中央广播电视总台 8K IP 转播车设计分析

中央广播电视总台8K 转播车正在紧张有序 的建造过程中, 本文从车体结构和系统架构 两个维度进行分析, 阐述8K 转播车的车体 和系统方案制定, 同时本文对8K 相关测试 情况进行简要介绍。

摘要

一 8K 转播车系统

1. 背景

作为科技部“科技冬奥超高清8K 数字转播技术与系统”项目的配套工程,中央广播电视总台拟建造两辆8K 转播车系统。工程立项后,由技术局转播部承担设计建造任务,转播部立即成立8K 转播车项目工程组,开始着手进行车体结构设计和系统方案测试工作。

2. 车体- 国产车体

车体结构部分采用国产底盘,国内制造。伴随着改革开放深入进行,并经过十几年的不断积累,国产转播车的设计水平、施工工艺、成品质量和耐用性都取得明显进步,已经触摸到国际一流水准,国内几家具备转播车箱体设计制造能力的车厂各具特色,结合企业自身特点,具备各自优势。目前两辆8K 转播车车体在施工建造中。

对比进口车体,国产车体目前具备三个优势,首先施工工期短,需求方和施工方交流方便,更新反馈迅速,方案确认快,不涉及车体运输、清关所占用的时间;第二,后期在国内的维修保养方便,成本低,响应速度快;第三,造价低,注意这里的低价并不等于低质,而是指相同质量,国内性价比高,优势明显。与此同时,国产车体目前存在的差距主要在两方面,一方面是设计经验,这个跟所做的案例数量复杂程度有很大关系,因为转播车是非常个性化的产品,经验的总结积累和客户的应用场景需求积累十分重要,这就像赛车手和机械师的关系,一定是互相促进,共同提高;另一方面是材料,从拉箱的钢材到内饰,目前一些进口产品指标上还有优势,采用进口产品更放心。这两点差距目前主要靠引进来解决,随着国内转播车的更新迭代和科技发展,差距在不断缩小,单方面缩小差距很快遇到瓶颈,转播车制造业涉及的每个方面都缩小差距,才能互相影响,使整个行业整体提升,所以又绕回到赛车手和机械师,需要形成一个关系紧密的纽带,作为赛车手的用户,需要明确使用环境,使用的方法,使用习惯并反馈使用中发现的问题,留意数量、高度、位置等细节,这些会有益于转播车制造设计水平的提升。

3. 系统-8K 转播车采用IP 系统

总台于2019 年投入使用的两辆4K IP 转播车,圆满完成了新中国成立70 周年庆祝活动、第二届中国国际进口博览会开幕式、武汉军运会等多项重大转播任务,IP 系统运行稳定,具备主、备系统,互为备份,整个IP 系统更便于实时监测,能够及时发现问题并排除潜在隐患。IP 信息交换的优势弥补了4K信号传输高带宽的需求,而且,现阶段8K 信号是由4 路12G-SDI 信号组合而成,单路8K 信号对带宽要求是4K 信号的4 倍。因此,考虑以上因素,工程组讨论后,建议在8K 转播车继续采用IP 系统,并且着重调研测试日趋成熟的IP 画分显示设备,系统实现全面IP 化,该建议经总台工程审定会讨论批准同意。审定会同时批准同意:8K 转播车,IP 系统基于ST2110 架构。SMPTE ST 2110 标准让音频、视频和辅助数据流得以分开,视频流基于ST2110-20 无压缩标准,音频流基于ST2110-30 标准,这些标准适用于现场制作、播出及其他专业媒体应用,是全球性行业标准,目前主流广电设备厂商的设备都遵循此标准。作为补充,NMOS IS-04/05 设备发现和管理协议使得不同厂商间的IP 设备实现互通互联,为转播车系统全链路IP 化扫除了由设备厂商壁垒造成的障碍。

4. 8K 测试

随着疫情缓解,8K 系统测试工作在2020 年4 月逐步启动,测试重点在于整个8K 信号链路的连通性,对从摄像机拍摄的信号源经过切换台合成,然后到最终8K 画面呈现的整个链路进行方案可行性测试,测试计划于2020 年底完成,但受不可控因素影响,时间有所延长,与此同时,我们也对市场上相关主流设备进行单体设备的针对性测试,力争设计出安全灵活的8K 系统方案。

测试基于总台现役ST2110 架构的4K IP 转播车上完成,在全球行业内接受度最高的IP 平台上论证8K 节目制作的可行性。

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已完成的全链路测试分为四个阶段,第一阶段是基础8K 链路测试,由于市场上没有基于ST2110 IP架构的8K 切换台,我们采用了4K 切换台4 级ME组合输出的方式,来实现8K 信号经过切换台制作的流程,即4 路4K 信号按照SQD 的方式组合成一路8K 信号,在录制服务器上,8K 信号也是分4 个4K流来记录。如图1,信号源则分别采用原生8K 摄像机信号和4K 上变换到8K 的信号。

第二阶段的测试在第一阶段的基础上,做了一些改变,如图2。引入了不同厂家的IPG 设备,并用NMOS 协议和IP 信号调度系统连接,测试多家设备使用NMOS IS-04/05 协议的发现、连接、管理和修改等连通性。

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第三阶段的测试单纯针对4K 信号源上变换进行,如图3,IPG 作为SDI 信号和IP 信号互转的门户,还具备3G-12G 信号交叉变换,HDR-SDR 转换,色域转换,代理码流等功能,这些都是系统中不可忽略的方面。

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第四阶段的测试引入了8K 图文包装系统,进行字幕、慢动作扫划的测试,如图4,当时字幕机的测试设备只有基于基带输出的8K 字幕机,而在2020年9 月,我们陆续对基于ST2110 的基带图文包装系统进行了测试。


截至2020 年8 月,以上四个阶段的测试都顺利完成,8K IP 链路制作流程试通,转播车8K 信号以12G×4 SQD 链路输出,并采用12G×4 SQD 链路在8K 显示终端上呈现或在录制设备中记录。8K 信号分辨率7680×4320 50 帧/ 秒,逐行扫描,支持HDR。在8K 拍摄效果的测试中,我们也发现,8K 画面相对于4K 画面景深更浅,使用长焦镜头聚焦时更加困难,对于追拍高速运动物体难度增大。

基于目前ST2110 IP 架构的切换台规模,8K 制作规模采用一级ME, 不超过20 个信号源;高速或超高速慢动作回放采用4K 信号源上变换的方式。

从2020 年7 月开始,工程组还对IP 画面分割器和具备8K SDI( 四链路12G-SDI) 接口显示的设备进行了测试,由于这些设备对整个系统链路架构影响不大,本文不再赘述。

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5. HDR-SDR 转换测试

4K HDR-SDR 的转换设备不断增多,各个主流广电设备厂商都推出了相应产品,针对这些设备的测试没有终点,功能设置、主观评测和客观数据形成了测试的三个参考依据,并且设备有纯基带接口也有IP 接口, 转播部也在积极配合总台相关部门进行HDR-SDR 转换设备的测试工作,这是长期的过程,哪怕一个设备的不同固件升级版本,都需要进行仔细测试。无论什么样的转换设备,都需要符合总台4K和HD 的制作标准。

6. 系统内基带接口的位置

考虑到8K 转播车系统兼容性和实际运行情况,整个转播车系统在以下几个方面仍然保留基带接口,并充分考虑12G-SDI、4×3G、3G-SDI、HD-SDI的兼容性:

◆外来信号进入转播车链路( 高清、4K、8K);

◆转播车TX( 节目) 输出链路(高清、4K、8K);

◆转播车多画面分割显示系统输出链路(高清、4K、8K)。

二 系统安全性、灵活性和经济性

1. 系统安全性

系统设计首先要考虑安全性,8K IP 转播系统在信号调度业务域方面采用SMPTE 2022-7 主备架构,互为备份,视音频流和元数据在两套完全一样的信号调度系统内互为备份,实现无缝切换。

IP 控制域交换机采用叶脊架构,单一控制交换机故障不会影响其他交换机上的设备,系统设计时不存在单一崩溃点。

系统节目输出采用主备方式,主路切换台制作输出,当切换台出现故障无法承担节目制作任务时,节目信号从备路IP 业务域净切换输出,IP 架构内,备路输出完全不受传统基带方式的束缚,每个IPG 都可作为嵌入器使用,在确保系统安全性的同时兼顾系统灵活性。

2. 系统灵活性

前文提到的IPG 具备的嵌入器功能提升了系统输出通道的灵活性,而在制作域,IP 架构同样为4K、8K 制作提供了便捷,8K 信号是由4 个4K 信号按照SQD 的方式组成,在信号调度时,和4K 信号采用同样的调度方式,转播车系统在4K 制作和8K 制作模式的转换中,不存在大量的设置工作,因而该系统上4K 和8K 不分主次,一切都按照制作需求调整。

从4K IP 转播车开始,我们引入了集中控制系统,实现了全车统一调控:TALLY、源名推送、IP 流调度、KVM 调度都由集中控制系统完成,同时集控系统还监测业务网和控制网的网络状态,集控系统本身具备主备服务器,形成互备。

集控系统能够读取切换台系统的IP TALLY信息,推送给画分和CCU,同时切换台的IP TALLY 作为系统备份IP TALLY; 并行TALLY 采用主备倒换的方式,源分别来自集控系统和切换台的并行TALLY 输出。

3. 系统经济性

可见,目前的8K 系统只需要在信号源和最终呈现上考虑增加预算,来采购8K 拍摄设备和显示设备,而整个系统信号调度、控制,由于采用ST2110 架构,就能够利用现有成熟设备来确保8K 节目制作和测试,这在8K 尚处于测试阶段,设备选择范围很小,并未融入到先进系统架构,价格昂贵且前景尚未明朗的现阶段是一个可靠选择。

整个转播车监视系统,能够呈现8K 节目效果,在整个制作监看支持HDR 和BT.2020 色域显示,完整显示8K 或4K 信号源的拍摄内容,在画面分割后的较小显示单元上不按8K 分辨率显示,减少浪费。8K 转播车完工后,首先能够完成科技部冬奥会相关8K 课题的测试工作,同时,该系统建成投入运行后,能够完成总台重大节目的制作转播工作,是重要的生产工具。

在节约制作成本方面,在8K 转播车上还计划部署8K 多通道虚拟合成系统,即一支制作团队进行4K 制作的同时,虚拟合成系统自动完成8K 节目的合成,并记录一版8K节目素材,这样节约了制作成本,利于节目制作运行,是一种创新尝试。

三 系统设备配置

转播车是外场制作的平台,只统计每辆车固定配置多少个讯道,能扩展多少个讯道已经没有意义,根据统计,目前中高端赛事转播,接近一半的讯道或画面都是来自特种摄像机、虚拟包装等设备,固定的系统接口设计会给运行制造障碍,因此,在最近的转播车系统规模筹划中,我们逐渐淡化讯道数量的概念,更强调外来信号的处理能力,例如基带帧同步、上下交叉变换、HDR-SDR 转换和多通道录制设备的接入。经过针对历史转播需求的分析统计,我们也对转播趋势进行预判,现阶段,考虑8K 转播车的系统设计规模如下:

◆ 8K/4K HDR 节目制作、输出,兼容高清SDR节目制作、输出;

◆不少于12 路8K 画面信号源;

◆不少于24 路4K 拍摄信号源;

◆处理不少于28 路4K 外来信号(特种设备,图文包装);

◆ 40 路4K IP 信号处理设备(HDR-SDR 转换,交叉上下变换);

◆容纳不少于10 路8K IP 信号录制通道;

◆全系统不少于360 路画面显示监看能力;

◆ 5.1.4 音频制作能力;

◆ IP 通话系统,兼顾外接传统四线和两线通话设备。

同时, 当多辆转播车一起工作时, 转播上的集中控制系统要能够形成统一控制调度,类似常提到的“级联”, 这也需要转播车系统设计时候考虑系统预留,进而影响到系统整体规模的制定。

四 转播车结构和区域划分

1. 转播车车体结构

转播车采用国产半挂车底盘,厢体采用内外套双侧拉结构,外套侧拉宽度不小于1.7 米,内套侧拉宽度不小于1.55 米,工作时侧拉宽度达到5.75 米,建成后将是总台侧拉宽度最大的转播车系统。

转播车取消了使用多年的进口液压系统,首次采用电控侧拉箱和支撑腿系统,整个支腿系统全国产,承载能力高于之前使用的液压系统,安全性上有提高。转播车箱体采用铝蒙皮结构,内饰材料复合国家环保标准,具备新风换气系统。

转播车配套的辅助车不再是单纯的货车,除了运输摄像机、镜头、光缆等必须设备外,辅助车上设置制作区和设备机柜区,采用和转播车同样的主备供电方式,从设备机柜空间到制作工位这两个方面对转播车进行补充,遇到超大规模的节目制作时可以启用辅助车制作区。系统设计时,转播车和辅助车之间的连线种类尽量简单、统一。

2. 区域、工位划分

如图5,转播车划分为主制作区、第二制作区、音频区、多功能区、技术调控区和设备机柜区,共有36 个制作工位,其中主制作区14 个工位,第二制作区8 个工位,每个制作区都可以进行8K 或4K 节目制作,也可进行传统4K 分区制作,互不干扰。所有设备都集中于机柜区,便于集中制冷和控制噪音。技术调控区紧邻主制作区、第二制作区和设备机柜区,出现问题时,技术人员可以最快速到达并解决。转播辅助车上同时设计8 个制作工位,支持慢动作操作、图文包装、新媒体制作等制作形式,两车之间采用IP 连接,减少线缆的种类和数量,以确保系统安全性和易操作性。

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综上所述,一切讨论、测试、设计都是为了节目制作直播,为了播出安全,为了生产出更完美的画面,更精彩的节目。

转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视总台 郭洋