4K转播技术与应用探讨

2024年2月4日发(作者：)

中心技术 中央电视台杨 言重要的，伴随着显示技术的飞跃，当前高端4K监视器和民用电视都已经有了HDR规格，能够有效还原更明亮的高光和更深沉的暗部，以及更鲜艳的色彩，可以说无论拍摄记录还是显示，相比于高清有了质的飞跃；帧频标准的提升，是和分辨率提高以及屏幕尺寸增大相辅相成的，都是为了带给观众更加真实和流畅的视觉体验，李安导演的电影《比利•林恩的中场战事》通过4K/120P技术拍摄和呈现，相信有幸目睹过最高版本的观众已经对该技术的震撼效果有了充分认识，在欧广联制定的4K发展规划中，4K在2020年之后也将达到PAL制100P的高规格。摘 要本文介绍了4K视频技术最新的发展情况，特别是针对4K现场转播技术方面的应用进行解析。主要侧重于4K现场转播系统设计特点，4K摄像机的技术与变革，4K HDR高动态范围制作的特点几个重点方面进行阐述。关键词4K 4K转播系统 4K摄像机 HDR时至今日，4K技术无论是在影视制作领域，还是在民用产品方面，都已经被大家广为熟知。虽然现阶段受限于播出带宽的束缚，在国内还未有4K电视频道出现，但相信随着压缩编码技术飞速发展，以及IPTV平台日渐成熟，相信4K的普及速度应会超越高清时代的发展进程。作为电视制作技术人员，虽然依旧身处高清普及阶段，但也应该未雨绸缪。CCTV转播部在2015年已经尝试通过4K现场转播系统对央视春晚进行了录制，直到今天我们也依然不断接触和摸索4K视频技术的发展方向，为今后新4K转播系统全面普及做好准备。二 4K现场制作系统的特点和变化当然，作为一名工作在转播车上的视频技术人员，我们更在意的，是4K技术对于现场转播和系统会带来怎样的改变。目前看来，对于实际操作方法的变化，与高清系统差异并不大；但在技术设备和系统设计方面，着实有不小的改变。由于4K现场转播所采用的制作格式为3840×2160/50P，相比于高清1920×1080/50i标准，其基带信号带宽从1.5Gbps上升为12Gbps，数据量提升八倍。目前系统设备常见的成熟视频BNC接口的标准为1.5G SDI或3G SDI，分别用于传输1080 50i和1080 50P两种规格高清视频。如果用3G SDI传输一路4K 50P信号则需要4根线，这也将极大增加系统线缆的负载。而目前多家支持3G SDI接口的高清切换台，可以通过同时绑定4路SDI接口为一路4K信号的方式，来实现4K信号切换，虽然节省了设备升级成本，但是由于物理输入输出接口不会增加，总的4K信号数量，也会变成原来高清通道的四分之一，这对于今后节目制作的讯道规模显然是很大的局限。4根线捆绑传输一 4K技术特点简述我们已经了解，4K相对于高清标准，其优势不仅仅在于分辨率提升了四倍，也就是可以满足更多画面细节的展现以及更大尺寸银幕显示的物理清晰度需求；在色域空间方面，也可以更多覆盖人眼所能看到的色彩范围，新的ITU-R2020标准相对于过去高清ITU-R709标准较少覆盖的高饱和绿色区域可以有更好的展现，同时也超越了电影DCI-P3标准的色彩空间；高宽容度展现，一方面4K摄像机已经能够记录下14档光圈以上动态范围的明暗层次，更现代电视技术2017.276

System Technology中心技术目前国外已经有了成熟4K IP转播系统案例，在里约奥运会上已经有了成功应用。国内也开始有用户选择了4K和高清IP系统方案，央视也已经准备着手打造自己的IP 4K转播系统，相信这很快会成为主流。三 4K摄像机和镜头的特点说到4K转播系统中，技术变化最大的，应该是4K讯道摄像机的发展。由于早期4K摄像机主要都是用在高端电1基于传统SDI设计的转播车视频系统架构影和电视剧作品，其产品设计也延续了数字摄影机的发展思路，基于35mm电影胶片的规格设计单片成像器件，而并非传统高清广播级摄像机采用三片2/3英寸CCD成像器件加分光棱镜组的分色方式。其摄像机镜头接口直接采用电影镜头的PL标准，而不是高清广播级摄像机的B4电视镜头接口；镜头也通常选择电影级定焦和变焦镜头，没有传统电视广播级镜头的电控推拉变焦伺服手柄。为了能够实现4K摄像机在电视转播中的应用，索尼公司最先设计了将其4K数字摄影机PMW-F55加装光缆转接模块实现远距离4K信号传输；镜头方面富士和佳能公司先后推出了安装有电视镜头标准伺服器的电影变焦镜头，摄像师可以通过通用数字伺服手柄实现电影镜头的推拉变聚焦控制。可以说已经很成功地将4K电影机转播成了传统讯道摄像机的使用习惯。在2015年央视春晚中，我们就是通过6台F55讯道摄像机完成了央视春晚的4K拍摄。但是实事求是地说，35mm带来的极浅镜头景深，对于摄像师的聚焦提出了巨大的挑战，在最初使用中，非常容易出现画面虚焦的情况；另外由于电影镜头对于画质要求极高，考虑到一定的便携性要求，电影镜头的变焦范围往往设计都很小，与电视大倍率变焦箱式镜头完全无法媲美，这点对于的方式，对于信号调度的安全性风险，信号同步性都会带来一定隐患，可以说，这种方式只是技术发展进程中的一种妥协手段。目前行业内对于4K系统架构的发展规划有两种不同的方向，一个是大多数传统厂家所推行的系统IP化，另一种则是由个别厂家支持的12G SDI标准。系统IP化浪潮，看上去已然是大势所趋，一方面由于电视台广电制作网络化早已普及，后端的IP化已经趋向完成，而转播系统前端依然基于基带系统传输，前后系统如能保持一致，必然能够提升整体流程的效率；另外随着信号标准越来越高，分辨率上升，量化比特率提高，帧率提高，这些都会造成传输数据量大幅提升，现阶段是高清到4K，今后可能是8K甚至更高，基于SDI系统的极限已经日益体现，IP的信号传输负载和距离都已经远远超过现有SDI系统，其标准逐渐完善和统一，也完全能够满足广播电视信号制作和传输的需要，所以看上去，系统从SDI向IP转换顺理成章。部分坚持SDI，甚至从3G SDI向12G SDI标准转换的公司和用户，所持观点无非是现阶段IP尚未完全成熟和稳定，标准也还在完善中，12G SDI在基本不增加成本的同时，也不会改变现有设备和流程习惯，对于系统的可靠性无疑是最佳保证。只不过，一方面支持者了了，另一方面12G SDI也缺乏长远发展的规划和可能，可以说同样属于过渡阶段产物。2基于IP设计的转播车视频系统架构3央视2015春晚4K制作中使用的F55 4K讯道摄像机和带电控伺服电影变焦镜头77Advanced Television

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中心技术综艺转播和体育转播都会带来很大的局限，特别是在体育场等拍摄环境，摄像机需要做到远距离覆盖和捕捉特写的能力，这都是电影镜头无法完成的。伴随着这一技术与实用性矛盾凸显，广电厂家开始研发设计了基于2/3英寸标准的4K讯道摄像机，包括索尼后来推出的HDC-4300，草谷推出的LDX 86等，这些摄像机都采用了B4镜头接口。为了保证4K分辨率展现，佳能富士也都相应推出了4K标准的B4接口电视镜头，包括大倍率箱式镜头，以及便携性镜头。这样4K讯道摄像机就可以完全满足传统电视节目制作的习惯和需求。在2016年欧洲杯、里约奥运会及多项顶级赛事上，我们都看到了通过2/3英寸4K摄像机拍摄完成4K制作的案例。可以说这一技术变革，对于4K技术应用在现场转播中起到了重要作用。准进行4K HDR蓝光盘内容的制作。在里约奥运会开闭幕式4K HDR转播中，首先通过索尼4K摄像机HDC-4300输出S-LOG3曲线标准和BT2020色域空间的4K信号，通过HDR信号转换器转为HDR10标准再进行播出。现阶段HDR10是4K HDR电视的主流选择，但是该标准基于杜比PQ曲线设计的最大问题是，PQ曲线不能直接下兼容高清SDR标准，即ITU-R709伽玛曲线，必须通过后期软件进行二次加工，这将导致现场转播出现问题，必须为4K HDR、4K SDR和高清SDR制作不同的输出信号源，并且后端必须能够正确识别相应信号的元数据，才能确保正确的显示效果，这很容易带来额外的负担和隐患。最理想的解决方案就是如果能制作一种单一信号源，可以同时兼容HDR和SDR两种显示屏幕，都能够得到正确的显示效果，并且不需要专门解析元数据信息（避免设备兼容性问题）。日本NHK和英国BBC联合推出的HLG（混合LOG曲线）标准，目前看起来是更为理想的解决方案，利用曲线0到50%的空间保存SDR信息，而HDR超出SDR的部分利用50-100%空间保存，SDR部分直接沿用ITU-R709曲线的斜率特征，可以很好解决SDR屏幕显示的正确亮度层次还原。只可惜目前HLG尚无法解决如何在SDR屏幕上处理好BT2020色域转换的问题，否则在普通电视屏幕44K 2/3英寸讯道摄像机加装B4箱式镜头用于体育转播ITU-R709标准上将不能获得正确的色彩重现。另外，新的HDMI2.1民用视频接口标准已经支持了HDR信号元数据处理的能力，也就是可以将不同标准的HDR信号通过机顶盒或者电视端读取HDR元数据信息来确保HDR效果的正确还原，同样也可以在SDR电视上根据HDR元数据将HDR信号正确地转换成SDR 标准的亮度和颜色，基于此技术，HDR和SDR信号无论4K还是高清就都能够更好地相互兼容适配。四 4K HDR现场制作的技术特点另外，在里约奥运会开闭幕式和欧洲杯比赛4K转播中，不仅仅只使用4K超高分辨率一项技术手段，还进行了HDR高动态范围的直播流程测试。这也是目前央视重点研究的课题。HDR带来的震撼效果我们已经看到，一些消费者家中也已经采购了支持HDR功能的4K电视。但是如何能够在4K现场转播中制作HDR信号，如何通过正确的流程将HDR信号传输到用户家中，以及如何兼顾HDR与SDR标准动态范围信号制作，这些新出现的问题都需要深入研究探讨，目前国际和国内标准和流程也都在测试和制定中。目前由于终端HDR电视机大多数都采用HDR10标准，这一标准是基于杜比公司率先提出的DOLBY VISION技术设计的PQ曲线（理论支持4000nit到10000nit亮度范围显示屏幕），再根据当前民用HDR电视的技术能力（约400nit到1000nit左右亮度）进行调整所得出，可以满足当前HDR屏幕显示需求，4K蓝光技术同样也支持HDR10标五 结束语以上我们简单探讨了一些现阶段在4K现场制作中已经发现的问题，有的已经有了解决方案，有的还尚需通过更多测试和技术改进找到改进方法。首先大家已经获得了共识，4K会成为后高清时代一条必经的发展之路，也意识到其能够为视频技术和体验带来全面的提升，接下来就是通过我们的不断努力，在前期制作和技术积累方面，力求进一步完善，解决新发现的技术壁垒，以保证当4K时代到来之时，我们有能力制作出成熟的4K节目，给予观众最佳的视觉体验。

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