中国传媒大学实践实验教学中心（中传电视台）
刘杰锋 张 俊 卓 越
【摘要】通过对人眼视觉特点、行业现况、系统结构与特性、不同节目制做模式的兼容以及HDR与SDR兼容等方面对超高清电视技术及超高清行业标准进行研究与剖析，介绍了中国传媒大学1400平米具有HDR制做能力的4K超高清演播室系统在建设时的定位及思索，并对项目及系统特征进行了说明，希望对业界起到借鉴和参考作用。
【关键词】4K 超高清 演播室系统 人眼视觉特点 高动态范围 宽色域
0 引言
从电视诞生至今不到一百年的时间里，电视技术不断创新，画面质量显著提高，视觉体会明显提高。今天，技术依然在加速发展。高清仍未完全普及，超高清早已到来，具备高动态范围（HDR）的超高清紧跟其后，且呈现不可抵挡之势。根据行业发展规律与人眼视觉特点需求，超高清电视系统必将代替高清系统，超高清演播室系统建设也将成为不可回避的话题。本文以中国传媒大学1400平米演播室建设为例，探析当前4K超高清演播室系统建设应考虑的一些问题，希望能对行业起到借鉴和参考作用。
1 4K超高清
全面了解4K超高清，是建设好超高清演播室系统的前提。
超高清，即超高清晰度电视（UHDTV），是高清晰度电视（HDTV）的下一代技术。根据国际电信联盟ITU-R2012年发布的 BT.2020建议书 [1]，超高清在图象空间特点上定义了两种帧率，即3840×2160（4K）与7680×4320（8K）。因此，4K和8K都属于超高清的范畴。
1.1 从人眼视觉特点认识超高清研究表明，人眼对于影像的视觉感观由多种诱因决定，其中图象帧率所占权重大大高于影像的对比度。另外，人眼对于图象帧率与象素数目的关系是非线性关系，可以理解为影像显示元件的规格大小确定后，像素数目的降低对于图象清晰度的提高不是线性关系。
研究进一步表明，在超高清环境下，影响人眼视觉感官的关键诱因取决于图象高动态范围（HDR）、宽色域（WCG）和运动画面高帧率（HFR）的综合疗效。
一般来说，自然界的色温范围从最暗的10-6数量级到最亮的109数量级，即色温帧率达到1015：1。正常人眼能形成视觉反应的色温帧率为1012：1，人眼在眼瞳不调节的情况下获取景物影像的帧率为105：1，相当于摄像机16.7档焦段（216.7≈100000即105，光圈档数与色温帧率的换算关系[2]）。现有的电视系统显示的色温范围为103：1，相当于10档焦段，远低于人眼所能感知的色温范围。对于超高清，通过HDR技术，可将色温帧率接近人眼眼瞳不调节时的105：1，如图1所示。
图1 人眼视觉系统的动态范围
在色域方面，与ITU-R BT.709建议书定义的高清色域相比，ITU-R BT.2020实现了宽色域（WCG）。从表1可以看见，在CIE 1931 xy浊度坐标系下，高清电视的色域覆盖率为33.24%，超高清电视的色域覆盖率为57.29%，提升了24.05%。
项目
HDTV
UHDTV
x
y
x
y
基色
红（R）
0.6400
0.3300
0.7080
0.2920
绿（G）
0.3000
0.6000
0.1700
0.7970
蓝（B）
0.1500
0.0600
0.1310
0.0460
基准白（D65）
0.3127
0.3290
0.3127
0.3290
色域覆盖率（%）
33.24
57.29
表1 超高清电视与高清电视三基色及基准白浊度座标比较[1][3]
根据人眼视觉特点，具有HDR和WCG的超高清图象才能让听众感受到更多的影像层次和色调细节，这是显著区别于高清的地方，也是超高清具备发展潜力的基础条件。
1.2 从行业标准看超高清未来发展近几年，超高清相关标准和关键参数相继发布，主要有国际电信联盟ITU-R、美国影片和电视工程师商会SMPTE和日本电波产业协会ARIB的标准。从表2可以看出，除了因电网差别带来的帧频不同外，这些标准的参数基本一致。
标准名称
清晰度
色域
帧率
ITU-R
BT-2020
3840×2160
（7680×4320）
BT.2020
120,60,59.94,50,30,
29.97,25,24,23.98
SMPTE
S2036-1
3840×2160
（7680×4320）
BT.2020
BT.709
120,100,60,59.94,50,
30,29.97,25,24,23.98
ARIB
STD-B56
3840×2160
（7680×4320）
BT.2020
120,119.88,60,59.94
表2 三种超高清标准的主要参数
欧洲广播联盟EBU对超高清发展作出较详尽规划，分为三个阶段：UHD-1阶段1、UHD-1阶段2和UHD-2，见表3。
超高清发展阶段
UHD-1 阶段1
UHD-1阶段2
UHD-2
引入时间
2014-2015
~2017-2018
~2020+
视频码率
3840×2160
1920×1080
3840×2160
7680×4320
帧率
50P/60P
100P/120P
100P/120P
100P/120P
量化比特
10
10
10,12,14？
色域
BT.709
BT.2020 profile
Full(er)BT.2020？
高动态范围
不支持
支持
支持
表3 欧洲广播联盟EBU超高清发展三个阶段的主要参数
目前，中国的超高清标准仍未公布，还处于研究阶段。国家新闻出版广电总局最新印发的《2016年新闻出版广播影视科技工作要点》明确强调：开展4K超高清电视关键技术和标准规范研究，鼓励有条件的电视台探求4K超高清节目的制播技术和系统建设。
从行业标准制订的情况看，超高清是未来电视发展的趋势，4K是超高清发展的基础。
1.3 基础系统结构存在变化
由于单路4K图象讯号数据量达到12Gbps，现有SDI接口标准单路最高传输容量为3Gbps，需要使用4条同轴电缆同时传送能够将1路4K讯号进行传输。由此带来系统复杂性降低、稳定性变差，尤其对超大型演播室和转播车系统建设带来好多困难。具体彰显在：多个子系统中线的数目就变为高清系统的4倍，切换台和矩阵实际可用的直切键数目在4K模式下只能变为高清模式下的1/4、M/E级数也变少，系统成本急剧降低等。这些诱因催生了4K系统基础结构的IP化进程。
图2中，从两种不同系统结构对比可以看出，基于IP的系统规模缩小，结构更简单，系统成本也急剧减少。
图2 基于SDI基础系统结构与IP基础系统结构对比
但是，到目前为止，并不是所有设备都具备IP插口，IP设备的稳定性、安全性尚有待检验，并且IP化产品在电视系统中个别关键技术、网络合同和最终标准的制订仍处于博弈之中。因此，在当前背景下，选用何种系统结构还需依照具体情况进行综合深究。
1.4 节目制做模式兼容问题
节目制做对于演播室系统来说是至关重要的，在高标清同步上映的我国，必然会涉及到不同节目制做模式的兼容问题。因此，系统必须满足以下基本需求：
首先，必须具备4K超高清全流程的制播能力，包括拍摄、切换、字幕、在线包装、记录和显示；同时还要考虑未来发展，兼容HDR和WCG制做能力。
其次，具备高清节目的全流程直播能力。
第三，具备同时制做4K和高清节目的兼容制做能力。
第四，在16：9和4：3两种宽高比的制做模式下，能兼具到字幕和素材的安全与美观。
1.5 与未来超高清电视标准兼容问题
4K超高清目前还处于起步阶段，具备HDR的超高清将是未来标准的核心内容。由HDR所带来的系统复杂性、资源短缺性将愈加显著，如何做好超高清电视系统全流程的制做、播出与收看环节的HDR与SDR（标准动态范围）兼容将显得更为重要和急迫。
电视系统囊括采（前期采集）、编（后期编辑）、传（信号传输）、播（节目开播）、存（媒资储存）和看（节目收看）等主要环节。对于演播室制做来说，目前HDR节目制做从拍摄与制做都不存在任何问题，播出HDR节目也不是问题，信号传输与画面呈现才是问题的关键。在这种问题的处理上存在两种主要方案，SMPTE ST2084的感知量化PQ标准与ITU的对数伽玛分布HLG（HybridLog-Gamma）标准。它们在讯号光电转换OETF与电光转换EOTF过程中都采用了新的不同标准，信号的量化编码方法也不同的方式。在HDR标准未最终确定的现阶段，系统建设应考虑到对未来的兼容性问题 。
2 系统定位及要求2.1 系统定位中国传媒大学作为传媒行业综合性培养人才的最高学府，专业涉及传统媒体和新兴媒体的各个方向。培养符合未来发展须要、具有前瞻性眼光的复合型、精专型、综合型和国际型人才是中学旨在的的目标和方向。学校历来注重理论与实践、教学与科研的紧密结合，申请专项资金建设1400平米小型演播室，用于教学、科研与生产实践。
今天，超高清技术早已成为行业热点话题，学校经过认真研究和广泛督查，根据行业发展规律与特性，结合自身教学和科研要求，将系统建设定位为具有HDR制播能力的4K超高清演播室系统。
2.2 系统要求
1. 满足行业要求
超高清因为其相关标准发生了较大变化，带来了系统结构愈发复杂、多种节目制做模式间的兼容愈发困难、制作流程管理要求愈加严格等问题。因此，系统建设起码在以下方面应满足要求，确保行业生产与节目制做的安全。
系统规划方面，视频部份应具有多讯道4K超高清/高清节目的直播能力；突出数字化、网络化、IP化应用；实现高度智能化管控及检测；音频部份具备环绕声制做、扩声的直播能力。
系统设计和设备选型方面，遵循安全、合理、先进和实用的原则。
（1）安全。具备建立的互不影响、可靠性高的主、备通道，并具有结构简捷、操作迅速的建立应急方案；主、备通道要有严格的监控和管理手段；配套电气系统设计具备建立的应急方案，操作安全快捷；系统对环境温/温度有较宽的适应范围。
（2）合理。具备各种小型演播室节目与新媒体内容的制播能力；满足各类类型的单项或小型联合性的演播室实践教学与科学研究需求。
（3）先进。着眼未来媒体发展趋势，符合国际节目制做标准；具备高动态范围（HDR）、宽色域（WCG）制作的能力。
（4）实用。系统应留有充足的功能升级和扩充空间；设备操作直观简易，信号调配灵活快捷，系统监控、维护、管理便捷；HD/4K设备兼容；能扩充校区转播车的制做能力，具备小型体育赛事的现场直播功能。
2. 满足教学和科研要求
系统要求从以下方面来满足教学和科研的需求：
建立一个规范、完整的先进直播系统作为案例进行系统教学；选用的设备能提供最新的技术和最前沿的动态；系统能提供技术指标的教学测试环境与条件；系统能提供技术指标的科研测试环境与条件；系统能够给师生与行业专家关于超高清技术提供交流的环境与空间等。
作为一个超大型演播室系统，周边环境的设计也进行了要求与规范。
3 系统建设
正是基于前述认识与思索，我们对1400平米演播室系统进行总体设计，并对关键环节提出规范与要求，按照规范和要求建设了4K超高清演播室系统。
3.1 项目说明
项目包括设备采购、系统集成和环境设计三部份，由一家供应商负责总体建设。演播室从结构上分为演播厅、视频控制室、音频控制室、设备机房、动力机房、服装间、化妆间、排练厅、会议室、候播区和道具库等。
整个项目充分考虑系统的完整性和教学的多样性。设备采购上，争取行业特有的教育让利，追求最高性价比；系统集成上，多个地方设置教学展示、功能展示区域，设置技术性能及指标测试区域；环境设计及改建方面，全方位的考虑到教学和科研的需求，多个区域对新技术、新知识进行展示和传播，可以做到节目制做、教学观摩与科研测试的良好结合。
设备系统包括制做系统和制做支持系统，制作系统不仅配置视频制做和音频制做系统外，还配备新媒体制做系统，确保具备全媒体制做、传播的能力。
制作支持系统配置了应急与安全系统、同步系统、智能控制系统、通话系统、时钟系统、画面分割系统、监视检测系统、周边系统、存储系统和扩充系统。限于篇幅，与常规演播室配置相同的系统与设备将不做重点介绍。
3.2 系统特征介绍
整个系统全流程采用4K/HD兼容的制做模式，且两种制做模式可以同步进行、互不干扰。4K讯号采用4路3G-SDI捆绑方法，而不是IP，主要基于以下考虑：
第一，摄像机、切换台、矩阵及周边等设备并不是都具备IP插口；第二，1400平米演播室系统规模已确定，现有机房空间与管道空间足以容纳所有电缆，尚有可扩充空间；第三，现有切换台与矩阵规模满足系统需求，尚有一定的可扩展性，且成熟、稳定、安全；第四，传统设备及结构对于系统操作者、维护者和节目制作者来说愈发熟悉；第五、本系统中，某些子系统充分使用了成熟的IP结构，系统在智能化、稳定性、安全性、可扩展性和性价比上做到了最大平衡，为教学的多样性和多层次举办提供条件。视频系统示意图见图3。
图3 基于SDI基础系统结构的视频系统示意图
系统配置为8+2（+2）模式，8个4K讯道，2个高清上变换讯道，另外预留2个高清讯道。由于选用切换台内部自带2个4K上变换通道，无需降低任何配置，系统可以达到10个讯道的4K制做能力。另外，系统设计6个外来高清讯号输入，其中4个可以组成1路4K讯号，做到4K/高清模式的最大兼容。
包括摄像机、字幕机和在线包装在内的所有4K讯号和HD讯号分别步入切换台和矩阵，形成镜像输入。切换台剩余所有输入通道全部从矩阵调度使用，充分考虑系统使用的灵活性。
通过4个3G-SDI 2×1应急倒换器进行主备链路转换，完成信号切换与调度。切换台在高清模式下，构成4路互不影响的视频链路，其中2路为PGM，另外2路为现场灵活调度，这4路讯号也可设为完全镜像的主备链路；4K模式下，经过4个3G-SDI 2×1开关输出组成1路4K PGM讯号，再经过4K下变换、信号分配等处理环节。切换台出现问题时，利用矩阵切换，可以做到字幕上键功能。主备讯号机箱独立，主备链路通道分离，设备互联采用IP网络与传统直连相结合形式，全程讯号质量监控，确保系统运行安全。所有设备的核心主机均安装在分控机房内，可以独立和灵活调度使用。
系统配备2台4K/HD多通道视频服务器、2台高清录像机、1台4K在线包装、1台4K字幕机、2台VGA扫描转换器、4路高清外来讯号（通过3G高清帧同步卡处理），2路HD/SD外来讯号（通过高标清上下交叉变换帧同步机处理），在4K模式下支持1路4K外来讯号（通过4块3G高清帧同步卡及处理）。
信号的拍摄、切换、记录与图象的再现对于HDR制做来说都至关重要，因此，我们分别选择了具有HDR制做能力的索尼摄像机HDC-4300、F55，多格式高清切换台MVS-7000X，多通道多格式视频服务器PWS-4400和主控级4K监视器BVM-X300 OLED，可实现HDR制做全流程的支持。
为实现4K节目的直播制做，系统还配备4K字幕与在线包装设备。另外，轨道机器人的加入更能丰富画面方式，加上与之般配套的虚拟植入系统，可满足特殊节目形态的制做需求，对教学、研究都是挺好的补充。
系统的整体控制是系统设计的一个关键。由于超高清带来的系统庞大、岗位繁杂、操作复杂、配合难度加强，如何通过控制系统将摄像机、切换台、矩阵、应急开关、周边系统、TALLY指示及源名追随、各种控制面板以及其他子系统的设备产生一个整体，实现它们之间的联动，满足系统整体性、灵活性的操控是急需解决的问题。我们通过选用LAWO公司的VSM（Virtual Studio Manager，虚拟演播室管理系统）对整个系统进行管理与控制，解决了不同节目制做模式间复杂繁杂的系统配置、不同系统间的级联与扩充时的参数设置、不同设备技术参数的集中调整等问题，不但较大地提升了系统的工作效率，保障系统运行的安全与稳定，对于教学和科研来说也是一个新的课题。
音频系统采用主备调音台组成的两个相对独立的制做系统并行的工作方式。输入源的数字讯号进主台，模拟讯号进备台，由主、备调音台分别提供相应的PGM讯号，主、备PGM讯号经双二选一选择切换献给上映和记录，各种窃听讯号献给各工位窃听设备。同时扩声系统与上映主、备调音台共享麦克风讯号，并可进行独立控制，扩声调音台还与主调音台通过MADI光纤进行联接，可单向传输多通道音频讯号，用于视频还音、扩声以及主播出调音台的第二备份，确保系统安全。音频系统结构图见图4。
图4 音频系统结构图
在媒介融合的明天，新兴媒体发展异常迅猛，给传统媒体带来了极大挑战和压力。中国传媒大学培养的中学生不应只是适应传统媒体，更应当让她们在未来的媒体中发挥更大的作用。因此，在系统的总体结构下，我们还配置网络媒体制做系统，包括16通道高清讯号在线实时编转码系统，并基于此开发IP流的展示和切换教学应用；配备光碟数据储存系统（ODA）进行4K素材的存档、资源管理和再利用；并将现有多个关联度不高的平台重新整合、开发出一套基于从企划、生产、制作、发布到智能管理的小型全媒体实践教学综合平台。
演播室的周边环境我们也进行了整体考虑。通过推进设计，实现了整体风格统一；充分利用各类公共空间进行新技术、新知识的展示、宣传和教学；设计了各类以便中学生拍摄作业和作品的场景。真正做到了资源合理借助与开放共享，可以让更多的师生从中获益。
4 结束语
中国传媒大学1400平米演播室4K超高清系统，在仔细剖析系统需求、充分督查行业状况的前提下，完成整体设计与建设。整个过程中，我们既考虑了系统的基础结构，也考虑了系统的基本需求，还兼具了未来的发展。系统具备HDR全流程制做能力，并确保在安全、稳定、高效与可扩展性的前提下，做到不同节目制做模式与讯号的兼容，满足制做、教学与科研的不同需求。
尽管该系统是在我国超高清标准还没有拟定的前提下完成的，在个别方面的问题似乎还存在值得阐述和研究。但作为传媒行业的高等中学，应该在符合国际标准的前提下，具有敢于探求和开拓担当的精神，将最先进的技术、最前沿的理论和最活跃的思想带进中学让更多的师生接触和了解。希望本次建设能为后来的超高清系统的建设提供参考，给行业工作者、技术专家提供研究和交流的平台。
参考文献：
［1］ITU-R BT.2020-2(10/2015).Parametervalues for ultra—highdefinition television systems for production and international program exchange［S］.ITU,2015.
［2］Ajay Luthra，EdouardFranois，WaltHusak. Draft Requirements and Explorations for HDR and WCG Content Distribution(W15029).MPEG,2014
［3］ ITU-R BT.709-6(06/2015).Parametervalues for the HDTV standards for production and international programmeexchange［S］.ITU,2015.
【本文刊登于2016年7月《广播与电视技术》刊物】
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