作者：中央電視臺 汪波

近年來，隨著計算機技術、移動通信技術、廣電技術的不斷發展，我們迎來了5G和4K超高清時代。2019年3月1日，工信部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺印發《超高清視頻產業發展行動計劃(2019-2022年)》。該行動計劃指出，按照“4K先行、兼顧8K”的總體技術路線，大力推進超高清視頻產業發展和相關領域的應用，2022年，我國超高清視頻產業總體規模超過4萬億元。5G作為第5代移動通信技術具備高速率，低時延，大連接三大特性。這恰恰滿足4K超高清視頻傳輸所需要的高帶寬和低延時的要求。因此5G網絡和4K超高清視頻傳輸可以實現完美的業務場景匹配。

在當下廣電技術不斷開拓和創新的大背景下，中央廣播電視總臺緊抓5G和4K的技術革新契機，積極籌劃并測試在5G環境中如何實現節目的4K拍攝、4K傳輸、4K制作和4K發布的全IP化流程。通過不斷的測試研究，最終將5G+4K集成制作用于新媒體直播、集成制作等業務。

一、4K IP切換系統

在5G媒體應用實驗室搭建的4K IP切換系統包括4K信號實時回傳、4K信號協議轉換、4K IP切換制作、4K多畫面監看和直播發布等子系統。整個系統采用IP化架構，以NDI流為核心，兼容4×3G SDI輸入輸出，如圖1所示。

1.4K信號實時回傳

4K攝像機輸出4×3G SDI信號給4K編碼器，4K編碼器將信號進行編碼壓縮(4K編碼參數：H.265，4:2:0，10bit，BT.2020，HLG)，輸出UDP單播流(IP地址為IP矩陣端口地址)，然后通過華為5G CPE，將此UDP單播流傳輸到運營商各自的5G核心網，運營商再通過專線網絡將此UDP單播流傳輸到中央電視臺光華路辦公區數據中心部署的IP信號調度矩陣。如圖2所示。

2.4K信號協議轉換

運營商通過專線網絡傳輸到中央電視臺光華路辦公區數據中心部署的IP矩陣是UDP單播流，經過IP矩陣后輸出UDP組播流，拉流服務器配置雙網卡，其中一塊網卡和IP矩陣在同一個vlan，另一個網卡和NDI網在同一個vlan。拉流服務器上安裝的vlc軟件從IP矩陣獲取UDP組播流，然后將其轉化成NDI流信號(拉流服務器上需NewTek NDI Tools插件)，通過另一塊網卡輸出到NDI網中。如圖3所示。

目前拉流服務器通過vlc軟件完成UDP組播流轉NDI流只是暫時的過渡性方案。

3.4K IP切換制作

拉流服務器輸出的NDI信號進到NDI網絡后，4K IP切換主機就能獲取到該信號并進行包裝切換制作，最終輸出的PGM通過4×3G SDI輸出，送4×3G SDI視頻分配器，最后通過AJA的4×3G SDI轉HDMI轉換器送4K電視顯示。4K IP切換臺主機配置兩個萬兆網卡，最大支持44路4K的NDI流輸入。如圖4所示。

4.4K多畫面監看

4K多畫面監看服務器，從IP矩陣接收UDP組播流，將UDP組播流信號通過硬件解碼芯片解碼，然后再編碼輸出HDMI信號給顯示設備進行監看。如圖5所示。

5.直播發布

4K IP切換集成制作輸出的4×3G SDI信號輸入編碼器，編碼器壓縮編碼輸出UDP組播流，通過臺內網送到新媒體集成發布平臺完成信號的分發。第三方直播平臺從新媒體集成發布平臺拉流獲取直播信號。

本次5G新媒體平臺4K集成制作的IP切換系統一共接入了來自全國多個省市一共16個報道點的實時4K信號。其中，中國電信有5個5G回傳4K信號：廣州-珠江游船、深圳-小平像、福州-三坊七巷、成都-九寨溝以及鷹潭-龍虎山；中國移動有5個5G回傳4K信號：北京-鳥巢、上海-外灘、成都-大熊貓基地、深圳-深南大道以及杭州-雷峰塔；中國聯通有6個5G回傳4K信號：北京-天安門廣場、青島-奧帆中心、鄭州-河南博物館、南京-長江大橋、廣州-花城廣場以及哈爾濱-亞布力滑雪場。

16個報道點用到的設備如下：4K攝像機、4K編碼器和5G CPE。攝像機輸出4×3G SDI信號送4K編碼器進行編碼，4K編碼器通過5G CPE連通5G網絡，將編碼后的IP流信號上行傳輸到5G核心網。三大運營商通過各自的專線，將IP流信號傳輸到中央電視臺光華路辦公區的IP矩陣。此次通過5G鏈路進行性信號傳輸，IP流信號采用UDP網絡協議，通過單播流的傳輸方式，實現信號端到端的傳輸。

IP矩陣將接收到的UDP單播流轉換成UDP組播流，并且可以路由至任何一路輸出端口。至此，下游網絡中所有和該端口相同vlan下的設備均可以獲取到該UDP組播流，解決了單播流點對點傳輸接收的局限性。IP矩陣可實現對IP流信號圖形化和精細化管理，可以完成對IP流信號的調度管理。

整個系統采用全IP架構，因此網絡顯得尤其重要。試驗階段，我們對IP數據包在整個網絡傳輸鏈路中丟包及糾錯進行了長時間的測試，最終保證了整個網絡傳輸鏈路的丟包率在可控范圍之內，不影響視音頻信號的質量。IP信號從外場到5G媒體應用實驗室經過了一系列復雜的網絡傳輸鏈路。簡要的信號流程圖如圖7所示。

二、基本技術原理

本次5G新媒體平臺4K集成制作是國內首次通過5G網絡實時傳輸4K超高清信號進行切換制作。

1.4K信號采用的技術標準

(1)4K分辨率

3840×2160，幀率：50Hz，幅型比：16:9。BT.2020標準規定Ultra-high definition超高清圖像的顯示分辨率為3840×2160與7680×4320，畫面顯示比例為16:9，支持的刷新率包括120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p、23.976p。在BT.2020標準中取消了隔行掃描，所有超高清標準下的影像都是基于逐行掃描的，進一步提升了超高清影像的細膩度與流暢感。

(2)色域

BT.2020標準，大幅度提升了視頻信號的性能規范。色彩深度方面，提升至10bit或12bit，其中10bit針對的是4K系統，12bit則針對8K系統。這一提升對于整個影像在色彩層次與過渡方面的增強起到了關鍵的作用。而色域范圍的面積也遠遠大于BT.709標準，能夠顯示更加豐富的色彩。

(3)HDR高動態范圍

HLG標準。目前全世界HDR的標準有四個：Dolby Vision、HDR10、HLG和Prime/SL-HDR1。Dolby Vision和HDR10遵循的都是電信號轉換為光信號，后期需要進行內容再制作。對于廣電行業來講，如果把所有的信號都進行HDR編碼，將會是無比巨大的工作量；HLG的推出目的很簡單，簡化HDR的制作流程，HLG的轉換方式為光信號轉換為電信號，在拍攝的時候就可以直接完成HDR的編碼，后期不再需要耗費大量的人力和物力。因此HLG對于電視節目來說是非常合適的。所以中國廣電HDR標準選用的是HLG。

2.4K編碼器編碼標準

目前臺里4K回傳信號采用的編碼標準是：H.265/HEVC。H.265視頻編碼技術是2013年定稿發布的下一代視頻壓縮標準，命名為HEVC(High Efficiency Video Coding)，分別被ITU-T和ISO/IEC采納成為國際標準，即H.265視頻壓縮標準。H.265在現有的視頻編碼標準H.264基礎上，進一步提高壓縮效率、提高魯棒性(Robustness抗變換性)和錯誤恢復能力、減少實時的時延、減少信道獲取時間和隨機接入時延、降低復雜度，以達到最優化設置。

H.265能在有限帶寬下傳輸更高質量的網絡視頻，只需H.264編碼的一半帶寬即可傳輸相同質量的視頻；視頻壓縮率更出色，與H.264相比壓縮效率提升1倍。

3.UDP協議

UDP協議全稱是用戶數據報協議，在網絡中它與TCP協議一樣用于處理數據包，是一種無連接的協議。

UDP的特性：它不屬于連接型協議，因而具有資源消耗小，處理速度快的優點，所以通常音頻、視頻和普通數據在傳送時使用UDP較多，因為它們即使偶爾丟失一兩個數據包，也不會對接收結果產生太大影響，只有UDP才有廣播、組播的傳遞方式。

UDP信息傳遞的方式分以下三類：

● 單播Unicast：是客戶端與服務器之間的點到點連接；

● 廣播BroadCast：主機之間“一對所有”的通訊模式，廣播者可以向網絡中所有主機發送信息。廣播禁止在Internet寬帶網上傳輸(廣播風暴)；

● 多播MultiCast：主機之間“一對一組”的通訊模式，也就是加入了同一個組的主機可以接受到此組內的所有數據。

4.NDI協議

NDI是Network Device Interface的簡稱，是NewTek公司于2015年推出的網絡設備接口協議；NDI是使視頻兼容產品通過局域網進行視頻共享的開放式協議，它讓視頻在IP空間進行簡捷高效的傳輸成為現實，這一特性和應用將在很大程度上取代目前行業特定的有線連接和傳輸(比如HDMI，SDI等)。音視頻信號在進行NDI編碼后，能實時通過IP網絡對多重廣播級質量信號進行傳輸和接收，同時具有低延遲、精確幀視頻、數據流相互識別和通信等特性。

NDI信號傳輸數據碼率：

1080 50P信號單路編碼20Mbps~25Mbps,當PGM調用時為120Mbps。2160 50P信號單路編碼40Mbps~48Mbps,當PGM調用時為320Mbps。NDI既可以單播又可以多播傳輸，以高清信號傳輸為例，如圖9和圖10。

經過對多種IP切換設備和流程的考量，此次選擇NDI協議進行轉換和制作主要考慮到NDI協議帶來的優點：

● 多信道：任何設備都能夠連接上其他所有設備，實時傳輸多路信號；

● 少流量：可在本地完成信號切播后只輸出一路，不受網絡條件影響；

● 高碼率：局域網可輕松傳輸 720P、1080P、2160P等畫質的視頻流；

● 低延遲：無需上傳至云端再下載到本地，延遲可控制在0.1秒左右；

● 大范圍：即便是不同辦公區域，只要在同一局域網中即可正常通信；

三、測試中遇到的問題及如何優化

本次5G新媒體平臺4K集成制作是國內首次通過5G網絡實時傳輸4K超高清信號進行切換制作，在測試過程中遇到一些問題。

IP前方編碼器輸出的UDP流必須經過軟件或者硬件解碼然后輸出NDI流給切換臺，目前臨時過渡性方案是采用在高性能服務器上通過vlc軟件純靠CPU進行軟解碼然后輸出NDI流。這種方式解碼10bit編碼的流輸出NDI流畫面存在拖影問題同時vlc瘋狂丟幀和非連續性丟包，而解碼8bit編碼的流存在少量丟幀和非連續性丟包的問題。因此懷疑vlc上裝的NDI插件對10bit量化編碼的流不支持。

針對上述問題，下一步將積極聯系設備廠商，將所有測試問題匯總，讓廠家研發可以解碼H.265編碼(支持10bit量化和HLG)的IP流然后直接輸出NDI流的軟件或者硬件設備，同時必須能保證視音頻同步問題，或者通過其他公司基于NDI開發出類似的軟件或者硬件設備。

四、后記

本次5G新媒體平臺4K集成制作是國內第一次大規模運用5G網絡實時回傳十幾路4K超高清信號進行傳輸與制作。沒有前車之鑒，也沒有任何技術經驗可供參考，所以只能在不斷的試錯，不斷的糾錯，不斷的測試中積累了寶貴的技術財富。在此過程中，遇到了基于5G網絡、傳輸設備、編解碼設備等多種問題，出現這些問題也給今后實驗室指明了研究和發展方向。基于IP傳輸與制作是新媒體制作分發的必然趨勢，也是未來視頻技術發展的方向，進一步優化流程，減少延時、杜絕拉流過程中的編解碼錯誤等是下一步的工作重點。同時這次實驗的成果也會用到更多的實際直播與制作業務中，為中央廣播電視總臺加速媒體融合發展及打造“5G+4K+AI”戰略起到積極推動作用。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的组播应用场景_推介4K IP切换系统在5G媒体集成制作中的应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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