4K超高清电视制作系统应用研究
时间：2023-03-10 11:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
黄 云
（黔西南广播电视台，贵州 兴义 562400）
截至2022年3月底，我国共有4K/8K超高清电视频道10个。2022年6月，《关于进一步加快推进高清超高清电视发展的意见》出台，针对当前高清超高清电视发展现状，提出了发展目标与要求：到2025年，基本实现超高清电视的规模化发展与终端普及。因此，针对4K超高清电视制作系统应用的研究，具有十分迫切的现实意义，能够为电视台4K超高清电视制作系统的应用与升级提供一些可参考的建议。
超高清电视行业的不断完善，推动了4K超高清电视相关产业的发展。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）规范了超高清晰度电视格式与标准，发布TU-RBT.2020标准，并提出高动态范围（High Dynamic Range，HDR）的图像增强型动态范围曲线技术特征。2015年8月，欧洲数字电视标准组织（Digital Video Broadcast，DVB）发布《动态进展：面向下一阶段的DVB超高清》文章，把4K超高清电视发展分为两个阶段。作为欧洲超高清电视发展的规范性文件，DVB超高清电视发展规划如表1所示[1]。
表1 DVB超高清电视发展规划
日本超高清电视已从研发阶段发展至实践阶段，2014年发布《推动4K和8K发展的新发展蓝图》，2016年使用广播卫星（Broadcast Sat-ellite，BS）的4K/8K测试广播，2018年发展4K/8K商业广播，2020年东京奥运会正式播出4K/8K电视。4K/8K演播室摄像机、4K/8K记录产品、4K/8K显示面板、4K/8K电视机、4K/8K转播车等一系列4K/8K超高清设施被广泛应用于广播电视内容制作、播出、传输及接收等环节[2]。韩国在KCC及MSIP两大部门支持下，积极推进地面数字电视广播网络超高清试验与研发，并于2014年开通全球首个正式播出有线4K超高清频道“UMAX”，发展至今，KBS、MBC、SBS与EBS等主流广播电视台的4K超高清电视制作能力大幅度提升。我国自2013年开始研发4K超高清电视。2015年，IPTV开展4K超高清电视点播节目；
2017年，广东省启动筹建4K超高清电视频道；
2018年10月1日，CCTV-4K超高清频道正式开播。此后，广东、上海、北京、杭州等地陆续开设4K超高清电视频道[3]。2019年2月，多部门联合制定并印发《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022年）》，提出4K先行、兼顾8K的超高清发展战略。2021年8月，《广播电视和网络视听“十四五”科技发展规划》明确提出提升高清/超高清节目技术质量，加快高分辨率、高动态范围、宽色域、高帧率等高技术格式超高清视频技术的研发与应用，并提出2025年4K超高清频道开办20个以上，主要网络视听机构具备4K超高清视频播出能力的发展目标[4]。2022年6月，国家广播电视总局发布《加快推进高清超高清电视发展的意见》，明确提出高清超高清电视发展的六项重点任务。
2.1 超高清和高清电视节目同播技术
超高清电视制作与播出的应用成本较高，国内广播电视从业人员积极探索超高清与高清电视节目的同播技术，通过超高清电视与高清电视录播流程与制播流程的同播，节省超高清电视制作与播出应用成本。在超高清电视录播环节，主要有两种制作方法。第一是高清向超高清的转换，前期制作高清标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR）调光，后期制作转换成超高清HDR信号，在高清频道可直接播出高清SDR信号，在超高清频道可直接播出超高清HDR信号。第二是运用媒资系统转换动态参数转码播出。动态参数转换与固定参数转换不同，能根据4K超高清电视内容特性进行动态转换，以获得更高质量的4K超高清节目录播效果。对超高清直播而言，同播技术也有重要的应用，超高清信号可直接在超高清频道播出。高清信号的直播，则需将SDR信号转换成超高清信号后在超高清直播频道播出[5]。
2.2 HDR、SDR电平映射优化
4K超高清电视与高清电视同播过程中，需要保障两者的播出质量，这就需要兼顾HDR与SDR的电平。国家广播电视总局下属各部门对此进行了大量的实验分析与理论总结，HLG与SDR信号的映射关系如表2、表3所示。优化HDR与SDR的电平映射关系，保障了4K HDR与HD SDR同播时节目质量的稳定性与消费端用户的视觉观感。HDR图像平均亮度的提升，也为电视用户带来更优质的HDR视觉体验[6]。
表2 HLG到SDR信号的映射关系
表3 SDR到HLG信号的映射关系
2.3 HDR视频制作“HLG（窄范围）+超白”电平
ITU-R BT.2100标准规定了窄范围、全范围两种信号方式。其中，窄范围被广泛应用于广播电视领域。以中央广播电视台为例，为了使超高清电视节目的高对比光影效果更好呈现，其采用“HLG（窄范围）+超白”模式，在保留更高亮度范围与动态范围的基础上，提升了4K超高清电视质量[7]。
2.4 4K超高清关键设备本土化进程加速
在国家大力支持下，我国4K/8K产业链关键技术产品研发和产业化发展迅速，国内4K超高清4K摄影机、摄像机、4K采编播系统、4K非线性编辑系统等前端设备研发能力不断提升。4K超高清视频生产环节，4K摄像机、4K监视器、4K切换台、5G+4K超高清背包等产品不断丰富，代表企业有广州扳手、卓曜、广州博冠、创维等。4K超高清视频制作环节，4K快编生产系统、4K非线性编辑系统、4K视觉效果包装系统、4K视频剪辑软件等不断丰富，代表企业有中科大洋、索贝、新奥特、当虹科技等[8]。4K超高清视频编码设备环节，国际上4K/8K编码标准主要以HEVC和VVC为代表，国内4K/8K超高清编码标准主要以AVS联盟提出的AVS2和AVS3编码标准为主。4K HEVC应用于赛事、综艺晚会等超高清直播，4K AVS2应用于4K频道上星需求。国内4K超高清视频编码企业主要有当虹科技、柯维新、数码视讯等。芯片级编解码企业有海思、NTT、索喜、Netint等企业。4K超高清视频编码架构上有嵌入式、通用服务器两种。4K超高清视频编码存储设备环节通常采用分布式存储架构，华为、索贝、曙光、新华三等企业纷纷推出高容量、高带宽、低延迟、高安全的存储设备。4K超高清视频核心元器件环节，感光器件、存储芯片、编解码芯片、图像芯片、处理器芯片等产品仍然以国外企业产品为主，我国企业已打破国外垄断局面，并不断扩大市场份额。
4K超高清电视制作系统被广泛应用于广播电视领域。以广东广播电视台为例，其是我国较早开始4K超高清电视制作的单位，建成首个基于IP架构的4K演播/转播系统，首个省级4K超高清后期制作网系统，配备了4K演播室集群系统、大型/小型4K演播室系统、4K虚拟演播室系统、4K电视转播车系统、大型4K后期制作网系统等4K超高清电视制作子系统，被广泛应用于综艺、体育赛事、大型会议等节目的4K HDR格式制作中。南京广播电视台4K超高清电视IP播控先导平台入选全国超高清视频典型应用案例，南京广播电视台4K超高清电视制作系统采用国际最新标准，在5G+4K/8K+AI战略部署下采用4K+IP技术，通过通用设备+软件编码模式，实现了电视、广播、网络多媒体融合制作，推动4K超高清电视制播体系的融合智慧化升级。
我国4K超高清电视标准体系在逐渐完善，相关技术与设备也在持续发展，各省级广播电视台也在积极推进4K超高清制播能力建设。超高清电视在内容供给、节目制播、编码传输等领域不断突破，为用户提供了高分辨率、高动态范围、宽色域、高帧率等高技术格式的超高清电视视听服务。
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