4K超高清电视播出系统设计分析

汪喆  

武汉广播电视台，湖北省武汉市，430000

摘要：超清晰画质、图像层次丰富以及还原自然的色彩，是4K超高清（Ultra High Definition，UHD）技术在节目制作与转播方面中应用所表现出的极为鲜明的特点。不断提高的科学技术水平为4K超高清播出系统的进一步发展和应用提供了有利条件，因此，可以在原有播出系统架构基础上融合4K超高清技术，设计全新的播出系统，为用户提供更加清晰的视觉体验。基于此，对4K超高清电视播出系统设计原则展开研究，着重分析4K超高清电视播出系统设计过程涉及到的关键技术，希望为4K超高清技术在电视行业中的成熟化应用提供一些建议。

关键词：超高清（UHD）；电视；播出系统；设计原则

经济与科学技术不断发展和进步，积极推动着我国电视行业向前发展。其中，4K电视终端在国内各大电视台的普及与应用，让电视播出的节目画面更加清晰、色彩更加自然逼真，极大地提升了用户观看体验。4K超高清电视播出系统设计与建设是一项持久性工程，需要在原有播出系统架构的基础上进行改变，确保信号传输稳定及良好的系统兼容性等，均是设计过程中应给予高度关注的事项，确保该系统在电视行业中应用实效性。如何合理设计4K超高清电视播出系统，是目前相关人员需要考虑的问题。在设计4K超高清电视播出系统时，需要充分考虑多方面因素。首先，需要考虑系统的稳定性，确保信号传输的质量和稳定性，避免信号丢失和干扰，保证用户观看体验的连续性和稳定性。其次，需要考虑系统的兼容性，确保系统能够兼容各种不同类型的设备和信号源，以满足不同用户的需求。此外，还需要考虑系统的安全性，保护用户的隐私和信息安全。在设计过程中，需要充分利用现有的技术手段和先进的设备，确保系统的性能和效率。可采用高速的网络和传输设备，以确保信号的高速传输和稳定性。
1 4K超高清电视基本特点分析用户在收看电视节目时，屏幕上所呈现的超清晰画面离不开4K超高清技术的强力支持。作为一种现阶段快速发展的新兴技术，相较于高清、标清电视播出系统，4K超高清电视的普及与应用，不是技术方面的全面升级，其播出画面也更加细腻，动作流畅度提升，色彩还原自然且逼真，带给用户更为优质的视觉体验。4K超高清电视的基本特点具体表现在以下几个方面。一是具有高帧率。相较于高清视频的隔行扫描，4K超高清电视选择逐行扫描模式，其扫描帧率最高可达到每秒120帧，有效解决了高清视频一直存在的图像闪烁问题。4K超高清电视在呈现运动画面时，其动作流畅度得到极大的提升。二是具有高分辨率。相较于高清视频分辨率，4K超高清电视的分辨率是高清视频的4倍以上。在高分辨率功能的支持下，4K超高清电视所呈现的画面清晰度较高，能带给用户全新的视觉体验。三是具有高量化比特数。在像素量化比特数方面，4K超高清电视在此方面的性能远高于高清视频，让播出画面中的图像细节更加丰富。四是具有高动态范围。高动态范围（HighDynamic Range，HDR）技术让4K超高清电视的显示亮度范围进一步提升，从原有的1 000∶1升级到了100 000∶1，使得画面呈现更清晰、动作更流畅、色彩更丰富、图像更多层次。五是具有全景声。相较于高清视频的单声道、双声道音频，4K超高清电视不仅支持环绕声与三维声，其全景声音频功能的融合，通过与室内天花板、地面以及墙壁形成声反射，不仅有效增强了空间感，也让整个空间氛围更具沉浸感，给予用户身临其境的感官体验，在一定程度上也突显了4K超高清电视与用户之间的交互性。

2 4K超高清电视播出系统设计原则

2.1播出质量提升

4K超高清作为目前一种新兴的技术手段，与传统播出系统融合，可以设计出4K超高清电视播出系统，实现节目播出质量进一步提升，让电视播出节目所呈现的画面在色彩、图像、音频等方面的质量均得到大幅度强化。为了确保能够满足不同类型节目、不同播出形态等的制播要求，4K超高清电视播出系统仍沿用原有自动播出系统通道，确保用户可以通过人工或自动的方式来播出电视节目。将制作完成的电视节目转化成录制文件，并存储在硬盘或光盘等具有高容量的设备中等待播出，或者由总控制室负责选择直播信号进行电视节目直播。为了保证电视节目的播出质量与效果，屏幕图像需配以输出字幕，需要相关人员根据电视节目播出实际情况，合理进行调节。

2.2新兴技术融合

为了有效提升4K视频文件的质检运算、转码等功能作用，将4K编排和文件管理与现有业务流程进行融合，结合实际情况，经过一系列相应部署，实现虚拟4K超高清电视播出系统基础架构，同时利用先进技术手段，对视频监控数据、AI故障诊断与排查等能力加以强化，其目的是合理配置现有基础资源，将敏捷资源整合在一起，提升4K超高清电视播出系统故障诊断效率，避免突发情况发生，保证直播信号自动切换顺利。另外，在视音频基础架构中融入基带视频SDI信号转型IP化的封装传输方式，在IT交换机、物理链路等连接方式支持下，让4K视频无压缩码流的宽带传输更加高效；在此方面功能的作用影响下，有效优化了现有视音频监控方式，并引入相应运算软件对视音频进行处理，进而达到提升视音频处理

灵活性的目的。

2.3保证播出系统应用灵活

4K超高清电视播出系统在设计过程中，选择以节目单驱动电视节目播出的方式，并在此基础上将自动化闭环控制设计引入全生命周期运行的播出节目中，借助现有平台架构应用的通用性这一特性，让各系统可以高效融合IT通用数据资源，以此来达到灵活化拓展新播出业务的目的。此外，将现阶段各种先进技术与4K超高清电视播出系统进行有机结合，可以进一步提高播出业务水平，构建全新的软件架构体系，便于后期相关人员对其进行监管，确保4K超高清电视播出系统应用灵活，从根本上保障电视节目播出服务质量。

3如何设计4K超高清电视播出系统

3.1合理设计播出系统架构

在原有电视播出架构基础上，将现阶段新兴技术手段设计引入，完成4K超高清电视播出系统设计。其中，播出系统架构设计应符合4K超高清电视的播出业务特点，合理化设计4K超高清电视播出系统架构，才能更好地保证该类型播出系统应用的实效性。如何设计4K超高清电视播出系统架构，具体可从以下几个方面着手。第一，明确4K超高清电视播出系统的内部构成。目前4K超高清电视播出系统由制作系统、广告系统、媒资系统、演播室系统、节目生产系统以及主控制室系统等关键模块构成。例如，在演播室系统中，基于IP总控平台，根据业务播出要求，对4K信号进行相应调度，此过程中全部将要播出的素材均由计审平台统一审核及送播；一般情况下，审核通过的播出素材，则由计审平台将播出素材向4K超高清电视播出系统集中提交，并分发给全媒体系统，最终完成电视节目播出。第二，4K超高清电视播出系统除了支持电视超清播出以外，同时也可以满足在手机端、网络端进行超高清节目播出的需要，利用该系统内部所设置的全媒体分发功能单元，将4K超高清电视信号通过分发平台完成多种码流转换，以此来实现用户通过手机App、电脑客户端、户外大屏等多渠道播放平台来收看电视节目。第三，网络安全控制。通常情况下，IP转化后的4K超高清电视播出系统，必须建立具有更高安全性的网络防御体系。应根据4K超高清电视播出系统设计及后期应用要求，搭建对应的信息监管平台，其目的是监测内外部服务域信号传输，确保授权信号输入与输出安全并顺利接收，同时可分别隔离媒体数据与信息元数据，尽可能避免关键数据丢失的情况出现。

3.2灵活应用4K净静切换技术

4K超高清电视播出系统的视、音频链路中，播出信号主要包括4种类型，分别是异构二备播系统服务器、主播视频服务器、CYC垫片视频服务器以及备播视频服务器，均属于支持4K超高清视频播出的信号。信号输出时，基于对应链路进行连接，并通过上述4条路径对4K视频信号进行输出。根据播出业务要求，可自由配置主用和备用的线路倒

换器。一般情况下，这一种配置形式普遍提供多个输入与输出端口，为4K视频信号输出提供多样化的传输路径选择。另外，该系统在4K净静切换技术支持下，同时具备净静切换帧同步等几项关键功能。净静视频切换目标实现，可借助GPI通用接口，对上述4条信号传输路径的信号帧精度进一步增强；当GPI接口所输出的切换指令被倒换器接收时，4K视频在同步帧精度的基础上完成净静切换，这一过程也被称为4K基带信号净静切换。

3.3做好IP化转型

现行传输标准明确规定了4K超高清高码率类型信号IP化传输协议内容，基于以太网传输协议，在IP组播相关协议支持下，将4K超高清高码率类型信号通过交换机完成信号传输。利用IP化将传输过程中的视频进行压缩，视频均可在无线/有线的网络中进行传输，由于存在VANC机制，可实现传输同步功能。现行传输标准也明确细化了关于传输压缩视频、未压缩视频的保护机制，有效解决了视频信号在传输过程中极易中断的问题，为以IP化形式传输4K超高清视频信号提供了有利条件。IP化转型是现阶段从事视、音频设备制作的厂商极为关注的热点，同时也是该行业的主流发展趋势。在相关新兴技术手段的支持下，具有IP矩阵、多画面以及可转换SDI等功能的视、音频设备已经投入使用。随着该类型设备生产愈加规模化，再加上行业内各厂家相互合作，使得视、音频设备所涉及的技术进一步升级，可兼容多种设备，为设计与建设4K超高清电视播出系统提供了强有力支撑。其中，软件定义网络（Software Defined Network，SDN）架构的出现与搭建，让IP化转型进程加快，同时也为业务融合、网络功能完善提供方便，有效优化了传统视频播出架构，将其划分为多个具有不同功能作用的层级，大力支持4K超高清视频的信号传输。流量管道在SDN网络架构支持下，极大地提升了配置灵活性，使得在传输视频、音频时，可以根据播出业务要求选择合适的传输通道，从根本上规避信号传输中断问题，为高质量传输4K超高清视频信号提供基础保障。从目前的IP化转型情况来看，IP全面性转化这一目标的实现仍存在一定阻碍，但基于当下发展形势，IP转化是设计与建设4K超高清电视播出系统的必然要求。4K超高清电视播出系统在IP转化支持下，有利于精简系统内部架构，同时还可以满足多种类信号传输，减少铜线使用，有效降低此方面的资源消耗。最为重要的是，4K超高清电视播出系统可实现灵活应用，保证了该系统设计的实用性。

4结语

4K超高清技术的普及与应用，为设计4K超高清电视播出系统提供了良好条件。在此过程中，各种新兴技术手段的融入，使得4K超高清电视播出系统功能进一步完善，极大地满足了现阶段用户的个性化需求，给予用户全新的视觉体验，也在一定程度上积极推动了我国电视行业的创新发展，为行业发展关键技术突破指明了方向。在普及和应用方面，4K超高清技术已经成为电视行业的主流技术之一。与传统的1080P高清技术相比，4K超高清技术的分辨率更高，图像更为清晰，更加细腻，且具有更高的色彩还原度。这种技术的应用不仅提升了用户的观看体验，而且也拓展了电视应用的广泛性和深度性。总之，4K超高清技术的普及和应用为电视行业的发展注入了新的活力和动力。在未来，我们可以看到越来越多的创新技术手段应用于4K超高清电视播出系统中，为用户带来更加高质量、高清晰度、高体验的电视观看体验。而这种技术的应用也将进一步推动电视行业的创新发展，为行业未来的关键技术突破和创新发展提供更为坚实的基础。

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