【摘要】隨著5G融合應用不斷深入探索，其在信息消費、融合媒體、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領域的應用持續(xù)深化，同時也推動了超高清視頻行業(yè)的發(fā)展，5G+4K/8K+VR+AR等融合應用模式在廣播電視領域廣泛應用。本文聚焦于5G技術在4K電視節(jié)目直播中的應用，介紹了5G技術及4K超高清視頻技術，分析了5G+4K制作傳輸系統(tǒng)架構，并探討了5G+4K/8K多場景現(xiàn)場直播系統(tǒng)架構的核心優(yōu)勢，為4K電視節(jié)目直播發(fā)展提供一些可供參考的建議，最后分析了5G通信技術給現(xiàn)代電視制播系統(tǒng)帶來的先進制作理念，并結合VR和AR技術，展望了5G+4K新技術的應用給觀眾帶來的全新感官體驗。

【關鍵詞】5G；4K電視節(jié)目直播；系統(tǒng)架構；融合媒體

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.015

《中國5G應用白皮書（2020）》明確提出加快5G商用進程，推進5G與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。在智慧文旅領域，展望了未來5G+VR/AR全景直播的應用發(fā)展，這對5G技術在廣播電視媒體直播行業(yè)的發(fā)展具有積極的推動作用。5G+VR/AR全景直播需要4K/8K視頻采編、5G視頻傳輸、VR視頻制作以及分發(fā)等一系列技術支持和服務。

5G（第五代移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術）相較于4G，其在無線傳輸速率、網(wǎng)絡延時性、互聯(lián)互通性等方面具有顯著的通信優(yōu)勢。

隨著4K超高清產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，視網(wǎng)膜級別的超高清分辨率影視娛樂已經(jīng)逐漸豐富了我們的生活。在5G技術的支持下，5G+4K電視直播領域的應用發(fā)展逐漸顯露出潛在價值，進一步推動5G+8K/VR新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5G+融合媒體多場景應用主要體現(xiàn)在三個方面。首先，5G即時攝影、瞬時導播、實時投屏。其次，5G+4K/8K+VR全場景、超高清直播。最后，5G+融合媒體應用推廣路徑。5G技術在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等領域的融合發(fā)展，進一步提升了融合媒體帶給觀眾交互性和沉浸式的體驗觀感。

1. 5G和4K技術的簡介

1.1 5G簡介及關鍵技術

5G網(wǎng)絡屬于當前一種新型的網(wǎng)絡方式，是移動通信網(wǎng)絡發(fā)展中的第五代網(wǎng)絡，主要有三大應用場景，即增強型移動寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（uRLLC）和大規(guī)模機器類型通信（mMTC）。

4K超高清電視直播要想達到理想的直播效果，就需要5G網(wǎng)絡中兩項關鍵技術的支持：即網(wǎng)絡切片和邊緣計算。

網(wǎng)絡切片是指將物理網(wǎng)絡劃分出多個虛擬網(wǎng)絡以滿足不同服務端需求的網(wǎng)絡技術手段，它可以配置4K超高清電視直播領域視頻所用的專屬網(wǎng)絡帶寬，各項傳輸數(shù)據(jù)更具穩(wěn)定性。這確保了直播信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率，沒有任何中斷或故障問題。網(wǎng)絡切片技術還支持虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）服務，可以增強用戶的沉浸式體驗。

邊緣計算是指靠近對象或數(shù)據(jù)源側的超近計算服務。邊緣計算是利用網(wǎng)絡中廣泛存在的邊界端的各種信息，對其進行運算，并對其進行相應的處理，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分流與使用。

通過5G技術的應用，大多數(shù)電視業(yè)務可以部署在邊緣云側，提供網(wǎng)絡處理、數(shù)據(jù)計算、存儲和應用等功能，豐富了電視業(yè)務應用模式。它最顯著的特征就是大帶寬，低延時，大輸入量，而且它的數(shù)據(jù)傳送效率比一般的移動通信技術要高得多，最高速率可達到10Gbps；很大程度降低了網(wǎng)絡的延時，實現(xiàn)1毫秒以內(nèi)的傳輸效果；網(wǎng)絡能夠承載巨量的交互數(shù)據(jù)，能夠極大地提高數(shù)據(jù)傳輸密度，甚至遠超原有技術數(shù)百倍，而且頻率效率比LTE提高了10倍以上。

1.2 4K視音頻技術參數(shù)

從《2022全國廣播電視行業(yè)統(tǒng)計公報》了解到，截至2022年底，1082個高清電視頻道、8個4K超高清電視頻道和2個8K超高清電視信道已獲得全國地級以上廣播機構的批準。新聞資訊類節(jié)目、綜藝益智類節(jié)目的高清和超高清制作比例分別達到70.72%和64.99%，比去年分別提高8.39和5.56個百分點，電視節(jié)目的高清、超高清進程明顯加快。全國有線電視網(wǎng)融合和5G廣播電視建設取得突破性進展。5G廣播電視網(wǎng)絡已正式開通運營，5G廣播和電視用戶超過550萬。4K超高清視頻和音頻的標準參數(shù)如表1所示。

1.3 5G+4K電視節(jié)目直播應用

媒體行業(yè)因新聞的時效性，決定了它與其他行業(yè)存在著非常大的區(qū)別。電視節(jié)目的直播恰恰是新聞時效性的體現(xiàn)。目前4G網(wǎng)絡面臨傳輸能力的不確定性，已然給電視節(jié)目直播領域的發(fā)展造成負面影響。隨著通信領域的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，實現(xiàn)了基于5G網(wǎng)絡的4K超高清素材回傳和信號直播，從而徹底解決了超高清海量數(shù)據(jù)傳輸難題，給4K電視節(jié)目直播帶來了較好的解決方案。

電視節(jié)目的實況轉播分為三個部分，即采集，編輯和播出。采集主要指的是4K超高清視音頻的采集和回傳，編輯可以通過現(xiàn)場制作、后臺編輯和超高清視音頻云制作三種方式來實現(xiàn)，播出指的是將清晰、流暢的4K超高清視音頻推送到客戶端平臺進行播出。

隨著時代發(fā)展與進步，在電視節(jié)目的采、編、播各個環(huán)節(jié)中，視頻畫面分辨率已經(jīng)達到4K甚至8K的水平，幀率大于50幀，并逐漸向逐行掃描的方式轉變，因此導致了系統(tǒng)的運算量很大，數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡環(huán)境的要求也在逐漸提高，而8K視音頻的傳輸比特更高，甚至可以達到100Mbps。

理論上，5G網(wǎng)絡的上行鏈路和下行鏈路的傳輸速度分別為10Gbps和20Gbps。目前5G網(wǎng)絡能夠提供穩(wěn)定百兆上行、千兆下行的網(wǎng)絡帶寬，可以實現(xiàn)超高清視頻大量數(shù)據(jù)傳輸要求，并且信號運行更加穩(wěn)定和安全，提升了電視節(jié)目直播的網(wǎng)絡傳輸和處理能力。

2. 5G+4K制作傳輸系統(tǒng)架構

2.1 5G+4K電視直播制作系統(tǒng)

5G技術的支持，推動了廣播電視4K直播的快速發(fā)展和應用。

5G+4K電視直播制作系統(tǒng)分為：視頻系統(tǒng)與音頻系統(tǒng)。視頻系統(tǒng)包含信號源的采集、傳輸、制播等流程。信號源采集設備包括：4K攝像機、4K無人機和4KVR/AR裝置等。視頻傳輸設備分為有線傳輸設備和無線傳輸設備：有線傳輸設備包含4K光端機等，無線傳輸設備包括4K圖傳、5G背包及5G推流等設備；視頻制播設備包括視頻矩陣、切換臺、字幕機、錄像機、編碼推流等設備。

5G+4K電視直播制作系統(tǒng)先將采集到的視音頻畫面通過視頻發(fā)射裝置傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部的接收裝置，再經(jīng)過解嵌分離視頻信號和音頻信號，單獨將視頻信號送進矩陣或者切換臺，進行簡單的制作和在線包裝，再將調(diào)音臺調(diào)制出的音頻加嵌到視頻中，最后輸出理想的PGM視音頻信號用來現(xiàn)場錄播或者遠程傳輸制播。

音頻系統(tǒng)主要的設備包括話筒、功放、音響、主備調(diào)音臺、音頻交換機及音頻信號處理器等，是將采集的音頻信號通過調(diào)音臺混音、5.1環(huán)繞聲調(diào)制，輸出到視音頻加嵌器，完成視頻和音頻的疊加。

2.2 5G+4K傳輸系統(tǒng)架構

目前，5G+4K直播的應用場景多為戶外大型直播活動。由于戶外環(huán)境復雜，在無有線網(wǎng)絡、人流量密集大、5G信號全覆蓋的情況下，將4K超高清視音頻回傳至主會場，再進一步地進行錄制和播放，就需要5G+4K視音頻直播系統(tǒng)架構來解決和實現(xiàn)，5G+4K傳輸架構是承載4KHDR電視節(jié)目實時直播運作正常的系統(tǒng)保障。

5G+4K視音頻傳輸分為現(xiàn)場制作和遠程制作兩種工作模式?，F(xiàn)場制作主要是通過直播車在直播現(xiàn)場進行信號處理工作。5GCPE設備傳輸視頻圖像和音頻數(shù)據(jù)，機位調(diào)度和制作工作通過直播車完成。最后，輸出的視音頻PGM信號會被傳回電視臺進行播出。遠程制作可以分為后臺制作和云端制作，后臺制作是通過5GCPE、5G基站，利用5G通信網(wǎng)絡高速率、低時延、大連接的優(yōu)勢，將所有數(shù)據(jù)回傳至電視臺，解碼后進行制作、編輯，最后推流直播。云端制作即經(jīng)現(xiàn)場視音頻信號通過5GCPE、5G基站傳輸，到達5G指定的云應用平臺，利用云產(chǎn)品編輯工具，對視音頻信號進行制作處理，再經(jīng)過5G網(wǎng)絡將信號推流到指定客戶端進行播出。

2.3 5G+4K/8K多場景現(xiàn)場直播系統(tǒng)架構的核心優(yōu)勢

一站式解決方案。5G+4K/8K多場景現(xiàn)場直播系統(tǒng)為廣電行業(yè)帶來了一套完整的技術解決方案，它支持無線傳輸、視頻編碼回傳、多格式接收、解碼和監(jiān)看、演播室包裝、多屏幕分發(fā)、安全切換直播、收錄和后期制作等環(huán)節(jié)，解決電視直播多樣化的場景難題。

在人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術的支持下，可實現(xiàn)所有終端高畫質(zhì)體驗。AI通過對視頻增強、智能編碼、HDR/SDR等技術的應用，進行自主學習和認知，從而更好地實現(xiàn)5G+4K/8K多場景任務需求，可以在電視端、手機端、PC端等多個終端進行高質(zhì)量播放和覆蓋，給更多用戶帶來接近視網(wǎng)膜級別清晰的三維全景視聽感受。

信號傳輸具有超低時延的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)擁有5G通信帶寬大、延時低和傳輸高速率的優(yōu)勢，支持超低延時編碼和回傳的多場景直播，全程直播畫質(zhì)高，直播信號延時控制在毫秒以內(nèi)。5G+4K/8K多場景直播系統(tǒng)是通過安全可靠傳輸（Secure Reliable Transport，SRT）協(xié)議來實現(xiàn)信號的穩(wěn)定性，有效避免了網(wǎng)絡產(chǎn)生抖動，從而確保了電視直播節(jié)目穩(wěn)定、流暢地播出。

全鏈路4K/8KHDR技術的支持。系統(tǒng)采用4K/8K編碼器、4K/8K轉播車等方式，提供全鏈路4K/8K HDR、60fps、BT.2020寬色域、10位量化、HLG/PQ/動態(tài)HDR技術服務，實現(xiàn)多場景直播。

可靠且安全的直播。該系統(tǒng)使用主備雙鏈路架構，鏈路獨立運行且能交叉使用，系統(tǒng)能夠多級自動保存?zhèn)浞荩ㄟ^自主延時、素材插播和直播墊播等功能，實現(xiàn)多級播控，確保多場景直播地安全播出。

實現(xiàn)3D音頻超高清直播。該音頻系統(tǒng)可以調(diào)制出3D聲和立體聲，可以實現(xiàn)兩種制式的音頻輸出。

3. 5G+4K/8K電視直播系統(tǒng)的新技術應用

5G+4K/8K多場景現(xiàn)場電視直播系統(tǒng)廣泛應用于廣播電視臺的跨年晚會、綜藝節(jié)目、大型體育賽事等直播領域。2020年12月，《神武4·動感地帶第十四屆音樂盛典咪咕匯》采用5G+4K/8K多場景現(xiàn)場直播系統(tǒng)，通過專線和5G網(wǎng)絡直播流雙鏈路完成信號傳輸，1s內(nèi)可進行實時切換，傳輸信號穩(wěn)定率100%，不僅給用戶提供高質(zhì)量的8K畫質(zhì)，還有效的保證了畫面的流暢度，給4K影院的用戶帶來極高的沉浸式視聽體驗。

2022年1月31日，除夕春晚的《只此青綠》舞劇，也是采用5G+4K+XR+全息掃描技術，將宋朝的《千里江山圖》展現(xiàn)在了舞臺，觀眾置身于青山綠水的優(yōu)美畫卷里，沉醉其中；《星星夢》兒童舞蹈同樣采用5G+4K/8K+XR+AR技術，并投影到720度穹頂屏幕，展示出夢幻多彩的星空，演員和觀眾仿佛沉浸其中。這次春晚通過5G+4K+AR+XR的視頻直播新技術，給觀眾帶來一次終身難忘的沉浸式春晚直播視聽體驗。

2022年2月4日，5G+4K/8K多場景直播系統(tǒng)應用在了北京冬奧會開閉幕式和重要賽事中，給用戶呈現(xiàn)有史以來“最全面”“最清晰”“最身臨其境”的冬奧觀看體驗，為冰雪賽事創(chuàng)造了多維互動的觀賽感受。

4. 結束語

5G+4K電視直播技術，已經(jīng)被廣泛應用于多場景電視直播，通過超高清視頻與5G技術賦予直播更具臨場感、沉浸感、真實感、新鮮感的視聽體驗，深刻改變了傳統(tǒng)電視的直播方式，進一步推動了5G+4K/8K+VR+AR+XR等新技術的融合發(fā)展。

將來，隨著研發(fā)創(chuàng)新力度的不斷加大，5G網(wǎng)絡切片和邊緣計算技術會更加成熟，高速率、大帶寬、低延時等特點將會帶動視頻產(chǎn)業(yè)進一步升級，5G+4K電視直播的應用場景將會更加豐富，VR和AR技術也將帶動更多產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展，越來越多的新產(chǎn)品會得到人們的喜愛，人類可以不斷領略科技發(fā)展給生活帶來的精彩變化。

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作者簡介：段亮，陜西咸陽，助理工程師，研究方向：廣播電視工程.