.2.1 VR 信號(hào)采集回傳

信號(hào)采集回傳是拍攝工作的主要任務(wù)。為了能夠靈活地在多個(gè)大型體育場館中實(shí)現(xiàn)盡可能多的視頻信號(hào)拍攝和傳遞，所采用的攝像機(jī)主要是便于攜帶的一體式VR 全景攝像機(jī)。這種攝像機(jī)相比于組合的獨(dú)立攝像機(jī)在體積和重量上都更具優(yōu)勢，而且能夠一次性完成針對所有鏡頭的參數(shù)調(diào)校。相機(jī)內(nèi)部的陀螺儀能夠有效確保畫面的穩(wěn)定性，內(nèi)置的拼接和變化模塊還能高效地完成高清視頻的輸出。

2.2.2 流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器

一體式的VR 拍攝設(shè)備既能滿足VR 視頻制作和觀看的專業(yè)需求，也能面向一般的視頻制作和觀看需要，因此其內(nèi)置的編碼模塊雖然可以進(jìn)行高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）壓縮，但輸出的視頻流還是實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié) 議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）或 者基于HTTP 的自適應(yīng)碼率流媒體傳輸（HTTP Live Streaming，HLS）協(xié)議。對于廣電媒體制作機(jī)構(gòu)來說，通過網(wǎng)絡(luò)完成高質(zhì)量視頻的回傳，通常采用的是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP），因此需要在后方專門為視頻流的中轉(zhuǎn)配置一套具有流媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能的服務(wù)器，來實(shí)現(xiàn)從RTMP 協(xié)議到UDP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

2.2.3 制作協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器

在本次協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器的制作中，為了實(shí)現(xiàn)在千兆級別的轉(zhuǎn)換機(jī)上進(jìn)行高碼率內(nèi)容的制作，VR切換制作系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口（Network Device Interface，NDI）協(xié)議。在制作協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器上安裝的VLC 串流軟件從流媒體服務(wù)器獲取UDP 單播流，然后將其轉(zhuǎn)化成NDI 流信號(hào)[3]。

2.2.4 VR 切換制作

VR 切換制作方面采用的是切換設(shè)備。這種設(shè)備采用的是一種面向局域網(wǎng)進(jìn)行視頻信號(hào)傳輸?shù)拈_放性協(xié)議，對局域網(wǎng)的要求更低，視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量更高，還能有效提升信號(hào)傳輸效率，也減少了布線工作的難度和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)切換制作系統(tǒng)的快速部署，在使用中更加靈活。VR 前景視頻的分辨率一般是2 ∶1 的畫幅比例，為了能夠與廣電制作系統(tǒng)兼容，VR 攝像機(jī)可以采用16 ∶9 的畫幅進(jìn)行高清視頻的輸出，然后在播放器端完成畫幅的調(diào)整。當(dāng)前NDI協(xié)議已經(jīng)能夠支持超高清的4K 信號(hào)傳輸，來降低信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)，并保證VR 視頻信號(hào)的清晰度。

2.2.5 編碼推流發(fā)布

NDI 切換制作系統(tǒng)輸出的4×3G SDI 信號(hào)接入專用的編碼器設(shè)備。編碼器壓縮編碼輸出UDP 組播流，通過專線網(wǎng)送到賽事指揮中心的新媒體內(nèi)容集成發(fā)布平臺(tái)完成信號(hào)的分發(fā)。新媒體客戶端以及第三方直播平臺(tái)從新媒體集成發(fā)布平臺(tái)拉流，獲取VR 直播信號(hào)。

2.3 核心設(shè)備選擇

2.3.1 采集端攝像機(jī)的選擇

在視頻采集板塊，所需要的核心設(shè)備是VR 攝像機(jī)。為了方便部署和視頻采集，制播系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要選擇的是一體化的全景攝像機(jī)。目前，隨著VR 視頻的發(fā)展和市場需求的擴(kuò)大，VR 全景攝像機(jī)的品牌和種類繁多，功能和性能也各不相同。但適合體育賽事轉(zhuǎn)播需求的VR 攝像機(jī)有著更高的技術(shù)指標(biāo)要求。為了方便前期調(diào)試和后期制作的統(tǒng)一處理，攝像機(jī)的鏡頭結(jié)構(gòu)需要等距同心鑲嵌，鏡頭的感光元件也需要是同一品牌的集成。為了適應(yīng)比賽中的運(yùn)動(dòng)需求，攝像機(jī)還需要有強(qiáng)大的防抖功能，拍攝視角也需要進(jìn)行多樣的變化。在內(nèi)置軟件和功能方面，要具備多鏡頭聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)曝光功能，以保證高光比環(huán)境下鏡頭間的曝光呈線性遞增或遞減，同時(shí)支持直方圖實(shí)時(shí)監(jiān)看，從而讓曝光指數(shù)能夠迅速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)[4]。

2.3.2 制作端的IP 化視頻流切換臺(tái)

制作端的核心設(shè)備是IP 化視頻流切換臺(tái)，其中包含VR 視頻制作中多機(jī)位切換的關(guān)鍵技術(shù)。采用NDI 視頻流制作協(xié)議，可以同時(shí)融合廣電技術(shù)和新媒體技術(shù)的需求，滿足4×3G-SDI 的4K 基帶信號(hào)和IP 化的NDI 流信號(hào)的混合處理，保障電視和新媒體的VR 視頻直播需求。全運(yùn)會(huì)的VR 切換系統(tǒng)架構(gòu)包括了支持4×3G-SDI 基帶信號(hào)輸入的I/O 模塊、監(jiān)看大屏、交換機(jī)以及NDI 切換臺(tái)。這一切換系統(tǒng)滿足了體育賽事制播的多樣功能需求，比如畫面的分割、字幕的添加以及圖文的包裝等。

3 5G+VR 電視制播技術(shù)的應(yīng)用

在第十四屆全運(yùn)會(huì)期間，并非所有的比賽都采取了5G+VR 電視制播技術(shù)。主要對一些適合利用VR 攝像機(jī)拍攝和觀眾比較關(guān)注的賽事進(jìn)行VR 全景直播，如乒乓球、跳水、游泳等項(xiàng)目。在跳水比賽項(xiàng)目中，VR 攝像機(jī)的位置設(shè)定與傳統(tǒng)的攝像機(jī)機(jī)位設(shè)定有很大的差異，需要讓攝像機(jī)盡量靠近比賽區(qū)域，這樣才能讓受眾在觀看VR 視頻時(shí)產(chǎn)生更強(qiáng)的臨場感[5]。因此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在泳池的觀眾席和泳池邊各設(shè)置了一臺(tái)VR 攝像機(jī)，呈現(xiàn)跳水比賽區(qū)域的俯視全景視角和近距離觀察比賽現(xiàn)場的近景視角。特別是近景視角的設(shè)置，結(jié)合VR 眼鏡等觀看設(shè)備，可以讓觀眾有更強(qiáng)的現(xiàn)場觀看感。

在VR 視頻的點(diǎn)播制作方面，采集端使用的是超高清VR 攝影機(jī)采集的全景畫面，利用編碼服務(wù)器對視頻信號(hào)進(jìn)行IP 化的視頻流壓縮，通過CPE 等5G 終端設(shè)備把視頻流傳輸至視頻流切換臺(tái)，然后進(jìn)行適合新媒體平臺(tái)的調(diào)色、包裝、字幕制作等程序，最終把信號(hào)傳輸?shù)叫旅襟w平臺(tái)進(jìn)行播出。這些視頻的內(nèi)容比較豐富，包括了比賽的實(shí)況、賽事的花絮等短片，通過全運(yùn)會(huì)的短視頻平臺(tái)線上播出。

4 結(jié)語

信息技術(shù)革命讓互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)智能終端深入到現(xiàn)代社會(huì)的方方面面，并形成了多樣化的新媒體形態(tài)，對傳統(tǒng)的廣播電視媒體造成了強(qiáng)大的沖擊。新媒體在內(nèi)容制作、觀看方式等方面都更能滿足現(xiàn)代受眾的多樣化需求。在5G 技術(shù)和VR 技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，VR 視頻的制作和播放日益成為體育賽事電視制播技術(shù)的發(fā)展方向。在5G網(wǎng)絡(luò)支持下，VR 視頻制作能夠同時(shí)滿足電視端和新媒體端的播放需求，對傳統(tǒng)媒體的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義。在我國，以中央電視臺(tái)為代表的電視制播平臺(tái)已經(jīng)逐步加快了對VR 制作體系的研究和探索，并對5G+VR 的制播技術(shù)進(jìn)行了有益的嘗試，這為未來體育賽事的更加快捷、高效的制作和更加靈活新穎的播放積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。5G 技術(shù)不是現(xiàn)代通信技術(shù)的終點(diǎn)，未來，更加快速穩(wěn)定的技術(shù)會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)，VR視頻制作和播放相關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品也將更加豐富。作為電視工作者，要不斷關(guān)注和嘗試新技術(shù)的應(yīng)用，為賽事轉(zhuǎn)播帶來更流暢的觀看和交互體驗(yàn)。