基于5G 的演播室信號直播與制作

蔡 頂

（鄭州廣播電視臺，河南 鄭州 450018）

0 引言

在現代電視技術領域，隨著5G 網絡的快速發展與廣泛部署，其對演播室信號直播與制作的影響及其潛在應用已成為研究的焦點。5G 以其顯著的高帶寬、低延遲和廣覆蓋特性，為電視信號的采集、傳輸和處理提供了新的可能性，預示著傳統電視制作和播出模式的根本性變革。在此背景下，深入探究5G 在演播室環境中的應用，不僅是技術創新的需要，更是應對日益增長的高清、4K/8K、虛擬現實（Virtual Reality，VR）/增強現實（Augmented Reality，AR）內容直播需求的必然趨勢。通過高速的5G 網絡，電視臺能夠實現高效的視頻內容云存儲和云處理，使得視頻編輯、后期制作等環節更加靈活和高效。

1 基于5G 演播室信號直播的優越性

5G 網絡以其高數據吞吐率、低延遲特性和高可靠性，為電視直播帶來了前所未有的技術優勢。特別是在高清、超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻傳輸方面，5G 能夠支持更高分辨率和更高幀率的視頻內容，顯著提升直播質量。5G 網絡的高帶寬和低延遲特性對于減少信號傳輸過程中的延時和圖像卡頓現象具有重要意義，對于直播中的實時互動和高質量視覺體驗尤為關鍵。5G 網絡的另一個顯著優勢在于其網絡切片功能，能夠為電視直播提供定制化的網絡服務。通過網絡切片技術，可以確保關鍵的直播信號傳輸在網絡資源分配上獲得優先級，從而提高傳輸的可靠性和穩定性。這一點對于體育賽事、大型活動等高流量直播場景尤為重要[1]。此外，5G 對于提升演播室內部的無線信號連接也具有重要意義。利用5G 網絡，演播室可以實現更靈活的攝像機布局和移動性，大大提高工作效率和創意表現力。

2 基于5G 的演播室直播信號傳輸技術

2.1 前端系統

5G 信號回傳系統前端架構包括電子現場制作（Electronic Field Production，EFP）、5G 聚合設備、5G 核心網、防火墻、基于視頻輸出板卡的接收服務器以及融合平臺制作共6 個環節，如圖1 所示。具體來說，EFP 是演播室直播信號傳輸的源頭，通過4K/8K 攝像機和高保真音頻設備等采集設備捕捉高清晰度視頻和音頻信號，將信號編碼成適合5G 傳輸的數據格式，確保信號在傳輸過程中的實時性和穩定性。這些信號被傳輸至5G 聚合設備。5G 聚合設備支持多頻段、多協議的信號處理，可通過高效的信號壓縮與解壓縮技術實現對大容量數據的快速傳輸。5G 聚合設備基于多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術，可增強直播信號的覆蓋范圍和穿透力，顯著提高信號的傳輸效率和可靠性。經5G 聚合設備處理后，信號進入5G 核心網，經過傳輸系統的樞紐。5G 核心網具有高帶寬和低延遲的特性，可確保前端到后端的數據傳輸高效且穩定。5G 核心網基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術，可實現靈活的網絡資源調度和優化，進一步提高傳輸效率。安全性是直播信號傳輸不可忽視的重要方面，所以信號在傳輸至接收服務器前必須經過嚴格的防火墻檢測。防火墻能有效防止分布式拒絕服務（Distributed Denial of Service，DDoS）和其他網絡威脅，保證信號傳輸的安全性。最后，信號被傳輸至基于視頻輸出板卡的接收服務器。服務器采用高性能的視頻解碼技術確保接收到的信號質量無損失，對信號進行必要的編輯和調整以適應后續的融合平臺制作需求?；?G 的演播室直播信號傳輸技術的前端系統可高效整合EFP、5G 聚合設備、核心網、防火墻和接收服務器等關鍵技術環節，提高直播信號的傳輸效率和質量，確保傳輸過程的高度安全性和可靠性。

圖1 5G 信號回傳系統前端架構

2.2 自動轉碼系統

自動轉碼系統能夠實時地將原始信號轉換為適合不同分辨率、帶寬和設備要求的格式，同時保證傳輸的高效性和信號的完整性?？紤]到5G 網絡的高數據傳輸能力，自動轉碼系統必須具備處理高分辨率視頻流的能力，如4K 或8K 視頻信號。這要求轉碼系統擁有強大的計算能力和高效的編解碼算法，以確保在不降低視頻質量的前提下實現高速的信號處理。轉碼系統需要支持多種編解碼標準，如H.264、H.265/HEVC 等，以適應不同終端和播放平臺的需求。自動轉碼系統的設計還要考慮到網絡環境的多變性，應結合設計要求進行優化[2]。由于5G網絡覆蓋和質量可能受到地理位置和環境因素的影響，轉碼系統需能夠動態調整編碼參數，如比特率、幀率等，以適應網絡條件的變化。這意味著轉碼系統需要具備智能感知網絡狀態的能力，并能夠根據網絡帶寬的實時變化自動優化視頻流的質量。在自動轉碼過程中，音頻信號的處理也是不可忽視的一個方面。與視頻信號類似，音頻信號需要被轉碼為適合不同播放環境的格式，同時保持音質的清晰度和同步性[3]。因此，自動轉碼系統應支持多種音頻編碼格式，如AAC、Dolby Digital 等，并能夠實現音視頻的無縫同步。自動轉碼系統還需考慮用戶體驗。例如，轉碼后的視頻流應適應不同大小和分辨率的顯示設備，從大屏電視到智能手機屏幕，保證不同設備上的觀看體驗。

3 5G 在演播室信號直播及制作中的應用

3.1 LIVE 模式

LIVE 模式即實時直播模式，是5G 在演播室信號直播及制作的重要應用。LIVE 直播信號傳輸架構主要包括拍攝現場、LIVE 演播室和播放端3 層操作，覆蓋了從信號采集到播放的全過程，如圖2所示。

圖2 LIVE 直播信號傳輸架構

在拍攝現場，利用高質量的攝像設備進行信號的初步采集。攝像設備能夠捕捉高分辨率的視頻內容，通過切換臺進行初步的信號選擇和混合，將信號傳輸至5G 聚合背包。5G 聚合背包能將不同來源的信號進行有效融合，并通過5G 網絡進行高效傳輸。實時消息傳輸協議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）編碼器對信號進行編碼，為后續的網絡傳輸做好準備。在LIVE 演播室中，信號被5G 接收服務器接收。服務器直接與拍攝現場的5G聚合背包相連，保證信號的實時性和完整性。隨后信號經過RTMP 解碼器解碼還原為高質量的視頻信號。RTMP 編碼器將信號再次編碼以適應不同播放平臺的需求。收錄系統對信號進行備份和存儲，為后續的編輯和回放提供支持。信號中控負責對各類信號進行調度和控制，確保直播順利進行、畫面符合預期。在播放端，信號被分發至移動端、PC 端和電視端等不同終端設備。這些終端設備通過解碼和渲染將信號轉換為觀眾可以直接觀看的視頻內容。在這個過程中，5G 的高帶寬和低延遲特性確保了播放的流暢性和高清晰度，為觀眾提供了卓越的觀看體驗。

3.2 S&F 模式

S&F 模式是一種結合了實時直播和后期制作的工作流程，利用5G 的高帶寬和低延遲特性，實現了在直播信號采集的同時進行快速的內容編輯和傳輸，從而在直播結束后迅速推出精編輯內容。在S&F 模式下，首先，對于直播信號的采集，5G 提供了更加靈活和高效的解決方案。與傳統的有線或4G 網絡相比，5G 的高速數據傳輸能力使得可以在無須大量物理線纜的情況下快速部署攝像設備，并實時傳輸高質量的視頻信號。這對于那些需要迅速搭建和拆卸設備的現場直播特別重要，比如突發新聞事件或戶外體育賽事。在S&F 模式中，5G 支持更加高效的視頻信號處理[4]。在直播過程中，通過5G 網絡，可以將采集到的原始視頻信號實時傳輸到遠程的制作中心或云服務器。在這里，視頻信號可以立即進行快速編輯，包括剪輯、添加圖形和文字、音頻同步等。這種工作流程極大地縮短了從直播到內容發布的時間間隔，使得觀眾可以在直播結束后不久就觀看到經過精心制作的內容，并滿足觀眾的視覺體驗要求[5]。在S&F 模式的實現過程中，5G的低延遲特性發揮了關鍵作用。這種低延遲保證了從現場到制作中心的信號傳輸幾乎無時間差，使得遠程制作團隊能夠實時監控和編輯直播內容。

4 結語

5G 網絡的高帶寬和低延遲特性，使得AR/VR 內容的實時傳輸和互動體驗得到顯著提升，不僅為觀眾提供了沉浸式的觀看體驗，也為電視節目制作帶來了新的創意空間和表現形式。因此，5G 在演播室信號直播與制作中的應用不僅是一項技術革新，更是電視行業迎合新媒體趨勢、拓展創新內容形式的重要途徑。對5G 在演播室信號直播與制作中的研究，有助于提升現有電視制作和播出的技術水平，為電視行業的未來發展提供了新的方向和可能性。從高效的視頻傳輸到新媒體內容的創新應用，5G 網絡技術的深入研究和應用，推動了電視技術進步和媒體產業發展。