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8K超高清频道视音频系统设计与探讨

8KCINE 发布于 07月22日 本文共5571个字,预计阅读时间需要14分钟。
摘要

本文介绍了中央广播电视总台8K超高清频道视音频系统的设计思路和整体架构,详细阐述了系统内各个功能模块,并对于8K IP播出系统的设计、建设和运行维护面临的问题进行思考与探讨,以期为未来IP化的超高清播出系统设计提供思路和借鉴。

关键词

8K超高清|视音频系统| IP化

中央广播电视总台的8K超高清频道于2022年1月24日正式开播。这是总台在打造国际一流新型主流媒体的征程中,牢牢把握科技创新主基调,特别是围绕超高清视音频产业这一国家发展战略谋篇布局中的重要一环。相比于4K电视信号,8K电视信号在兼具宽色域、高动态范围等特点的同时,分辨率更是由4K的3840×2160提升到8K的7680×4320,对信号传输带宽提出了更高的需求。8K电视信号的这些特点,也为8K播出视音频系统的设计带来新的挑战。
一、8K超高清频道视音频系统架构选择及关键技术
随着IP技术的不断成熟,播出系统也逐渐由传统基带架构向IP架构发展。相比传统基带架构,IP架构下的播出系统更轻量化,更适合8K超高清信号的高带宽需求。因此总台8K超高清频道的播出系统采用了全IP架构,系统内的视音频信号采用基于SMPTE ST 2110-20/21/30/40及SMPTE ST 2022-7标准的无压缩IP信号。整个系统在IP化后,系统设计中的几个关键点如下。
1.系统资源“池化”
CCTV-8K超高清电视播出系统在设计时,充分考虑8K电视信号的特点,采用了全IP设计,同时将整个系统资源进行“池化”处理,将整个系统依据功能划分为不同的资源池,资源池内的每个设备分配唯一的单播IP地址和组播IP地址。
如图1所示,整个播出系统内的无压缩信号以IP信号调度矩阵为核心,并按照功能划分为外来信号资源池、服务器资源池、周边资源池、末级切换资源池和监听监看资源池。各个资源池在逻辑上互相独立,依据总台统一的组播地址规划分配不同IP地址。
8K超高清频道视音频系统设计与探讨 5G+8K快讯 第1张
系统各个资源池提供对应能力的服务,用户不关心具体设备,只需要知道不同资源池能够提供的服务数量和对应能力的IP地址即可。这种功能服务可以用硬件设备实现,也可以由软件实现,从而极大地增强了整个系统的可维护性和可扩展性。整个播出系统逐渐向IP、IT领域发展,这也为系统内其他功能设备向“软件定义”方向发展铺平了道路。
2.切换机制设计选择
IP播出系统信号切换目前有两种方式,第一种是基于SDN服务器的控制切换。这种方式下,系统主要由交换机、终端设备、SDN服务器、相应软件(软件具备SDN功能和终端控制功能)实现。如果需要信号的静净切换,则需要配置支持静净切换的交换机或路由器。该模式下,整个系统内数据流的调度和管理由SDN软件发起,系统能够进行灵活调度管控,适合较大网络规模,但软件需要根据实际的业务类型进行定制化开发,开发周期相对较长,系统软硬件综合成本较高。
第二种信号切换方式是终端设备切换。这种方式下系统主要由交换机、终端设备、终端控制服务器、配套软件(软件具备终端控制功能)实现,只要终端设备支持静净切换就可以实现整个链路信号的静净切换。
终端切换模式下,信号的切换由终端设备发起,网络结构相对简单,系统流表简单清晰,更适合播出系统这种终端设备相对较少、流的方向性相对固定的小规模网络。
目前广电市场内,支持静净切换的设备较为丰富,产品大都自带配套控制软件,并且能够很好地适配第三方外部控制。此次总台的8K超高清播出系统选用了基于终端切换的切换机制,系统内通过NMOS协议或私有协议控制终端发起IGMP请求,由终端设备采用Make before Break切换方式和双倍信号带宽实现信号静净切换。
3.8K IP信号齐切设计与实现
由于8K单流视频信号的码率过大和市场上设备现状,8K系统内的信号采用4组无压缩的4K视音频流和辅助数据构成。同时,为了保证8K画面在切换时的整齐统一,这4组无压缩IP流的切换需要制定高精度的齐切机制,防止出现4组视音频流逐个切换的现象,影响画面整体观感。
在总台8K播出系统里,涉及信号切换的设备主要为视频服务器端和末级切换设备端。在视频服务器端,视频服务器具备本地文件和外来信号的静净切换能力,系统通过精准授时和第三方统一控制机制,实现服务器端的8K IP信号齐切。
在末级切换设备端,将4组IP选切设备在自带的控制软件内逻辑绑定为一个设备,通过设备内部高精度的控制命令传递,收到控制命令后,系统内部4个选切设备以第一个设备为主进行信号对齐,然后进行4个选切设备的协同切换,实现末级切换设备的8K IP信号齐切。
4.8K视音频系统信号安全设计
在传统的播出系统内,安全策略主要应用在IT网络范围,视音频信号为基带SDI信号,不涉及安全问题。而视音频系统由传统基带架构发展成IP架构后,信号传输层面由电信号变成了互联网通用协议下的数据包,整个系统结构向IT网络方向转变,系统安全问题就成了一个必须重视的关键点。
8K播出视音频系统从边界安全、网络安全和终端安全3个方面出发,构建了整个视音频系统的安全体系。其中边界安全分为视音频系统与外部对接系统边界安全、视音频系统与IT网络边界安全两部分。
与外部对接系统方面,将台内对接的各系统数据流网络置为可信网络,数据流设备直接对接,但是信号交互的端口不建立邻居关系,不起组播路由协议,只通过上游系统给下游系统主动推流的方式,减少各系统间非必要的关联。
播出系统内,设备一律选用带外管理方式,将数据网与控制网完全隔离。网络安全方面,采用子网隔离、访问控制、带宽保证等技术,确保数据网的安全。终端安全方面,对有操作系统的数据网设备进行基线配置,通过堡垒主机统一管理整个数据网内设备登录和管理,做到系统设备的登录和操作可控、可查,确保终端设备安全。
二、8K超高清频道视音频系统功能设计
8K超高清频道视音频系统在功能设计上,主要分为视音频链路子系统、时钟同步子系统、监听监看子系统等,如图2所示。
8K超高清频道视音频系统设计与探讨 5G+8K快讯 第2张
1.视音频链路子系统
视音频链路子系统中,最核心的设备就是播出视频服务器。此次系统选用了ALL IN ONE视频服务器,主要负责播出文件的解码播放、外来信号的选切和台标、图文包装等功能。系统共配置了3台相互独立、品牌型号完全异构的ALL IN ONE播出视频服务器,并在服务器前后配置了对应的时钟再生设备和支持静净切换的8K IP信号选切设备。系统共支持一个8K主频道(主备链路)和一个8K个性化频道(单链路)的播出。
系统支持文件播出与直播两种方式。
◆文件播出方式下,由视频服务器播放8K文件, 将输出的8K IP信号推送至IP信号调度矩阵,然后由末级选切设备拉取对应的8K IP信号,送至编码压缩系统;
◆直播播出方式下,系统接收外来8K IP信号, 经过前置的时钟再生设备,将外来信号内的PTP时间统一为播出系统内部PTP。外来信号经过视频服务器,然后由视频服务器对输入信号进行处理,增加台标、字幕后,将输出信号推送至交换机,最后由末级选切设备拉取正确的8K IP信号,送至编码压缩系统。
系统同时配置了8K垫片播放器、8K字幕机和多功能处理器等设备,各设备产生的8K IP信号均汇入IP调度矩阵。其中垫片服务器用于产生8K应急垫片信号,8K字幕机用于应对复杂情况下的8K字幕需求。多功能处理器则具备对1路8KIP信号的时钟再生、封装、解封装、声道处理、静净切换等多种功能,用于系统信号的应急处理。
2.时钟同步子系统
8K视音频系统内时钟同步信号的时钟源均来自主控PTP时钟。按照业务类型的不同,视音频IP信号处理设备选用PTP信号,IT类服务器类选用NTP信号。整个同步时钟系统如图3所示,系统接收来自外部的PTP基准作为系统内同步机的外来时钟源,同步机产生的PTP信号经由IP信号调度矩阵分发至各终端设备,IP信号调度矩阵配置为边界时钟模式。
8K超高清频道视音频系统设计与探讨 5G+8K快讯 第3张
系统内配置主备PTP分发链路,通过配置主备同步机PTP时钟不同的优先级,并在主备IP信号调度矩阵中间做级联(级联线路只允许PTP报文通过),使整个同步分发系统优先选择主同步机产生的PTP时钟。在主同步机发生故障时,也能够通过BMCA最佳时钟算法,短时间无缝切换至备同步机发生的PTP时钟。
同时,主备同步机发生NTP时钟信号,用以给系统内IT设备提供NTP精准时钟源,确保帧精度精准控制及日志记录等。
3.监听监看子系统
系统监听监看主要分为技术监看与集中监看两部分。
◆系统技术监看主要配置了8K监视器、IP监听单元和8K示波器,用于对系统内8K视音频组播进行技术监听监看。同时,系统配置了PTP信号监测仪,可以对系统内的PTP信号进行记录和监测;
◆集中监看方面,系统配置了8K多画面分割器和拼接控制器,用于8K播出系统信号的集中监看,同时配置5.1环绕声监听环境,用于对5.1环绕声的监听。
三、8K超高清播出系统探讨与思考
1.播出系统IP化带来的挑战
电视播出系统由传统的基带架构向IP架构发展已是大势所趋,随着相关标准和产品的不断丰富和完善,信号IP化在确保播出安全的前提下,能够给播出系统带来更多的便利。
IP系统相比于基带系统,物理链路由铜轴线缆变成了光纤,单根线缆的传输能力得到了极大提升,尤其在8K信号传输上,极大地节省了线缆数量与机柜空间,使得系统在物理结构上变得更轻便,也极大地节省了系统的硬件集成时间。
在IP化的系统里,整个系统以IP调度矩阵为核心,所有数据流的交互都在调度矩阵上,理论上系统内所有数据流的切换、调度在调度矩阵内均“有迹可循”。目前作为IP调度矩阵应用的交换机、路由器等设备, 大多由IT通用交换机发展而来,虽然设备本身可以详细记录信息交互日志,但是日志大多以命令行的方式呈现,界面不友好,需要掌握一定的专业知识,深入了解设备的运行机制才能够进行正确的获取和解析,提高了系统运维的门槛。
这也对系统内的监控系统提出了更高要求,需要对核心调度矩阵进行重点监控,将一些底层的日志信息、报警信息、逻辑拓扑等内容以图形化的方式关联系统业务进行报警,从而为系统运维提供更全面、及时、界面友好的报警信息。
系统IP化带来种种便利的同时,由于发展尚未完全成熟,也给播出系统带来新的挑战。在基带时代,视音频信号所见即所得,设备输入输出信号清晰可见,而在目前的IP信号领域尚未做到完全的所见即所得,在个别领域上,如8K监视器,目前市场上主流产品仍然以SDI接口为主。
这样就需要进行信号转换才能够监看。我们也期待随着整个市场的不断成熟壮大,市场上真正的8K设备、IP设备能够日益丰富,系统设计上能够有更多更好的选择。同时,相关国际、国内标准仍处在不断完善阶段,在IP数据互联互通,打包、封装等参数上,不同厂家设备存在差异,这些细节上的差异,则会影响到下游系统对信号的解析和获取,因此需要上下游各系统不断地测试与磨合。
当视音频系统发展到IP化,数据网的网络安全就变得日益重要起来。比起传统IT领域,IP化后的视音频网络应用到的协议相对较少,但如何准确地定义视音频网络的安全,目前也是一个逐渐发展的过程。同时系统IP化后,终端设备也逐渐走向“通用服务器+软件定义”的架构,专业的视音频设备越来越少,这些变化也会给系统终端设备安全带来新的课题。
2.8K信号监听监看面临的问题
8K信号给我们带来高分辨率的同时,也给系统带来高带宽的挑战,首当其冲的就是监听监看系统。由于监听监看系统需要为系统的应急处理、故障判断提供参考依据,所以系统内绝大多数信号均需要获取及展示。
到了8K阶段,如果需要对系统内全部的8K IP源码信号进行获取,会消耗极大的设备资源,占据一半以上的系统成本。因此在进行监听监看系统设计时,需要从系统成本和系统需求两方面综合考虑,在尽可能多地监看系统内源码信号的同时,也需要一些低码率信号的辅助。
这也对系统内的设备提出了额外要求,即8K设备在发生8K IP信号的同时,能够产生与源码保持一致的低码率信号,从而为信号的监看提供更多更经济的选择。这种低码率信号产生,需要与设备产生的8K源码信号严格保持一致,从而尽量保证监看系统内信号的真实性。
8K超高清信号在给观众呈现高分辨率细腻画质的同时,也具备高动态范围、宽色域等特点。在信号从生产、制作、播出到传输过程中,图像的HDR、色域、组合方式等技术参数都可以嵌入在基带信号辅助区或IP信号中,这些数据对于整个信号链路中各环节对信号的真实还原起着至关重要的作用。因此在整个8K生产制作与传输全链路对这些数据的无损传输会给各系统带来更大的便利。
3.8K电视的发展与未来
8K电视信号高分辨率带来的高清晰度意味着尺寸越大的终端显示设备越能够体现其优势。而高分辨率带来的高带宽,也一定程度上限制了8K信号的入网入户。相比于高清电视和4K电视,8K超高清电视目前更多的应用场景在户外公共大屏。
2022年1月24日,在总台8K超高清频道开播的同时,“百城千屏”公共大屏项目也随之启动,该项目通过新建或引导改造国内4K/8K 超高清大屏,旨在丰富超高清视音频服务场景,加速推动超高清视音频在多方面的融合创新发展。项目在2022年北京冬奥会高铁专线上设置了8K超高清大屏,很好地向世界展示了我国8K超高清电视的发展成果。
电视信号从标清到高清,国内电视行业的发展相对于欧美日韩,一直处于跟随者的角色。发展到4K电视,尤其是8K电视,给了国内众多科研院所和厂家一个站在整个行业最前沿、做领跑者的机遇。在此次8K超高清系统建设中,我们也欣然见到4K/8K等超高清设备有更多的国内机构和厂家在研究、生产。总台的8K超高清系统内也选用了很多优秀的国产厂家设备,8K电视等新技术在给整个行业带来新挑战的同时,也给国内的电视行业发展提供了一次新的发展机遇。

来源:选自2022年第6期《现代电视技术》

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