中央广播电视总台8K超高清电视制播技术及春晚应用
来源:选自《演艺科技》2021年第3期 赵贵华《中央广播电视总台8K超高清电视制播技术及春晚应用》 | 作者: 赵贵华 演艺科技传媒 | 发布时间: 2021-05-21 | 79 次浏览 | 分享到:

中央广播电视总台(以下简称“总台”)为了推动2021央视春晚开展技术创新,以北京冬奥8K转播为目标,以总台超高清视音频制播与呈现国家重点实验室为研究平台,联合企事业科研单位,积极推进总台8K超高清电视的科技创新,研发了8K制播呈现全链路试验系统,包括8K演播室和后期制作系统、8K IP主控调度分发系统、8K播出系统、8K AVS3编解码系统、8K IP电视集成分发和接收系统。


2021年2月1日至2月28日,总台8K超高清电视频道在台内以IP网和5G网组播方式进行播出试验。2月11日除夕夜,总台8K超高清播出试验频道对2021年央视春晚进行8K直播,为广大用户提供了超清画质、绚丽多彩的视觉盛宴。

1 世界8K超高清电视发展情况


日本是最早开展8K超高清电视技术研究和电视节目制作播出的国家。2018年12月日本开通了首个8K超高清电视频道,并以卫星传输的方式播出,分辨率为7 680×4 320,帧率为59.94P ,色彩深度为10 bit,采用HEVC编码,码率为100 Mb/s。欧洲近几年对体育节目和国际重大赛事进行了8K超高清电视的卫星传送。2018年5月欧洲卫星运营商SES首次通过其卫星系统播出8K超高清电视信号,分辨率为7 680×4 320,帧率为60P,色彩深度为10 bit,采用HEVC编码,码率为80 Mb/s。而对于北美,基本上是采用网络流媒体服务的方式提供超高清电视节目,未见到正式的8K超高清电视节目播出。

2021年2月1日,央视8K超高清电视频道播出试验仪式在北京梅地亚中心顺利举行,发布仪式现场播放了8K超高清电视频道试验系统筹备建设宣传片,展示了8K技术给电视带来的全新升级。按照国家《超高清视音频产业行动计划(2019年—2022年)》预测,2022年中国超高清视频产业总体规模将超过4万亿元。根据全国家用电器工业信息中心的数据,2019年中国8K电视销量约2.3万台。从近年来电视行业整体发展情况来看,电视机已进入存量市场,年销量保持在470万台左右,按照5%的渗透率计算,2022年8K电视销量预计将达到23.5万台。


2 总台8K超高清电视制播创新研究


2018年10月1日总台开播了4K超高清电视频道,加快推进了4K超高清节目内容和4K电视机的快速发展。近两年来,总台注重8K超高清技术的研究,承担了相关科研项目和重大活动超高清制作,积极推动了8K超高清技术和项目的创新发展。



2.1 5G+4K/8K超高清制播示范平台项目


2020年,总台牵头承担了国家发改委“5G+4K/8K超高清制播示范平台”项目,项目建设内容包括在总台北京总部和上海传媒港建设5G+4K/8K超高清制播系统、5G超高清业务传输网络等基础设施、建设便携式5G+4K/8K直播编码传输系统、AVS2/AVS3标准超高清电视影院直播系统,以及5G和超高清相关测试体系等。该项目在建设的同时,开展科研创新完成5G+4K/8K相关系统设备的研制,并制定国家或行业技术标准。项目建成后,将首次实现基于5G技术的“云管端”全新业务模式,形成年产10 000小时超高清节目制作能力,并全面对接总台电视、新媒体、电影平台,实现4K/8K超高清电视节目在各平台的直播、点播,满足人民群众更高的收视体验需求。


2.2 8K超高清图像测试序列


超高清图像测试序列是广播电视图像质量主观评价的基础,广泛应用于广电技术装备与节目质量的检测。总台联合国家广电总局规划院,共同制作的4K/8K超高清电视图像序列获得国际高度认可,其中65个超高清电视图像序列已被ITU(国际电信联盟)接受,成为ITU-R BT.2245国际标准,并应用国际4K/8K超高清电视系统设备技术评估。


2.3 国内重大活动的8K超高清制作


总台采用8K超高清技术录制了国庆70周年庆祝活动和2020年央视春晚,获得了大量的8K超高清节目素材并积累了丰富的8K制作经验。2020年,总台制作了首部全流程8K系列纪录片《美丽中国说》,共5集,每集30分钟。这是总台首部以自然为题材的8K系列纪录片,该片用8K超高清技术真实地再现了中国特有的大熊猫、羚牛、中华秋沙鸭等物种憨态可掬、自由自在的生存状态,无论是在国内还是在国际传播中都受到人们真心喜爱和广泛欢迎。这部高品质的8K系列纪录片也是总台全面构建“5G+4K/8K+AI”战略布局、推动技术和内容深度融合的最新成果。


2.4 4K/8K超高清制播平台研究项目


随着超高清制播技术的发展,广播电视系统基础架构逐渐由SDI向IP化过渡。2019年,总台负责科技部4K/8K超高清制播平台项目研究,主要研究国产化超高清IP制作技术和设备,包括研发大带宽、高吞吐量满足广电IP技术标准的国产化路由交换设备,开发SDN综合控、管、监管理系统,构建IP调度交换矩阵的组网架构和组网技术、业务流调度、可视化监控监测方案,基于IP架构的国产化媒体节点产品研发和归一化视音频信号处理产品研发,并对PTP时钟在广电IP域中组网方式进行研究以及IP架构在现场制播系统的应用适配研究等。


2.5 科技冬奥8K重点专项研究


总台负责了科技冬奥重点专项“超高清8K数字转播技术与系统项目”,针对8K数据量大、码率高、效率低的困难与挑战,重点研究冬奥赛事的8K图像收录、处理、存储、传输、显示技术和转播系统。项目围绕“冬奥超高清8K数字转播技术与系统”采集制作、编码传输和终端呈现,从关键技术、平台构建和应用示范三个层次进行研发和实践。研究8K内容采集制作关键技术并制定适合中国的8K电视转播制作的流程和规范;研究基于有线电视网络超高清8K跨域传输覆盖、入户接收技术及应用,并对超高清8K图像显示技术和终端设备进行研制,构建涵盖采集、制作、编码、传输、点播和呈现于一体的冬奥超高清8K数字转播平台。


3 总台8K超高清电视制播系统


2020年,总台依托国家重点实验室,联合华为、格非、当虹科技等视音频技术厂商,共同开展技术研究,积极推动超高清技术创新发展,整个研究涵盖了从前端制作、调度分发、播出控制到终端呈现等系统,具备了全流程8K视音频编辑制作和播出分发能力。


3.1 8K电视演播室和后期制作系统

8K超高清电视演播室系统采用SMPTE-2110国际标准进行无压缩8K信号制作,系统中切换、拍摄、放像、字幕包装等8K设备均采用IP信号,实现高带宽低延时处理和传输。演播室输出采用4个12 Gb/s的视频IP组播信号流方式实现8K超高清信号传输。8K超高清电视节目视频录制信号格式为7 680×4 320/50p、HLG/1 000 nit、10 bit、BT.2020色域,音频格式为5.1环绕声格式。


总台建设4K/8K超高清后期制作系统,可直接导入8K超高清原码文件(如XAVC)进行编辑,也可采用4K或高清代理编码制作流程。编辑完成后,输出成品工程文件到精编工作站套片,完成编辑、调色与音频文件交互、合成等工作,确保8K超高清电视节目图像的高质量要求。图1为8K电视演播室和后期制作系统。


3.2 8K IP主控调度分发系统


8K IP主控调度分发系统主要负责全台各8K超高清电视制播系统间的8K超高清电视信号调度和分发。对于视频信号,按照SMPTE ST 2110标准进行IP化封装并采用4个12 Gb/s的视频IP组播信号流方式实现全台各系统间8K超高清电视信号的调度和交换;对于外来的8K信号,按照台内统一标准进行处理后,纳入全台调度系统使用。音频信号按照SMPTE ST 2110标准进行全台范围分发,按照4个音频IP组播流方式实现8K超高清信号的全台各系统间的调度和交换,各制播系统按需从IP流中取用。图2为8K IP主控调度分发系统。


3.3 8K 超高清电视播出系统


8K超高清电视播出系统用于播出的控制、管理、监控,其视音频交互接口采用无压缩IP或SDI,IP链路采用4路SMPTE ST 2110标准作为封装调度的参考依据,SDI链路采用4路12 Gb/s信号传输。4路子画面的分割采用SQD方式。对HDR、环绕声和三维声的元数据及编码信号进行透传。


8K超高清电视节目文件格式采用SQD方式分割为4个4K子文件,节目文件整备主要来自于台内制作岛,制作岛将成品播出节目文件及其技审单送播;节目单据由播出系统内部生成与管理,节目文件技审单由制作岛送播文件时一并提供。图3为8K超高清电视播出系统。

3.4 8K AVS3编解码系统

AVS3标准是中国具有自主知识产权、聚焦8K超高清的视频编解码标准,总台以此为基础构建了8K超高清电视传播体系。AVS3标准创新了块编码结构模式,在运动模型方面引入高阶参数模型,并通过块匹配方法在参考帧中找到最佳匹配。推进AVS3标准的应用,使得中国在4K/8K超高清产业标准和专利上拥有自主权,有利于推动中国超高清视频产业快速健康发展。


8K超高清电视信号编码器,具备4×12 Gb/s和SMPTE ST 2110的8K超高清信号输入接口,ASI和TS/IP码流输出接口;8K超高清电视信号解码器,具备ASI和TS/IP码流输入接口,4×12 Gb/s和SMPTE ST 2110的8K超高清信号输出接口。图4为8K AVS3编解码系统。

3.5 8K IP电视集成分发和接收系统


8 K 超高清I P 电视播控平台,实现了基于IP化的8K信号播出和控制,总台IPTV网络直播组播传输遵循UDP协议,组播中的节目采用透明传输,利用用户分组来鉴权管理;时移、回看单播传输遵循HLS协议。8K超高清电视视频采用AVS3标准,码率不低于120 Mb/s,音频采用信源透传。总台以华为海思芯片为核心,研发了8K编解码器和8K/4K转换器等设备,满足8K超高清电视终端呈现需求。8K机顶盒解码芯片支持AVS3输出HDMI 2.1接口。图5为8K IP电视集成分发和接收系统。

4 2021央视春晚8K超高清电视制播呈现


为了规范8K超高清电视制播和2021年央视春晚8K应用,2021年1月总台发布了《中央广播电视总台8K超高清电视节目制播技术要求》,内容涵盖8K节目制播流程、视音频基本技术参数、视音频制作技术要求、总控系统技术要求、播出系统技术要求、播出信号编码压缩技术要求、分发技术要求、大屏幕显示技术要求等方面。2月1日,总台8K超高清电视频道在台内以IP网和5G网组播方式进行播出试验,用户可通过8K AVS3机顶盒收看。同时,总台联合中国移动、中国电信、中国联通以及中国广电,除夕夜将央视春晚的8K超高清电视信号传送到北京等10个城市公共场所的大屏幕同步直播。图6为2021年央视春晚8K超高清制播和屏幕呈现流程。


4.1 信号制作和传输


为制作2021央视春晚8K PGM节目信号,总台在春晚演播大厅布置了9台8K摄像机,其中包括3台讯道机和6台单机进行拍摄。在8K导控室部署了8K播放服务器和字幕包装设备,通过8K演播室系统输出主备两路央视春晚8K PGM节目信号。图7为8K超高清演播室系统和立柜机房。

在光华路办公区总控机房新建IP主控调度分发系统,实现8K信号调度系统的部署和应用。该系统采用无压缩IP化方式,实现全台8K制播系统间的信号调度分发,确保8K画面的质量和效果。在复兴路办公区三层播出域建设8K频道播出系统,春晚8K直播送播信号格式为8K HDR、5.1环绕声+立体声。在光华路办公区总控建立8K AVS3编码系统对播出传送的信号进行处理,并提供主备两路120 Mb/s码率的8K信源送至IPTV平台进行分发。总台和浪潮集团联合研发了国内首款8K信号接收机顶盒。该机顶盒采用华为海思最新芯片可对8K央视春晚视频流进行解码,满足8K终端设备收看需求。

4.2 屏幕呈现


为了向台内用户展示央视春晚8K超高清图像,总台在北京四址、上海国际传媒港及深圳大湾区制作中心共6个办公区制作了超高清技术展板,设立了LED屏幕或8K电视机。总台IPTV平台接收总控传输的AVS3编码格式的8K节目流,使用流媒体集群系统通过总台内部网络推送UDP组播流视频信号和HTTP单播流视频信号,输出码率为120 Mb/s,总台用户可通过8K机顶盒直接收看8K春晚节目。

同时,总台联合四大运营商将央视春晚8K播出信号传输到北京、上海、深圳、广州、成都、杭州、济南、青岛、海口、福州10个城市的35块户外大屏幕或8K电视机同步呈现,8K超高清大屏均选择城市地标景点或人流集中的广场进行部署。总台IPTV平台通过专线传输UDP组播流视频信号和HTTP单播流视频信号至当地8K超高清机顶盒,同时通过专门研制的解码设备将HDMI2.1信号转4路HDMI2.0或者12 Gb/s信号,最终将解码后的4路信号传输给8K超高清户外大屏呈现。图8为成都和广州两地8K央视春晚屏幕呈现现场。

2021年春节期间,总台开展8K超高清电视频道播出试验,并进行央视春晚8K直播,对全球8K超高清电视发展具有引领和示范意义,这标志着中国已走在世界超高清电视发展的前列。总台以2021年央视春晚8K超高清电视直播为契机,将继续发挥在视音频制作领域的技术优势,加快推进超高清电视的创新发展,让广大人民群众真正体验到8K超高清节目带来的无以伦比的视听享受,助力中国超高清电视产业快速发展。

选自《演艺科技》2021年第3期  赵贵华《中央广播电视总台8K超高清电视制播技术及春晚应用》转载请标注:演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。

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