从北京冬奥会开幕式 看大型8K IP 系统的技术应用

北京冬奥会开幕式8K 信号由中央广播电视总 台4K/8K 超高清转播系统A6 转播车制作, 并首次使用无压缩IP 技术实时传输。本文介绍 了开幕式8K 节目制作的关键技术、遇到的问 题以及解决方案。

摘要

第24 届冬季奥林匹克运动会,即北京2022 年冬奥会于2022 年2 月4 日开幕。中央广播电视总台承担开幕式8K 公共信号制作任务,并投入A6 转播车制作8K 节目信号。A6 转播车作为科技部“科技冬奥超高清8K 数字转播技术与系统”项目配套转播系统之一,从设计之初就充分考虑了8K 节目制作需求,是目前总台最大的IP 架构4K/8K 外场转播系统。而冬奥会开幕式也是总台8K超高清转播技术的一次重要实践。

一 转播车整体IP 架构

A6 转播车转播系统基于SMPTE ST 2110 IP 协议,系统以PTP 作同步,分别以ST 2110-20、ST2110-30、ST 2110-40 协议作为视频、音频和辅助数据的传输标准。视频系统、音频系统和监看系统均采用IP 架构,使用交换机调度信号。安全性方面所有业务域交换机都有主备,整个系统以SMPTEST 2022-7 协议为架构在接收端作流的无缝倒换。系统支持8K、4K、高清视频流信号的调度、制作,并支持HDR、SDR 制作与监看。

视音频信号的调度通过业务域主备两组共6 台核心交换机来完成。每组核心交换机均为叶脊结构,脊交换机为华为CE8850,叶交换机为华为CE8850和CE6865。系统内摄像机、切换台、服务器等设备均采用25G 或100G 接口接入交换机。其他基带设备如EVS、录机等使用IP 网关设备转换为IP 信号进入系统。转播系统架构如图1 所示。

image.png

与传统基带系统不同,4K/8K IP 系统对于不同格式信号(如HD、4×3G、12G)的接入以及格式转换需求剧增,对于基带/IP 转换设备也提出了更高的要求,需要其具备帧同步、上下变换、HDRSDR转换、色域转换、高清代理流、NAT 地址转换等功能。可以说在IP 系统内基带/IP 转换设备的处理能力很大程度上决定了转播系统的制作能力。A6 转播车内包含3 种基带/IP 转换设备,即索尼IP50Y 板卡、IP51Y 板卡和Imagine SNP,将其定义为3 种网关资源池,每种资源池皆可灵活运用,主要用途如下:

◆ IP50Y 资源池:包含32 块IP50Y 板卡。主要用途为4×3G 信号的接入、输出。有4 块板卡代替传统音频加嵌器功能,收取音频流并将节目信号转至基带域;

◆ IP51Y 资源池:包含12 块IP51Y 板卡。主要用途为12G 外来信号的接入、输出。有4 块板卡在8K 制作时用作加嵌基带输出;

◆ SNP 资源池:包含4 台SNP,即32 个处理通道。可接入处理12G、4×3G 信号。日常4K 转播可利用4 台SNP 去支持4 台基带EVS VIA 接入IP 系统。有4 个处理通道在8K 制作时用作应急切换和加嵌基带输出。SNP 功能强大,除了同时支持12G、4×3G 外,还具备索尼IPG 板卡不具备的4KREMAP(即2SI 转SQD)功能与12G 基带光信号收发功能,是转播系统的万金油。

此外,转播车还配备了基带视分、加嵌器、交叉变换器等基带周边设备,主要用作基带输出,相比于传统基带转播系统所占比重已经非常小了。本次冬奥会在讯道摄像机方面采用了索尼UHC-8300 8K 摄像机,在CCU 端加装了最新的IP接口板卡 UKCU-8001,采用100G 端口,能以8KSQD 形式输出4 个ST 2110 视频流。这也是业内首次在讯道摄像机上以IP 形式输出无压缩8K 信号进行制作。

二 8K 信号的制作与传输

1. 8K 信号的制作

由于市面上并没有支持8K信号制作的切换台,考虑到4K/8K 节目制作的兼容性与经济性,A6 转播车选用索尼XVS-9000 切换台作为节目制作核心设备。8K 制作整体技术思路为:将8K 信号以SQD方式分为左上、右上、左下、右下(即LT、RT、LB、RB)4 个4K 视频流分别进入切换台4 级M/E,利用4 级M/E 联动来切换、制作节目信号。4 级M/E 切换后的输出信号同样以8K SQD 4 个流的方式传输、收录。

采用上述4 级M/E 联动同切的方式制作8K 节目,需要切换台在M/E 联动切换的时候能做到4 级M/E 帧精度的同步,并且需要用到以下功能(以A6 转播车索尼XVS-9000 切换台为例):

◆ BUS LINK:关联各条母线对应的PGM、PVW 交叉点,如PP 级切一路8K 信号的RB 输入流时,M/E1、M/E2、M/E3 级同时切这路8K 信号的LT、RT、LB 流;

◆ M/E LINK:关联各母线的转换效果,在PP级做MIX、WIPE 等特效时M/E1、M/E2、M/E3级也做同样转换;

◆ KEY TRANS LINK:关联各母线的键转换,M/E1、M/E2、M/E3 跟随PP 级上下键。

和高清、4K 制作不同,切换台由于通道数量固定,不能像IP 网关随需求添加设备,容易成为8K 制作的瓶颈(在IP 系统中,相比于切换台输入通道,核心交换机的端口反而显得充足)。转播车配备索尼XVS-9000 切换台支持64 路4K IP 输入,若换算成8K 信号则仅仅16 路IP 输入。本次开幕式使用6 路8K 摄像机信号、6 路外来信号,外加2路回放以及字幕键、键源信号,就将切换台IP 输入使用殆尽。可见切换台的信号接入能力是8K 节目制作规模的重要考量因素。

2. 8K 系统的应急切换

作为切换台故障后的应急操作,在IP 化转播系统中,应急切换需要SDN 系统控制视频流的收端设备(如IPG)接收不同组播流来实现,并且需要双倍带宽来保证视频流的净切换。而在以4 个流为基础的8K 转播系统对应急切换又提出了新的要求:不仅需要视频流的净切换,还需要4 个视频流在切换点上保证帧精度的同步。

image.png

在A6 转播车上尝试过两种净切换的方式。第一种尝试为视频流的收端设备选用4 块索尼IP51Y 板卡,使用索尼LSM 发送控制指令。经测试索尼IP51Y 板卡在4 个流的切换点上无法做到帧精度的同步。第二种尝试为使用SNP 作应急切换,转播车上格非控制系统的切换面板经索尼LSM 以NMOS 协议的形式向SNP 发送切换控制指令。需要注意的是,虽然SNP 的4 个Processor 相互独立,但是共同使用1 个100G 端口。当SNP 的Processor A、B 的4 个通道作4 个流净切换时,由于需要保证切换时的双倍带宽,所以Processor C、D 无法作为IP 接收端来使用。经测试,SNP 作为净切换设备时可以同时保证4 个流在切换点的帧精度同步。而SNP作为净切换设备也并不完美,切换命令会有约100ms 的延时以及SNP 接收端无法在1 秒内多次接收切换命令(3 次以上),会出现4 个流的切换不同步。以上两点皆为使用NMOS 协议造成的问题。

SNP 应急切换系统虽然在控制端的响应无法像IP51Y 及时、准确,但是以开幕式节目制作实际节奏来切换可以保证4 个流的同步、净切。经综合考量,在冬奥会开幕式上转播系统使用SNP作为8K 系统的应急切换设备。

3. 8K 信号的传输

在开幕式鸟巢转播区与IBC(国际广播中心)之间的信号传输使用OBS 提供的4 芯裸光纤搭建链路。在有如此优质链路资源的情况下,本次冬奥会8K开幕式首次尝试ST 2110 无压缩IP 传输。A6 转播车主备核心交换机使用2 个100G 端口与总台总控部IBC 机房进行系统IP 直连,在IBC 端直接接入总控核心IP 调度系统中。8K 信号传输的整体思路为:将切换台切出节目信号与应急切换信号通过主备核心交换机分别以2022-7 的架构送回IBC 机房,即需要传送4 组信号,每组信号都包含4 个2110-20 视频流、2 个2110-30 音频流、1 个2110-40 辅助数据流。诚然对于8K 流来说应该每一个视频流都配一个辅助数据流,但考虑到目前辅助数据流应用有限,所以仅传输第一路视频流的辅助数据作为测试,主要传送色域、HDR 等信息。考虑到转播车内组播地址已统一规划,使用IPG、SNP 的NAT 功能将组播流转换为传输所用组播地址。

在转播车—IBC 机房—台演播室的整体IP 链路连通以后,在调试过程中发现台内演播室IP 调音台在收到2110 音频流后并未将数据包解成音频,而是直接丢弃。经排查发现台演播室IP 系统的PTP 源(北斗时钟)与转播车PTP 源(OBS 机房BB+VITC)存在约80ms 的延时,这也远远超过了演播室调音台接收信号的延时阈值。而转播车将PTP 源改为GPS 后,视音频链路工作正常,延时约为1.5ms。

image.png

对于全链路ST 2110 传输系统来说,PTP 同步成为至关重要的一部分。在今后的工作中也可尝试在整个IP 传输大链路中加入PTP 信号,使前后端系统同锁一个PTP 源,这样在前端转播系统没有GPS 或信号受干扰时也能有一个稳定精确的时钟源。

三 4K 信号的上变换

4K 信号上变到8K,相比于高清信号上变到4K,有简单之处,也有复杂之处。简单之处在于从4K 上变到8K,不用考虑色域转换问题,和4K 信号一样是BT.2020 色域,HDR 使用HLG 曲线。而复杂之处在于8K 信号从基带域来看是一个4×12G的信号,从IP 域来看是4 个ST 2110 打包的视频流,所以上变换是将一个4K 信号变为“4 个信号”。根据转播车上4K 切换台切换8K 信号的原理,最优的上变换方法为将一个4K 信号(基带12G、4×3G2SI 或IP 2110 视频流)先转换成4×3G SQD 信号,再将这4 个3G 信号分别上变换,最终得到4 个2110 视频流。

以冬奥会为例,A6 转播车会收取6 路4K 外来信号用作节目制作,交接格式为LC 接口的12G 光信号,使用SNP 的扩展SFP 接口插12G 光收模块接收。信号路由如图4 所示(为清晰表达信号流向,IP 域省略交换机框图)。

image.png

从图4 可知,基带12G 光信号通过SNP 进入系统后并没有直接REMAP 成4K SQD,而是先转成了2110 流信号。原因有二:一是4K 流信号需输入至索尼PWS-4500 收录、编辑集锦;二是转成4K 流时同时可以生成一个高清代理流,用作IP 画分监看,而这也是外来信号在系统内生成高清流的唯一机会,之后便会REMAP 成4 个信号。

对于像A6 转播车这样的IP 系统来说,此上变换路径并不友好。信号需要在IP 域与基带域互转,增加了视频信号的延时。经测试外来信号进入系统,经切换台切出后,延时约为60ms。此外,信号在基带、IP 域来回变换对故障排查也增加了难度。

4K 外来信号上变对系统内的IP 网关资源也是极大的消耗,如图4,一路外来信号就需要消耗6路IP 网关通道。在开幕式SNP 资源池不够用的情况下还调用了画分SNP 资源用作外来上变换。

此外,经测试,4K SQD 上变换到8K SQD 这个过程并不是所有上变换设备都能胜任。如GVXIP-3901 板卡上变后信号在8K 监视器监看画面中间会有十字形的黑线,疑为信号第一行(列)或最后一行(列)在上变后缺失造成。Imagine SNP 和索尼IPG51Y(升级到最新版本后)上变信号则较为完美。

四 8K 节目的HDR 制作

根据《中央广播电视总台HDR 视频制作白皮书》,考虑到SDR 节目效果,索尼摄像机系统在使用HDR 制作、SDR 调光时, 使用的HDR 曲线为HLG Live,SDR 增益值为-7dB。此时75%HDR 对应的SDR 电平为90%。

而冬奥会开幕式8K 节目并没有下变换播出的需求, 因此不用考虑SDR 效果。而传统以SDR 为基准的调光考虑到高清SDR 规范,HDR 效果往往过于保守。所以如何调整摄像机光圈获得最佳HDR画面效果便成了8K 节目制作的一个新问题。第一个想到的方法便是调光工程师监看也用HDR 信号,即“HDR 制作、HDR 调光”。在实际工作中发现以HDR 调光有诸多问题。首先,由于HDR 对于高亮信号的大宽容度,调光工程师并不能以“过曝与否”作为参照,等于失去了一个光圈调整的重要标尺。其次,调光工程师的监视器虽具备HDR 功能,但是其亮度较低,与1000nit 的8K 大屏在感官上相差甚远。调光工程师在其监看环境下调整合适的曝光量后,在8K 大屏上看虽然不会过曝,但是往往亮度偏高,对人眼刺激过大。这种纯HDR 的调光制作方式对调光工程师来说并不友好,它使调光工程师不得不放弃传统工作模式,失去了调光过程中宝贵的参照,在监看面也没有一个“所见即所得”的曝光效果。因此在实际工作中采用另一种方法,回归到SDR 调光,但是改变SDR-HDR 映射关系,以获得更好的HDR 节目效果。

具体调整方法为首先在8K 大屏监看环境下将摄像机光圈调整到HDR 最佳观感,此时的SDR 画面应该大范围地过曝,然后调整SDR GAIN,将SDR 监看主体画面最大亮度调整到过曝临界值。此时在HLG LIVE 曲线下SDR 增益值为-10.3dB。

以此SDR 为基准调光圈,调光工程师又能以传统的工作模式,将过曝与否作为一个重要的曝光参照。在此增益值下75% HDR 对应SDR 电平约为82%。可见相比于-7dB 增益,更多的画面亮度信息进入HDR 75% 以上电平范围内,画面观感更明亮,HDR 效果更好。


对于摄像机曝光与光圈调整来说,HDR 不容易出大错,即它不容易过曝,但是它对于光圈的敏感性并不低,想要真正调好调精准,并不容易。而在不用考虑下变换的情境下,调光工程师还是应该以SDR 画面作为精准曝光的参照,再通过HDR-SDR增益差去表达HDR 画面的创作意图,得到高质量的HDR 画面。

五 结语

本次冬奥会开幕式是总台首次也是冬奥会首次使用8K 信号制作播出节目。8K 节目除了在CCTV8K 频道播出外,也通过“百城千屏”计划在全国各大城市架设的户外8K 大屏上播出。而像8K IP讯道摄像机、ST 2110 无压缩IP 传输方案等新设备、新技术也是首次应用于大型转播活动。在奥运会这样的转播大舞台上,8K 转播像一张名片,是转播整体技术能力的体现。8K 制作考验了大型IP 系统的调度能力,而IP 传输对前方转播系统和后方演播室的协同工作也提出了更高的要求。冬奥会是8K 技术的一次大型应用与尝试,未来在总台“5G+4K/8K+AI”的发展战略下,8K 技术还将服务于更多转播场景。

本文受国家重点研发计划(National Key R&D Program ofChina)资助,“冬奥超高清8K 数字转播技术与系统”项目,项目编号:2019YFF0302700(课题一:8K 转播技术系统及示范应用,2019YFF0302701)

转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视总台 康旻杰