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【摘要】电视媒体4K业务升级，令观众体验大幅改善。但是在新闻中心4K演播室的技术升级方面，势必需要充分考虑IP化驱动的组网可能性，进而优化設计演播室的运维方案。鉴于此，本文分析了基于体验维度的4K超高清优势，探讨了IP化驱动下4K超高清制播技术，同时解析了新闻中心4K超高清IP化演播室设计策略。以期全面推动新闻中心演播室制播技术升级，全面推动4K业务的健康发展。
【关键词】新闻中心;4K超高清;IP化;演播室
中图分类号：TN94 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2020.22.009
在媒体融合迅速发展的环境下，伴随着新媒体技术、超高清技术、5G技术、AR/VR技术的发展，新闻中心4K超高清节目制作的需求逐步扩大，相关设备的IP化进程在不断加快。如何完善演播室IP化驱动，如何提高新闻中心4K演播室制播效率，成为当前电视媒体业务升级的关注热点。为此，结合一线演播室工作经验，分析了新闻中心4K超高清IP化演播室设计策略，现做如下分析。
1. 基于体验维度的4K超高清优势
电视媒体为了更好的增强观众的观看体验，已720P标清全面升级到1080P高清，而4K替换升级也在逐步启动实行。新闻中心4K超高清节目较传统的高清节目，从多个维度上增强了观众体验：分辨率更高、流畅度更快、音效升级、色彩种类延伸、色域空间拓展、动态范围更广。
首先，分辨率更高是4K超高清最为主要的优势，从1920×1080的分辨率升级到3840×2160的分辨率，可以令新闻节目的画面更加细腻。其次，流畅度更快增强了4K节目的观看体验，从25/30P升级到50/60P后，新闻节目画面更加流畅，不会再出现画面卡顿问题，尤其运动特效场景体验度更佳。再次，音效升级从5.1声道扩大到22.2声道，令用户体验到身临其境的音效。最后，色彩种类延伸对画面色彩传输效果更强，颜色种类从1600万扩大到10.7亿种，色彩表达更为细腻。同时色域空间也全面拓展，从BT709扩大到BT2020令色彩维度更加接近观众眼球视觉体验，真实度更强。此外，色彩动态范围更广，从100：1扩大到1000：1，令色彩对比更为明显。
2. IP化驱动下4K超高清制播技术
2.1 高质量制播
新闻中心的4K超高清业务，在采取了IP架构方案后，对于制备质量的提升具有明显支持作用。而IP化的发展，也必然是演播室技术升级的重要方向。目前电视台新闻中心，多少已经改造升级为4K超高清系统，而绝大部分也是在IP化的系统架构上完成的技术升级，进而满足了演播室控制系统的简化操作。IP化驱动下的制播质量提高，主要是遵循了ST2022-6、ST2110、ST2059等多种标准格式，利用IP交换矩阵完成了视频流的切换，可以最大限度的降低切换画面时产生静帧或黑场的问题，同时匹配了PTP操控系统实现了时钟同步对接，制播质量必然全面提升。
2.2 高可靠制播
新闻中心4K业务的升级，并非只对画面传输效果进行改善，而是针对演播室所有终端设备的全面升级。核心路由器设备朝向芯片级、设备级、网络级三个方向发展，以保障演播室制播需求得以满足。传统的SDI系统链路过于复杂，链接不同端口时也需要终端设备转接。而拓展了IP驱动系统后，打破了端对端的单线联系操作局限，演播室设备可以直接通过IP交换机完成信号传输。那么新闻中心演播室则可以随时完成自由连线，外部设备也可以同步演播室视频与音频数据，数据信号的同步性更高，仅依靠同一IP链路便可完成信号传输，新闻中心演播室后续的运维操作得以简化，充分的提高了演播室操作便捷性与灵活性，制播保障大幅提升。
2.3 高共享制播
新闻中心4K演播室系统升级完成IP化驱动后，打破了传统制播设备系统单一性问题，不会再出现信息孤岛的被动局面。新闻中心演播室多路链接、互联互通的优势更为突出。依靠IP系统可实现演播室信息资源的实时共享，以顺应媒体融合技术的发展趋势。IP驱动的最大优势在于演播室设备的全链接，基本上支持了GE/10GE/25GE/40GE/50GE/100GE等全系列网络端口的链接，可实现全系列视频码流的任意接入。同时也支持第三方媒体集成控制器的信号源对接，那么IP网络资源的共享度必然有所提升，统一调度管理演播室信号资源的技术条件更为优越，真正令新闻中心演播室实现可视化运维、智能化运维、共享化运维。
3. 新闻中心4K超高清IP化演播室设计策略
3.1 升级终端设备
新闻中心4K超高清的业务升级，不仅是增强观众观看体验的重要方式，而且对传输内容的带宽容量扩大也提出了全新要求。3Gbps的非压缩码显然传输效率并无法达到4K要求，故而升级到了12Gbps的数据流量。然而SDI总控矩阵的传统制播方案，显然已经无法服务于4K业务。100米的传输距离，令SDI线缆的维护成本增加，而且3G-SDI传输最少需要4根线缆，维护难度很大。升级终端设备显然是4K超高清IP化进程的关键，对于演播室设计起到了至关重要的作用。在4K制播IP网络架构方面，需要完成4K总控、演播室、转播车、播出、收录等全业务场景的应用升级，进而满足新闻中心4K超高清IP化演播室的功能拓展。
3.2 PTP同步锁相
新闻中心传输信号必须时刻同步，混合或切换信号时，也需要同步操作的支持。传统演播室信号同步技术，主要是依靠三电平信号和BB黑场信号完成同步。而在IP系统中，则以PTP锁相技术完成精准的同步时间对接。既能够满足传统设备的同步锁相需求，也支持IP设备PTP锁相需求。PTP主设备与附属设备同步接受和发送了四个时间段的信号，当发生延迟时各设备定时协议启动，“主-从”设备同步运行降低了网络延时产生的信号偏移风险，时钟偏差计算[（t2–t1）-（t4–t3）]/2完成了亚秒级精度，均可在PTP系统支持下完成同步传输。 3.3 IP冗余备份
IP格式下的4K信号源，在传输速率上要求更高，难免出现网络冗余问题。那么备份原始信号源的要求也就更高，必须满足4K信号多重传输的基本要求，也要满足少数12GB SDI信号的传输需求。那么演播室则需要设计出双链路冗余备份的系统架构，采取主交换机和备用交换机的双链路备份方案。所有信号源均需要通过两台交换机进行信号传输，当主交换机出现突发故障时，另一台备用交换机则可以无缝衔接信号源的输出。根据SMPTE2022-7的协议标准，保护信号源在高码率传输下的稳定，提高应急切换的信号稳定性。
3.4 SDN总控系统
新闻中心SDI技术已经相当成熟，但是仍然难以满足4K传输的系统架构匹配。SDI线缆必须额外匹配终端设备才能延长传输距离，至少4根线缆才能满足4K业务的传输需求，维护成本和复杂度都更高。而采用SDN总控系统，则能够提高网络衔接的灵活性与操作性。SDN软件定义网络的英文全称为：Software Defined Network，是实现网络虚拟化的必要条件，可分离网络设备的数据层和控制层，实现新闻信号传输的多通道智能化升级。在新闻中心演播室设计上，IP化架构必须依靠SDN的技术支持，实现对于各种设备的资源配置与维护。同时SDN总控系统具备了预警和故障分析功能，有效降低设备负载，协助演播室简化操作流程，提高演播室制播系统提高工作效率。
3.5 IP净切换
新闻中心演播室的4K业务中，IP系统对信号源的切换效率更高，主要是因为终端系统采取了净切换方案。由于传统的IP组播技术中，采取了数据信号源的分布发送模式，在信号接收与流入控制上，对应了组播单项选择的“加入/离开”方式，依据IGMP协议完成组播，并不利于信号实时切换的4K业务需求。而在IP驱动系统下，净切换链接了更多的数据包资源，可以令信号源数据流量无限扩大。因此，IP交换机并不会受限于视频帧的数据流边界，反而会在数据流增量后形成叠加优势。为了更好的满足4K演播室净切换需求，信号接收方案可以采取双路链接，同时接收和推送信号源，令双路IP信号流实现充分的互补，在不丢掉任何数据包的情况下，完成IP信号流的净切换。
4. 結语
综上所述，新闻节目4K超高清优势在于：分辨率更高、流畅度更快、音效升级、色彩种类延伸、色域空间拓展、色彩动态范围更广。IP化驱动下4K超高清制播技术，实现了高质量制播、高可靠制播、高共享制播。新闻中心4K超高清IP化演播室设计策略，需进一步升级演播室内各种终端设备，拓展PTP同步锁相技术，提高IP冗余备份能力，应用SDN总控系统，实现IP净切换。
参考文献：
[1]袁甲富.全IP4K超高清演播室集群的系统设计及思考[J].现代电视技术，2020（08）：80-83.
[2]单聪.小型4K超高清IP化演播室设计与应用[J].现代电视技术，2020（08）：84-88.
[3]郑红哲.广播电视IP技术变革下的制作系统架构方向[J].电声技术，2019，43（06）：10-14.
[4]侯佳.中央广播电视总台E164KIP化演播室视频系统架构[J].现代电视技术，2019（05）：94-98+152.
【关键词】新闻中心;4K超高清;IP化;演播室
中图分类号：TN94 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2020.22.009
在媒体融合迅速发展的环境下，伴随着新媒体技术、超高清技术、5G技术、AR/VR技术的发展，新闻中心4K超高清节目制作的需求逐步扩大，相关设备的IP化进程在不断加快。如何完善演播室IP化驱动，如何提高新闻中心4K演播室制播效率，成为当前电视媒体业务升级的关注热点。为此，结合一线演播室工作经验，分析了新闻中心4K超高清IP化演播室设计策略，现做如下分析。
1. 基于体验维度的4K超高清优势
电视媒体为了更好的增强观众的观看体验，已720P标清全面升级到1080P高清，而4K替换升级也在逐步启动实行。新闻中心4K超高清节目较传统的高清节目，从多个维度上增强了观众体验：分辨率更高、流畅度更快、音效升级、色彩种类延伸、色域空间拓展、动态范围更广。
首先，分辨率更高是4K超高清最为主要的优势，从1920×1080的分辨率升级到3840×2160的分辨率，可以令新闻节目的画面更加细腻。其次，流畅度更快增强了4K节目的观看体验，从25/30P升级到50/60P后，新闻节目画面更加流畅，不会再出现画面卡顿问题，尤其运动特效场景体验度更佳。再次，音效升级从5.1声道扩大到22.2声道，令用户体验到身临其境的音效。最后，色彩种类延伸对画面色彩传输效果更强，颜色种类从1600万扩大到10.7亿种，色彩表达更为细腻。同时色域空间也全面拓展，从BT709扩大到BT2020令色彩维度更加接近观众眼球视觉体验，真实度更强。此外，色彩动态范围更广，从100：1扩大到1000：1，令色彩对比更为明显。
2. IP化驱动下4K超高清制播技术
2.1 高质量制播
新闻中心的4K超高清业务，在采取了IP架构方案后，对于制备质量的提升具有明显支持作用。而IP化的发展，也必然是演播室技术升级的重要方向。目前电视台新闻中心，多少已经改造升级为4K超高清系统，而绝大部分也是在IP化的系统架构上完成的技术升级，进而满足了演播室控制系统的简化操作。IP化驱动下的制播质量提高，主要是遵循了ST2022-6、ST2110、ST2059等多种标准格式，利用IP交换矩阵完成了视频流的切换，可以最大限度的降低切换画面时产生静帧或黑场的问题，同时匹配了PTP操控系统实现了时钟同步对接，制播质量必然全面提升。
2.2 高可靠制播
新闻中心4K业务的升级，并非只对画面传输效果进行改善，而是针对演播室所有终端设备的全面升级。核心路由器设备朝向芯片级、设备级、网络级三个方向发展，以保障演播室制播需求得以满足。传统的SDI系统链路过于复杂，链接不同端口时也需要终端设备转接。而拓展了IP驱动系统后，打破了端对端的单线联系操作局限，演播室设备可以直接通过IP交换机完成信号传输。那么新闻中心演播室则可以随时完成自由连线，外部设备也可以同步演播室视频与音频数据，数据信号的同步性更高，仅依靠同一IP链路便可完成信号传输，新闻中心演播室后续的运维操作得以简化，充分的提高了演播室操作便捷性与灵活性，制播保障大幅提升。
2.3 高共享制播
新闻中心4K演播室系统升级完成IP化驱动后，打破了传统制播设备系统单一性问题，不会再出现信息孤岛的被动局面。新闻中心演播室多路链接、互联互通的优势更为突出。依靠IP系统可实现演播室信息资源的实时共享，以顺应媒体融合技术的发展趋势。IP驱动的最大优势在于演播室设备的全链接，基本上支持了GE/10GE/25GE/40GE/50GE/100GE等全系列网络端口的链接，可实现全系列视频码流的任意接入。同时也支持第三方媒体集成控制器的信号源对接，那么IP网络资源的共享度必然有所提升，统一调度管理演播室信号资源的技术条件更为优越，真正令新闻中心演播室实现可视化运维、智能化运维、共享化运维。
3. 新闻中心4K超高清IP化演播室设计策略
3.1 升级终端设备
新闻中心4K超高清的业务升级，不仅是增强观众观看体验的重要方式，而且对传输内容的带宽容量扩大也提出了全新要求。3Gbps的非压缩码显然传输效率并无法达到4K要求，故而升级到了12Gbps的数据流量。然而SDI总控矩阵的传统制播方案，显然已经无法服务于4K业务。100米的传输距离，令SDI线缆的维护成本增加，而且3G-SDI传输最少需要4根线缆，维护难度很大。升级终端设备显然是4K超高清IP化进程的关键，对于演播室设计起到了至关重要的作用。在4K制播IP网络架构方面，需要完成4K总控、演播室、转播车、播出、收录等全业务场景的应用升级，进而满足新闻中心4K超高清IP化演播室的功能拓展。
3.2 PTP同步锁相
新闻中心传输信号必须时刻同步，混合或切换信号时，也需要同步操作的支持。传统演播室信号同步技术，主要是依靠三电平信号和BB黑场信号完成同步。而在IP系统中，则以PTP锁相技术完成精准的同步时间对接。既能够满足传统设备的同步锁相需求，也支持IP设备PTP锁相需求。PTP主设备与附属设备同步接受和发送了四个时间段的信号，当发生延迟时各设备定时协议启动，“主-从”设备同步运行降低了网络延时产生的信号偏移风险，时钟偏差计算[（t2–t1）-（t4–t3）]/2完成了亚秒级精度，均可在PTP系统支持下完成同步传输。 3.3 IP冗余备份
IP格式下的4K信号源，在传输速率上要求更高，难免出现网络冗余问题。那么备份原始信号源的要求也就更高，必须满足4K信号多重传输的基本要求，也要满足少数12GB SDI信号的传输需求。那么演播室则需要设计出双链路冗余备份的系统架构，采取主交换机和备用交换机的双链路备份方案。所有信号源均需要通过两台交换机进行信号传输，当主交换机出现突发故障时，另一台备用交换机则可以无缝衔接信号源的输出。根据SMPTE2022-7的协议标准，保护信号源在高码率传输下的稳定，提高应急切换的信号稳定性。
3.4 SDN总控系统
新闻中心SDI技术已经相当成熟，但是仍然难以满足4K传输的系统架构匹配。SDI线缆必须额外匹配终端设备才能延长传输距离，至少4根线缆才能满足4K业务的传输需求，维护成本和复杂度都更高。而采用SDN总控系统，则能够提高网络衔接的灵活性与操作性。SDN软件定义网络的英文全称为：Software Defined Network，是实现网络虚拟化的必要条件，可分离网络设备的数据层和控制层，实现新闻信号传输的多通道智能化升级。在新闻中心演播室设计上，IP化架构必须依靠SDN的技术支持，实现对于各种设备的资源配置与维护。同时SDN总控系统具备了预警和故障分析功能，有效降低设备负载，协助演播室简化操作流程，提高演播室制播系统提高工作效率。
3.5 IP净切换
新闻中心演播室的4K业务中，IP系统对信号源的切换效率更高，主要是因为终端系统采取了净切换方案。由于传统的IP组播技术中，采取了数据信号源的分布发送模式，在信号接收与流入控制上，对应了组播单项选择的“加入/离开”方式，依据IGMP协议完成组播，并不利于信号实时切换的4K业务需求。而在IP驱动系统下，净切换链接了更多的数据包资源，可以令信号源数据流量无限扩大。因此，IP交换机并不会受限于视频帧的数据流边界，反而会在数据流增量后形成叠加优势。为了更好的满足4K演播室净切换需求，信号接收方案可以采取双路链接，同时接收和推送信号源，令双路IP信号流实现充分的互补，在不丢掉任何数据包的情况下，完成IP信号流的净切换。
4. 結语
综上所述，新闻节目4K超高清优势在于：分辨率更高、流畅度更快、音效升级、色彩种类延伸、色域空间拓展、色彩动态范围更广。IP化驱动下4K超高清制播技术，实现了高质量制播、高可靠制播、高共享制播。新闻中心4K超高清IP化演播室设计策略，需进一步升级演播室内各种终端设备，拓展PTP同步锁相技术，提高IP冗余备份能力，应用SDN总控系统，实现IP净切换。
参考文献：
[1]袁甲富.全IP4K超高清演播室集群的系统设计及思考[J].现代电视技术，2020（08）：80-83.
[2]单聪.小型4K超高清IP化演播室设计与应用[J].现代电视技术，2020（08）：84-88.
[3]郑红哲.广播电视IP技术变革下的制作系统架构方向[J].电声技术，2019，43（06）：10-14.
[4]侯佳.中央广播电视总台E164KIP化演播室视频系统架构[J].现代电视技术，2019（05）：94-98+152.