作者：中央電視臺 侯佳
中央廣播電視總臺光華路辦公區E16 4K超高清演播室位於主樓塔壹49層，是一個空中景觀演播室。演播室為4K節目製作提供了信號採集、現場製作、文件化播出、信號傳輸等全功能的節目錄製及直播解決方案。隨著4K技術的不斷發展，從高解析度（HR）、高動態（HDR）、寬色域（WCG）、高幀率（HFR）、量化深度（BD）五個維度上均明顯優於現行高清技術標準。全球4K超高清技術發展迅速，作為總臺首個全4K超高清演播室，在設計中採用了最新的4K超高清視頻技術和環繞聲音頻技術，充分考慮到將技術的先進性和系統的安全性相結合，演播室導控室和音控室均配置環繞聲監聽環境，極大地方便了環繞聲節目的製作。
一、演播室視頻系統技術配置
E16 4K演播室視頻系統在系統設計上，採用全IP的數據中心架構，使用TICO編解碼方式，支持SMPTE 2022-6/2022-7標準架構，可充分發揮IP網絡特點，實現視音頻、通話和控制等系統的IP化傳輸和信號交換，是一套全流程IP化超高清直播演播室系統。
視頻系統採用Grass Valley超高清系統，全IP雙鏈路架構與雙數據核心的冗餘備份機制，視頻信號採用4K TICO壓縮信號，系統設計符合《中央廣播電視總臺4K超高畫質電視節目制播技術規範（暫行）》標準。視頻採用3840×2160/50p、HLG/1000nit、ITU-R BT.2020、10bit，音頻採用5.1環繞聲標準製作。監看採用1080/50p信號格式。所有信號源及系統內調度信號均採用雙鏈路，符合SMPTE2022-7信號級備份。
本演播室共配備GV 4K 86N攝像機4套，GV K-Frame X兩級M/E全功能4K切換臺1臺，波視4K延時器2臺，索貝4K播出伺服器2套，EVS-Via 4K精彩編輯1臺（2入2出），新奧特4K在線包裝（支持雙視窗）2套，索貝4K雙通道錄製伺服器1臺，總控6路TICO格式外來信號經Nevion解碼器接收後進入系統，播出信號（PGM）經Nevion編碼器後送總控系統。系統間採用HD-SDI 3G基帶TICO方式無需編解碼環節可直播與總控進行信號交接，實現外來信號、信號製作與輸出的格式統一化。
系統內設備可分為兩種。一種為IP設備，主要包括攝像機、切換臺等，可直接輸出TICO IP信號，接入核心交換機；另一種為非IP設備，通過4×3G的形式傳輸4K超高清信號，對於這類設備通過SDI/IP網關卡，將4×3G信號轉換為TICO IP信號，接入核心交換機。信號切換及調度系統配置全IP 4K切換臺和主備數據交換核心，管理系統（GVC）按照主備機制設置，採用一體化設計，做到監管控全局把控，便於系統管理人員故障排查並及時處理、提高效率。
監看系統除主/預監、技術監視器使用4K監視器，其他監視器均採用高清監視器，利用信號處理核心（IPG）轉換的方式滿足監看需求。同步系統按照主備機制設置，既能滿足傳統設備同步鎖相需求，也支持IP設備PTP鎖相需求。TALLY系統按照主備機制設置，具備三級源名追溯功能。每臺TALLY伺服器支持主備路TALLY，支持手動2選1倒換。時鐘系統主要配置倒計時發生器及3臺子鍾。通話系統配置32通道通話矩陣及4通道應急通話主站。
二、更安全的系統架構
E16 4K演播室系統採用全IP架構，信號處理各環節均考慮信號級/設備級雙重備份機制，提高系統整體安全性。原高清系統採用基帶傳輸方式僅可採用設備級備份，即相同功能設備互為備份。作為高清系統核心的切換臺，雖然與矩陣互為備份，但出現故障後矩陣僅可完成「硬切」操作，無法完全替代切換臺各功能。E16 4K演播室放棄傳統SDI架構，採用全IP的數據中心架構，系統採用原SDI時的主備設備級備份機制，信號採用SMPTE 2022-7無縫倒換保護機制，可對IP信號雙流選切並無縫倒換，完成對信號傳輸鏈路的主備保護，無需啟動備份設備即可實現信號級備份。每臺IP設備均採用雙路接口進行信號交互，當網絡出現信號中斷、數據丟失等現象時自動判斷並進行信號路由選擇。同時IP系統中切換臺已不再是系統核心設備，僅為核心製作設備，由交換機/數據中心設備所取代。以實現在系統層面設備級/信號級雙備份，提高演播室系統整體安全性、可靠性。
E16演播室內所有IP設備如SDI/IP網關卡、攝像機、切換臺均支持SMPTE 2022-7無縫倒換保護機制，可對IP信號雙流選切並無縫倒換，實現全鏈路設備級、信號級雙重保護，提高系統安全性。SMPTE 2022-7無縫倒換保護機制採用兩份完全獨立的數據，這兩份數據從同一個設備的兩個不同的網口發送到兩個不同的地址。兩份數據必須經過相同的路徑且埠類型完全一樣。通過SMPTE 2022-7保護機制，系統採用字比對的方法，對收到的兩個鏈路的每一份數據包做比對，進行數據包級的二選一，最終輸出完整的數據包實現鏈路上的保護。
三、高清監視器主觀還原4K超高清信號
4K監視器是還原4K拍攝內容的最佳解決方式，但由於目前4K監視器價格昂貴，系統內全部配置4K監視器會對系統整體造價帶來巨大成本，且長時間觀看高亮度的4K監視器會對人眼產生一定傷害，但為了能更好地還原拍攝效果，E16 4K演播室採用兩臺Sony PVM X550（4K監視器）作為PGM及PVW監看，採用四臺Panasonic TH-55LF8SC（高清監視器）通過分屏方式用於導監牆監看系統內全部信源。其餘桌面監視器全部採用Sony LMD-A240（高清監視器）進行製作級監看，兩臺CANON DP-V2420（4K監視器）分別用於桌面技術監看及立櫃技術監看。
為使高清監視器可以正確還原4K超高清信號，系統以2SI作為4K超高清信號圖像拼接方式，可對組成畫分的任意一路或多路信號進行單獨處理。因為組成4K超高清信號的4路信號均為全畫幅且包含完整畫面信號，即可任取一路信號作為監看信號視頻源使用。系統內的IP設備均可在輸出4K信號的同時，輸出一個3G Monitor流，非IP設備在進行SDI-IP轉換過程中通過SDI/IP網關卡生成3G Monitor流，此信號為高動態範圍（HDR）、超高清顯示色域（ITU-R BT.2020）的3G信號。最終實現將系統內4K超高清信號下變換為3G信號，解決4K超高清信號作為畫分拼接信源帶來的高帶寬問題。
通過利用視頻IP處理核心單元設備中畫分板卡的信號處理技術，可單獨對組成畫分的任意信號進行單獨處理，實現信號從高動態範圍到標準動態範圍（HDR到SDR）以及超高清顯示色域到高清顯示色域（ITU-R BT.2020到ITU-R BT.709）的轉換，從而實現在高清監視器上主觀正確還原4K超高清信號。
四、多元化的節目製作能力
E16 4K演播室已陸續完成多種形式的4K節目製作，其中包括新聞類《十三屆全國人大二次會議記者會》《2019中國北京世界園藝博覽會》，時政類《一帶一路》《亞洲文明對話大會》等重點新聞時政類4K節目的直播保障任務。體育類包括CCTV 4K頻道開播首日的《2018中國網球公開賽》和《2019年CBA全明星賽》《2019中華龍舟大賽》《F1方程式賽車》以及即將到來的《2019法國網球公開賽》和《2019法國女足世界盃》等重點體育4K節目的直播報導任務。
各檔直播節目在製作過程中在技術實現上也各有不同，《中國網球公開賽》演播室通過接收由現場4K超高清轉播車製作的信號，經總控TICO編碼後送演播室進行解說及在線包裝完成賽事直播。
《2019年CBA全明星賽》分別在體育頻道和4K超高清頻道同時轉播，這是自總臺E16超高清演播室建成後首次實現高清（HD）/超高清（4K）同步直播，信號在前方經TICO編碼壓縮後送總控，演播室完成延時，包裝等工作。
《2019中華龍舟大賽》採用4K轉播車前場製作，分別製作超高清版和高清版，經編碼壓縮後將帶解說的4K公共信號通過兩條不同路由送回總控經演播室完成頻道包裝後播出。
《十三屆全國人大二次會議記者會》首次實現5G+4K直播，通過布設在梅地亞新聞中心現場的4K攝像機經編碼壓縮後由中國聯通和中國移動的5G基站分別回傳到總控至演播室。
《一帶一路國際合作高峰論壇》開幕式再次採用5G+4K的直播方式，此次直播是一次技術的傳播創新與內容的深度融合。演播室通過接收由現場4K超高清轉播車製作的信號，經總控TICO編碼後送演播室，演播室進行會前訪談及角標、標題字幕、雙視窗等包裝工作完成整個直播任務。通過現場的4K攝像機經編碼壓縮後由中國聯通和中國移動的5G基站分別回傳到總控送演播室。演播室接收信號後，對信號進行延時處理，同時根據節目需求對各路延時信號進行畫面同步延時時間調整，利用精彩編輯設備根據節目內容需求對時長和內容截取用於備播素材，節目製作完成後通過TICO編碼送總控。
《亞洲文明對話大會》是繼「一帶一路」高峰論壇、北京「世園會」之後，E16演播室承擔的又一場重要的時政直播。在主會場國家會議中心，通過4K攝像機拍攝的三路信號經由主控送至演播室，演播室按照演練流程，對主備路信號進行延時處理，在節目開播前嚴格按照節目要求截取大會安全畫面片段，包裝模板根據節目內容實時調整文字內容，雙視窗根據節目形式隨時調整所需視頻源，節目製作完成後通過TICO編碼送播出。目前，各檔節目製作依託系統內各功能設備完成節目的整體包裝製作任務，通過延時器可實現信號的延時播出；精彩編輯對信號進行精彩編輯等重要內容的編輯及回放；在線包裝可針對不同節目類型製作相應的角標、人名條、LOGO、全屏板等實現連線、雙視窗等效果；文件播放伺服器可在直播中穿插播放經後期精編製作並遷移到演播室的成品節目，如宣傳片、廣告等4K素材，演播室整體設備部署滿足多元化節目形式的製作需求。
五、系統擴容性
E16演播室視頻系統使用IT領域的先進技術和設備，實現技術資源全方位合理調配。在安全穩定的基礎上，為超高清頻道開播提供技術支撐，同時具備先進性、易升級性和易拓展性，既可為今後的系統提供範例和指導，也可應對未來技術發展和業務規模不斷增長的需求。系統是基於開放IP架構的超高清演播室系統，可快捷、便利、安全地對系統進行擴容和升級，可快速在接入層接入更多的設備，達到系統擴容的目的。同時系統基於IP架構，未來只需增加匯聚層設備，即可通過葉脊拓撲結構實現與其他IP演播室的系統級聯。
1.易升級性
傳統演播室系統，隨著廣播電視技術的發展、標準的更新，一旦需要進行系統擴容或升級，通常要在考慮兼容性的基礎上，花費大量成本，更換或增補大量設備，在具體實施層面也較為複雜。而E16演播室視音頻系統遵循SMPTE標準體系作為整套系統建設的核心標準，是基於開放IP架構的超高清演播室系統，可快捷、便利、安全地對系統進行擴容和升級：不但可快速在接入層接入更多的設備，達到系統擴容的目的；而且可快速實現SMPTE 2110標準或其他SMPTE標準的系統升級。
2.易拓展性
傳統演播室系統，若需實現多演播室系統級聯，要在設計初期進行大量規劃及設計，且預置相應的組群設備。而E16演播室視音頻系統基於IP架構，與其他IP演播室系統級聯只需增加匯聚層設備，通過葉脊拓撲結構實現演播室系統級聯。
六、結束語
通過半年的使用，E16 4K演播室在整體設計上可滿足新聞類、訪談類、大中型綜合體育賽事的直播及嘉賓訪談、專題類節目的錄製需求，為CCTV 4K超高清頻道提供整體的技術服務。希望通過對CCTV 4K演播室的整體設計及運行介紹對後續4K演播室在建設中起到借鑑及參考作用。
微信訂閱號：科技微覽