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广播电视台提供UHDTV服务在未来五年内面临的三大关键问题及解决方案探讨

DVB(欧洲数字电视标准组织)于2015年8月19日出版的DVB SCENE 9月刊(总第46期)刊登了由CBC(Cologne Broadcasting Center,科隆广播中心)广播电视节目传输中心高级经理Frank Heineberg所撰写的“The New Infrastructure Required for the Next Generation of Television — UHDTV”——《下一代电视(UHDTV)对于电视技术中心基础设施的需求》一文,探讨了电视广播商/广播电视台提供超高清晰度电视服务在未来五年内所面临的三大关键问题及解决方案,具有一定的参考价值。下文对其进行综合性的编译介绍。
 
目前,电视业界对于UHDTV(超高清晰度电视)的技术讨论主要集中于三大领域:HFR(Higher Frame Rate,更高帧率)、HDR(High Dynamic Range,更大动态范围)以及后向兼容型分发/传输。但是,业界也应该要同时认识到:下一代的超高清晰度电视对于电视广播商/广播电视台的现有电视技术中心架构以及第三方电视节目制作商及其电视节目产品将产生非常巨大的影响。
 
目前的相关发展现状很好:符合UHDTV Phase 1(超高清晰度电视第一阶段。由欧洲数字电视标准组织DVB)标准的电视节目制作技术已经基本成熟;超高清晰度电视摄像机、混合器、编辑设备、播出服务器、编码器等关键设备已经具备商用能力,并已被成功地用于低性能的超高清晰度电视传输测试。
 
而在电视直播与非线性服务复杂的工作流程的额外需求方面,目前面临的挑战性问题是带宽、演播室互联、编码器集成/整合、对于新兴高帧率标准的定义、对于新兴高动态范围标准的定义。
 
此外,另一大亟待解决的显著问题是:电视广播技术在从音频/视频基带信号处理技术向网络技术的迁移过程中,进程是很缓慢的。
 
针对上述挑战性问题,最佳的解决方案应该是怎样的呢?
 
目前,大多数电视广播商/广播电视台所采取的电视节目制作标准仍然是用于高清晰度电视的1.5 Gbit/s系统。而将来,UHDTV Phase 1(超高清晰度电视第一阶段)的未压缩基带处理信号具有高达12 Gbit/s的带宽速率,具有高帧率与高动态范围功能的UHDTV Phase 2(超高清晰度电视第二阶段)的未压缩基带处理信号具有高达48 Gbit/s的带宽速率。
 
因此,参考非线性工作流程,电视技术业界就必须考虑到从高清晰度电视XDCAM制作编码器转换至超高清晰度电视XAVC制作编码器时的7倍的数据增量(笔者注:12 Gbit/s÷1.5 Gbit/s-1=7倍),而且对于未经压缩的电视信号,这个数据增量数值还将会更大。解决这一问题的基本需求为:(1)网络性能、网络存储以及渲染引擎的增强;(2)对未来超高清晰度电视演播室互联的定义。
 
目前,电视演播室中对超高清晰度电视基带信号的传输,采用的是四根3 Gbit/s的SDI(串行数字接口)线缆(4×3 Gbit/s=12 Gbit/s)并行传输方式。这种方式的问题在于占用了较大的物理空间,而且迅速地超过了SDI路由器的容量能力。
 
截至目前,单根超高清晰度电视基带信号传输电缆接口的行业标准尚未被制定出来。经典的点到点传输解决方案的寿命将会受限——这是因为,设备及系统供应商已经开始采用开放式的第三层IP标准(比如SPMTE 2022标准)。
 
在广播电视行业使用传统电视节目制作网络长达近十年的时间后,如今,开始采用全新的第三层网络技术来搭建用于制作高清晰度电视节目及超高清晰度电视节目的基础设施。这种新兴架构具有可扩展性/可伸缩性、采取标准化的IT(信息基础设施)设备,还能通过LAN(局域网络)或者大型的WAN(广域网络)来传输各类所需的服务。
 
为了满足实时广播超高清晰度电视内容的需求,电视技术业界于部署“尽力而为”网络技术方面作出了巨大的努力。为了能进行带宽管理、视频帧精确路由以及视频流的“无缝”同步,电视技术业界研发了SDN(Software Defined Networks,软件定义网络)应用系统、高性能第三层控制与监测系统。普通、成本可接受的10 Gbit/s技术的带宽限制问题可以通过轻量级、低延迟的压缩技术(夹层压缩)来予以解决,而且还不会影响到视频图像的再现质量。但是,尚需对相关的实现方式进行标准化,以确保由不同设备制造商所生产产品的互通性。
 
如果该解决方案的下一步演进方向是基于光纤基础设施的100 Gbit/s电视节目制作网络,那么届时就将可传输多路未经压缩的数据流——包括融入高帧率的UHDTV Phase 2信号及其他数据流。
 
由于上述这些基于IP协议的电视广播基础设施解决方案目前仍处于研发阶段,对于系统集成/整合程度的决策就通常会依赖于相关技术的可用性。在此类解决方案正式商用之前,电视广播商/广播电视台所采取的折衷解决方案是购置昂贵的转换器来连接传统的SDI(串行数字接口)数据流,从而不用苦等下一代设备的商用。
 
由于目前市场上有多个不同的高视频帧率HDR解决方案,尚缺乏用于新的UHDTV Phase 2特征、高视频帧率以及宽色域范围的信号格式规范及文件格式规范。
 
而对于即将获得商用的高视频帧率、高动态范围以及宽色域范围,电视技术业界必须要对电视技术中心内部的节目制作标准重新进行定义。高视频帧率映射、视频色彩分级、视频图像逼真程度等将会是将来超高清电视节目后期制作工作流程以及质量检测/审核中所面临的主要挑战指标问题。
 
此外,在播出超高清晰度电视节目的同时,电视广播商/广播电视台也会继续以SDR(Standard Dynamic Range,标准动态范围)及SFR(Standard Frame Rate,标准帧率)格式对标准清晰度电视节目及高清晰度电视节目进行同播(而且是面向不同类型的底层视频内容分发/传输网络,如图1所示),这就对高质量的信号格式转换有着巨大的需求。
 
在现有的广播电视技术中心基础设施环境中,UHDTV超高清晰度电视节目制作所面临的主要问题
注:包括:①电视演播室互联;②节目制作系统的带宽及存储能力;③对HDRHFR、宽色域及高级音频技术的融合处理。
 
而且,电视技术业界也应当要前瞻性地考虑到人们在未来对于更具沉浸感的、基于对象的音频服务(基于额外的声道/音轨与元数据来实现)需求。
 
最后,作为总结,在未来五年之内,电视广播商/广播电视台为广大用户提供超高清晰度电视节目服务所面临的关键挑战性问题将是:①建设基于第三层IP网络的超高清晰度电视节目制播网络;②在超高清晰度电视节目视频中进一步融入高帧率、高动态范围、宽色域等增强型技术选项;③采取下一代的信源编码技术标准。
 
考虑到上述问题的解决需要一定的时间,保守估计,至少在未来十年之内,传统的SDI系统及音频系统仍将发挥重要的作用。
 
 
参考文献:
 
[1] Frank Heineberg. The New Infrastructure Required for the Next Generation of Television — UHDTV [EB/OL]. https://www.dvb.org/resources/public/scene/dvb-scene46.pdf, 2015-08-19.

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