李 競(jìng)

（作者單位：青島市廣播電視臺(tái)）

4K超高清技術(shù)和5G移動(dòng)通信技術(shù)是影像傳輸領(lǐng)域中的兩項(xiàng)重要標(biāo)志性技術(shù)，它們之間的有機(jī)結(jié)合在電視轉(zhuǎn)播領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。4K超高清技術(shù)通過將圖像分辨率提高到2 000線以上、支持Rec.2020廣色域、采用10位編碼色深等技術(shù)手段，大幅提升了畫面的呈現(xiàn)力和真實(shí)感。5G技術(shù)憑借支持超過10 Gbps的峰值速率、毫秒級(jí)的終端時(shí)延以及海量連接等顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效解決無(wú)線高清電視信號(hào)傳輸中的帶寬和延時(shí)痛點(diǎn)。成功實(shí)現(xiàn)4K超高清節(jié)目?jī)?nèi)容，通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集和傳輸，使電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)呈現(xiàn)出前所未有的高清晰度和高效率。本文通過解析4K超高清技術(shù)和5G技術(shù)的定義及特點(diǎn)，重點(diǎn)闡明兩者在電視轉(zhuǎn)播中的結(jié)合方式，包括如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線高清信號(hào)傳輸、支持多點(diǎn)遠(yuǎn)程采集和建設(shè)靈活的轉(zhuǎn)播網(wǎng)絡(luò)等；然后從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)容制播流程、信號(hào)傳輸方案、終端呈現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 “4K+5G”技術(shù)概述

1.1 “4K＋5G”技術(shù)定義與特征

“4K+5G”是將第四代超高清電視技術(shù)與第五代移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行融合的技術(shù)，目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)線高清電視信號(hào)傳輸。4K超高清的分辨率達(dá)到3 840×2 160，是1 920×1 080的高清圖像的4倍。4K超高清符合ITU-R BT.2020的寬廣色域標(biāo)準(zhǔn)，色域體積較BT.709高清標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大超過50%。其采用10位的編碼色深，是8位編碼的高清電視的4倍，色階數(shù)量達(dá)到10億級(jí)。這三大提升使4K超高清圖像相較于高清圖像有了質(zhì)的飛躍，呈現(xiàn)出更精細(xì)流暢的畫面質(zhì)感和更豐富、細(xì)膩的色彩層次。5G移動(dòng)通信作為第五代無(wú)線技術(shù)，其核心指標(biāo)與4G網(wǎng)絡(luò)相比呈數(shù)量級(jí)提升：峰值速率提升到10 Gbps以上，是4G網(wǎng)絡(luò)的10倍；無(wú)線接入時(shí)延降低到1 ms以內(nèi)，是4G的1/10[1]。5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、低時(shí)延、多連接的特征，可為無(wú)線電視信號(hào)傳輸提供持續(xù)穩(wěn)定的管道。將4K超高清圖像技術(shù)和5G無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以更好地保障無(wú)線高清電視信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，使電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線化和高質(zhì)量。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

目前，4K超高清技術(shù)和5G移動(dòng)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)逐漸成熟，為兩者的融合應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。4K超高清視頻技術(shù)從2006年開始研發(fā)，2009年第一份標(biāo)準(zhǔn)SMPTE 4096確立，標(biāo)志著4K標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入正軌。在此后數(shù)年里，4K超高清視頻的核心標(biāo)準(zhǔn)（包括2012年國(guó)際電信聯(lián)盟制定的UHDTV-1參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及2015年HDMI 2.0接口標(biāo)準(zhǔn)和HDCP 2.2內(nèi)容保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)）陸續(xù)形成并完善，4K超高清視頻技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)體系日趨成熟，已經(jīng)進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。同一時(shí)期，5G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化也在快速推進(jìn)。早在2012年，5G的概念就已提出，2016年，第一個(gè)5G新無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)確立，此后，非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone, NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone, SA）兩種5G網(wǎng)絡(luò)部署方案相繼確定。2019年，工信部向中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電發(fā)放5G商用牌照，2020年5G實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。隨著運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)速度的加快，5G通信技術(shù)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也在持續(xù)迭代，4K超高清視頻和5G移動(dòng)通信這兩項(xiàng)標(biāo)志性技術(shù)在發(fā)展的時(shí)間進(jìn)程上高度吻合，且日趨成熟，為“4K+5G”的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 “4K+5G”技術(shù)在電視轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 無(wú)線高清轉(zhuǎn)播

5G網(wǎng)絡(luò)提供了寬闊、低時(shí)延的無(wú)線傳輸通道，可有效解決傳統(tǒng)電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)存在的有線連接依賴問題，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)纜化轉(zhuǎn)播。相較于4G網(wǎng)絡(luò)百兆級(jí)的最大數(shù)據(jù)率，5G網(wǎng)絡(luò)提高到10 Gbps量級(jí)，足以傳輸數(shù)10路4K超高清電視信號(hào)。以高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding, HEVC）編碼一路4K視頻流大約需要10～20 Mbps的碼率計(jì)，5G網(wǎng)絡(luò)可以輕松傳輸上百路這樣的信號(hào)，而4G網(wǎng)絡(luò)幾乎無(wú)法承載一路4K視頻[2]。5G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入時(shí)延可降至1 ms量級(jí)，是4G網(wǎng)絡(luò)的1/10。這種毫秒級(jí)的低時(shí)延特性非常適合電視轉(zhuǎn)播對(duì)實(shí)時(shí)性的苛刻需求，可以大幅降低從信號(hào)采集到終端呈現(xiàn)的端到端延遲，確保電視畫面精準(zhǔn)同步，尤其適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的現(xiàn)場(chǎng)直播。

2.2 多點(diǎn)位遠(yuǎn)程采集

由于無(wú)線覆蓋范圍廣，5G網(wǎng)絡(luò)能夠支持電視轉(zhuǎn)播在多個(gè)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線采集，徹底打破以往微波鏈路等無(wú)線傳輸方式對(duì)機(jī)位布置的限制。5G系統(tǒng)覆蓋不同頻段，且能夠提供相應(yīng)的服務(wù)，如在700～900 MHz的低頻段可實(shí)現(xiàn)上萬(wàn)米的長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸，適用于車載機(jī)位等遠(yuǎn)距離采集。因此，可按轉(zhuǎn)播需求選擇合適的頻段進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線連接。4G和其他早期的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，通常只能支持幾十路的連接，即同一時(shí)間內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能與少數(shù)幾十個(gè)設(shè)備建立連接，5G網(wǎng)絡(luò)單一節(jié)點(diǎn)的無(wú)線連接數(shù)量可以達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前者。這樣，在轉(zhuǎn)播現(xiàn)場(chǎng)就可以建立起一個(gè)廣覆蓋、大容量的無(wú)線采集網(wǎng)絡(luò)，無(wú)須再設(shè)置大量的有線中繼站，大幅降低了系統(tǒng)布置和管理的復(fù)雜度。5G提供了強(qiáng)大的無(wú)線覆蓋和容量保障，相關(guān)工作人員可根據(jù)轉(zhuǎn)播需要建立起靈活可擴(kuò)展的多點(diǎn)遠(yuǎn)程采集模式，使轉(zhuǎn)播系統(tǒng)更加靈活高效。

2.3 靈活的轉(zhuǎn)播網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)可按需快速搭建靈活可擴(kuò)展的電視轉(zhuǎn)播無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。首先，5G支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)播內(nèi)容和場(chǎng)景需求進(jìn)行差異化網(wǎng)絡(luò)部署，如針對(duì)體育賽事轉(zhuǎn)播，設(shè)置更高帶寬，更嚴(yán)苛的傳輸延遲指標(biāo)，并進(jìn)行用戶隔離來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量。其次，5G基站具備快速部署和擴(kuò)容彈性，轉(zhuǎn)播時(shí)工作人員可根據(jù)實(shí)際需要在現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)部署小規(guī)?；荆顒?dòng)結(jié)束后及時(shí)拆除，無(wú)須長(zhǎng)期占用資源。5G終端具有快速接入的特點(diǎn)，其數(shù)量可以根據(jù)轉(zhuǎn)播過程中的機(jī)位和內(nèi)容需求靈活調(diào)整。這些終端能夠?qū)崟r(shí)接入、切換和釋放，構(gòu)建出一個(gè)能夠彈性調(diào)節(jié)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)?？傊?G技術(shù)具備按需、快速、彈性擴(kuò)容的特性，可根據(jù)轉(zhuǎn)播場(chǎng)景需求構(gòu)建靈活高效的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，顯著增強(qiáng)轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可復(fù)用性。

2.4 豐富轉(zhuǎn)播內(nèi)容和形式

4K超高清技術(shù)提供更精致逼真的畫面效果，5G技術(shù)的大帶寬則可傳輸更豐富的音視頻內(nèi)容，二者相結(jié)合可極大拓展電視轉(zhuǎn)播的手段。4K超高清的高分辨顯示更精細(xì)流暢的畫面細(xì)節(jié)，10位編碼展現(xiàn)更豐富細(xì)膩的色彩層次，HDR技術(shù)呈現(xiàn)高達(dá)10 000∶1的寬廣動(dòng)態(tài)范圍。5G技術(shù)提供的帶寬，可以傳輸多聲道數(shù)的立體聲音效、豐富的環(huán)境音效以及多語(yǔ)言聲道，并使其與畫面精確同步，更好地烘托節(jié)目氛圍。此外，多視角畫面的實(shí)時(shí)切換也成為可能，導(dǎo)播人員可以選擇不同的機(jī)位導(dǎo)播，優(yōu)選視聽視角。

3 “4K+5G”技術(shù)在電視轉(zhuǎn)播中的具體應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)需要進(jìn)行整體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)源端內(nèi)容采集編碼、無(wú)線傳輸和目的端解碼播出。源端部署專業(yè)級(jí)4K攝像機(jī)進(jìn)行高清晰圖像采集，并使用HEVC/H.265等高效編碼方式進(jìn)行源壓縮，減少數(shù)據(jù)量；編碼后的視頻流通過5G基站進(jìn)行無(wú)線發(fā)射。在目的端，設(shè)置專業(yè)4K解碼設(shè)備對(duì)視頻流進(jìn)行解碼復(fù)原圖像，并接入專業(yè)級(jí)4K顯示設(shè)備進(jìn)行節(jié)目畫面播出。此外，源端和目的端都要與5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，進(jìn)行業(yè)務(wù)流量管理、調(diào)度控制等。5G網(wǎng)絡(luò)方面，工作人員要在轉(zhuǎn)播覆蓋范圍內(nèi)布設(shè)5G基站，實(shí)現(xiàn)寬范圍的無(wú)線接入；5G核心網(wǎng)負(fù)責(zé)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）保障、終端管理、信令控制等功能[3]。源端和目的端通過5G終端接入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)要設(shè)置傳輸監(jiān)控子系統(tǒng)，對(duì)視頻傳輸質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)反饋。通過高效的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，4K超高清視頻內(nèi)容可以通過5G實(shí)現(xiàn)無(wú)線端到端傳送，滿足電視轉(zhuǎn)播的無(wú)線化需求。

3.2 內(nèi)容制播

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)按照采集、編碼、傳輸、播出的流程進(jìn)行內(nèi)容處理。首先，使用專業(yè)4K攝像機(jī)采集高清晰圖像，同時(shí)采集立體聲音頻、字幕、數(shù)據(jù)等多源信號(hào)。然后，通過畫質(zhì)調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行HDR、色彩增強(qiáng)等畫面后期處理，并使用數(shù)字音頻混音臺(tái)進(jìn)行多路音頻混合，使用HEVC等高效編碼方式對(duì)視頻、音頻源進(jìn)行數(shù)字化編碼，并進(jìn)行多路信號(hào)的打包復(fù)用。復(fù)用后的源數(shù)據(jù)流，通過5G基站進(jìn)行無(wú)線發(fā)射，系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)切片、多連接傳輸?shù)确绞竭M(jìn)行QoS優(yōu)化和策略調(diào)度。最后，目的端通過4K解碼設(shè)備進(jìn)行解復(fù)用分路，恢復(fù)原始視頻和音頻信號(hào)，再通過節(jié)目播出調(diào)度平臺(tái)播出[4]。通過適宜的流程規(guī)劃，4K超高清源內(nèi)容可以進(jìn)行數(shù)字編碼壓縮后無(wú)線傳輸，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的端到端傳送與播出。

3.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)需要通過優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)方案，確保內(nèi)容的高質(zhì)量無(wú)線傳輸。以賽事轉(zhuǎn)播為例：首先，根據(jù)轉(zhuǎn)播場(chǎng)地情況，采用多頻段小基站形成覆蓋網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館區(qū)域的基本無(wú)線接入覆蓋，同時(shí)要協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)商在賽事場(chǎng)館等轉(zhuǎn)播周邊地區(qū)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，適當(dāng)加密宏基站和微基站的部署，形成對(duì)重要機(jī)位點(diǎn)的無(wú)線覆蓋強(qiáng)化。對(duì)于一些重要的觀察點(diǎn)，如主播臺(tái)、導(dǎo)播室等，可以設(shè)置專用的定向小基站實(shí)現(xiàn)專門覆蓋。按照轉(zhuǎn)播時(shí)間段、傳輸容量需求等組建專用網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例，配置更豐富的無(wú)線帶寬資源，采用針對(duì)轉(zhuǎn)播業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先策略。另外，還要建立冗余設(shè)計(jì)機(jī)制，如設(shè)置主基站與備用基站發(fā)射同內(nèi)容，以及通過多基站同時(shí)無(wú)線傳輸單源內(nèi)容，即使局部網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，也不會(huì)中斷視頻傳輸[5]。

3.4 終端顯示

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)在目的端選用集成先進(jìn)核心技術(shù)的高端專業(yè)顯示設(shè)備，以充分還原超高清信號(hào)的效果。首先，選擇原彩色激光等4K及以上超高分辨顯示面板，覆蓋廣闊的Rec.2020等色域，展現(xiàn)細(xì)膩豐富的色彩層次。其次，需要支持HDR技術(shù)，通過高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)編碼結(jié)合顯示端的本地調(diào)光運(yùn)算，可呈現(xiàn)高達(dá)10 000∶1強(qiáng)烈對(duì)比感的畫面效果。此外，顯示設(shè)備還需支持高刷新率的畫面播放，匹配4K高幀率視頻源的拍攝參數(shù)，呈現(xiàn)流暢細(xì)致的畫面運(yùn)動(dòng)過程。最后，顯示端要集成智能化的畫質(zhì)分析優(yōu)化算法，能對(duì)不同類型的畫面內(nèi)容進(jìn)行智能分析，實(shí)時(shí)進(jìn)行最優(yōu)的參數(shù)調(diào)整，達(dá)到更好的顯示效果。只有選擇集成上述分辨率、色彩、高動(dòng)態(tài)范圍、高幀率以及智能畫質(zhì)優(yōu)化等多項(xiàng)核心技術(shù)的專業(yè)級(jí)顯示設(shè)備，才能對(duì)超高清源進(jìn)行匹配和優(yōu)化，真正呈現(xiàn)“4K+5G”轉(zhuǎn)播系統(tǒng)傳輸?shù)木籍嬅妗?/p>

3.5 融合網(wǎng)絡(luò)直播

“4K+5G”電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)還要考慮與網(wǎng)絡(luò)直播方式的集成，實(shí)現(xiàn)多屏終端同步傳輸。首先，在編碼系統(tǒng)中增設(shè)支持基于HTTP的自適應(yīng)碼率流媒體傳輸協(xié)議（HTTP Live Streaming,HLS）、實(shí)時(shí)信息傳輸協(xié)議（Real Time Message Protocol, RTMP）等流媒體協(xié)議的功能模塊，對(duì)4K視頻源內(nèi)容同時(shí)進(jìn)行格式適配和協(xié)議封裝，輸出可通過互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)傳輸?shù)木幋a流。然后，通過內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network, CDN）或者其他網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，將不同協(xié)議的流媒體信號(hào)分發(fā)至轉(zhuǎn)播流監(jiān)視器（Watcher）端。觀眾通過電視機(jī)頂盒、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等支持流媒體播放的智能終端，接入Watcher端觀看網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的4K直播內(nèi)容。通過在編碼系統(tǒng)內(nèi)置支持多協(xié)議的流媒體輸出模塊，“4K+5G”轉(zhuǎn)播信號(hào)自適應(yīng)編碼輸出HLS、RTMP等標(biāo)準(zhǔn)的流媒體，豐富傳輸渠道，實(shí)現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)等方式進(jìn)行多屏同步觀看，擴(kuò)大轉(zhuǎn)播內(nèi)容的傳播范圍和受眾需求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著用戶對(duì)視聽體驗(yàn)要求的不斷提升和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，傳統(tǒng)電視轉(zhuǎn)播方式面臨著革新和升級(jí)。4K超高清和5G技術(shù)為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)播注入了新的活力，不僅極大提升了轉(zhuǎn)播內(nèi)容的質(zhì)量，也使轉(zhuǎn)播實(shí)現(xiàn)了無(wú)線化和智能化，為行業(yè)發(fā)展提供了更多的可能性。青島市廣播電視臺(tái)將5G技術(shù)廣泛應(yīng)用于信號(hào)傳輸、外場(chǎng)連線、多點(diǎn)采集轉(zhuǎn)播制作中。展望未來(lái)，“4K+5G”等新技術(shù)與電視轉(zhuǎn)播行業(yè)的深度融合，將推動(dòng)轉(zhuǎn)播方式實(shí)現(xiàn)由定點(diǎn)向多點(diǎn)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容制播、信號(hào)傳輸、終端呈現(xiàn)等全鏈路的革新進(jìn)步。這必將極大拓展電視轉(zhuǎn)播的應(yīng)用空間，使其在新聞采訪、重大活動(dòng)直播等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為觀眾提供更好的視聽體驗(yàn)。