4K 超高清演播室的設計與應用

卞 雷

（宿遷市宿豫區融媒體中心（宿遷市宿豫區廣播電視臺），江蘇 宿遷 223801）

0 引言

隨著科技的發展和觀眾的需求提升，電視節目制作和播出正面臨著從高清向超高清的技術轉型[1]。4K 超高清電視具有3 840×2 160 的分辨率，是高清電視的4 倍，能夠提供更清晰、更細致、更真實的畫面效果，給觀眾帶來更好的視覺體驗[2]。4K 超高清電視技術的應用，不僅需要相應的前期拍攝、后期編輯及播出傳輸等設備和系統，也需要設計相應的演播室系統來支撐大型節目的制播任務。

1 4K 超高清演播室設計方案

4K 超高清演播室是使用4K 分辨率的視頻設備和系統構建的演播室，可以提供高清晰度、高色彩度、高動態范圍的視頻內容[3]。文章的設計方案以中型規模的4K 超高清演播室系統為例，主要由視頻系統、音頻系統及畫分監看系統組成。

1.1 視頻系統

視頻制作系統是4K 超高清電視節目制作的關鍵系統，主要由攝像機的接入、外來信號的接入、信號制作、信號調度交換以及信號的輸出5 個部分組成。

1.1.1 攝像機的接入

攝像機接入部分在設計過程中涉及攝像機的選擇、信號的傳輸和處理等方面。在攝像機的選擇方面，可以考慮使用索尼公司生產的HDC-5500 4K 高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）等專業的演播室攝像機產品。該類攝像機具有高分辨率、高動態范圍及高色彩空間等特點，可以提供優質的4K 超高清圖像。為了保證攝像機的靈活性和可靠性，演播室設計還需要配備攝像機控制單元和基帶處理器單元。其中，攝像機控制單元負責對攝像機的各項參數進行調節和控制，基帶處理器單元負責對攝像機的輸出信號進行格式轉換和編碼。在信號的傳輸和處理方面，設計采用網際互連協議（Internet Protocol，IP）方式，即將攝像機的輸出信號封裝成IP 數據包，通過網絡交換機或其他設備進行傳輸和分配。這一設計需要遵循電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）ST 2110 標準。該標準規定了視頻、音頻、同步及元數據等信號在IP 網絡中的傳輸格式和方法，為4K 超高清演播室的視頻系統提供了先進、可靠的技術方案。從設計的角度來看，攝像機接入部分的實施需要經過不斷測試和優化，以確保系統在穩定性和兼容性方面達到最佳表現。

1.1.2 外來信號的接入

4K 超高清演播室的設計方案中，關鍵設計之一為外來信號的接入能力。在演播室設計方面，可選擇采用GV UHD1100 設備來實現信號的幀同步、上變換以及色域轉換。處理后的外來信號被統一為3G×4 2-SI 模式的標準4K 信號，為整個系統提供高質量的輸入信號。標準化的4K 信號進入GV NODE 設備，經過超高清轉換，將信號從傳統的串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）格式轉變為更為靈活的IP 格式，確保外部信號在演播室內的順暢傳遞，可以為實現高質量的4K 超高清節目制作提供可靠的支持。

1.1.3 信號制作

在4K 超高清演播室的設計中，系統設計以全IP 化的框架為基礎，采用ST 2110 標準進行視頻、音頻、同步和元數據等信號的傳輸和處理。為保障高效信號制作，建議使用GV K-Frame XP 全IP 4K/HD 切換臺。該設備支持64 路輸入和32 路輸出，具有2 級M/E 制作能力。設備支持信號格式轉換，如HDR/SDR、BT.2020/BT.709、50p/50i 等，以確保信號的兼容性和一致性。設計預留了多臺4K 圖文機、4K 字幕機及4K 特效機等設備，用于信號的包裝、特效及字幕等處理，以提升節目的視覺效果和表現力。

1.2 音頻系統

音頻系統在4K 超高清演播室中為整體節目制作提供全面的音頻支持，并與視頻系統協同運行。系統設計將音頻信號轉換為基于SMPTE ST 2110 標準的IP 數據流，以實現音頻的高效傳輸和交換。設計采用支持IP 輸入輸出的音頻調音臺、音頻監視器及音頻收錄機等設備，以及支持IP 音頻流的交換機、同步器及網關等設備，構建一個基于IP 的高靈活性和高可靠性的音頻制作平臺。設計構建一個基于Dolby Atmos、MPEG-H 等標準的先進三維聲制作平臺，支持三維聲制作和監聽的音頻調音臺、音頻監視器及音頻處理器等設備，為觀眾提供身臨其境的聲音感受。

1.3 畫分監看系統

畫分監看系統是為4K 超高清演播室提供畫面監視和質量評估的系統，主要配合視頻制作系統的運行。該系統設計除了保持有原來系統所有的畫面分割、畫面監視及畫面測量等功能，還增加了畫面增強、畫面對比等新技術。畫面增強設計采用人工智能技術，對輸入的4K 超高清視頻信號進行實時的圖像質量提升，包括降噪、去模糊、增銳及調色等處理，以實現更加清晰和自然的畫面效果。該系統設計還采用支持畫面增強功能的視頻處理器、視頻監視器等設備，以及支持畫面增強算法的軟件平臺，構建一個基于人工智能的畫面增強平臺。畫面對比設計采用支持多路輸入和輸出的畫面分割器、畫面監視器等設備，以及支持多種格式和標準的視頻信號發生器、視頻信號分析儀等設備，構建一個基于SmartView 4K2 的畫面對比平臺，為用戶提供更直觀、更全面的視覺信息。

2 4K 超高清演播室的優勢

2.1 提升視覺感知體驗

4K 超高清演播室通過提供更高的畫面清晰度和細節，為觀眾創造更出色的視覺體驗和沉浸感[4]。以4K 分辨率為例，相較于高清分辨率，4K 每個像素點的信息量更加豐富，畫面更為銳利，色彩更鮮艷，對比度更高，尤其在大屏幕觀看時，效果更為明顯，展現更多的細節和紋理，提升了整體視覺感知體驗。4K 超高清演播室支持HDR 和寬色域（Wide Color Gamut，WCG），使畫面更加逼真和自然。通過采用先進的編碼和傳輸技術如高效率視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC），演播室實現了對HDR 和WCG 信號的處理和顯示，確保畫面的亮部和暗部均能保持細節，色彩的還原度和飽和度也更高，進一步展現了真實的光影和色彩效果。

2.2 創造沉浸式聲音體驗

4K 超高清演播室支持三維聲制作和監聽，通過多個揚聲器或耳機模擬聲音在三維空間中的分布和運動，實現了更為真實和沉浸的聲音體驗。演播室采用Dolby Atmos、MPEG-H 等標準，可以根據不同的場景和內容調整聲音的方向、位置、深度和高度，使聲音更具立體感和空間感。同時，通過IP 方式傳輸音頻信號，實現了音頻的高效交換和處理，提高音頻的質量和穩定性。

2.3 多平臺傳播

4K 超高清演播室通過超高清、高清及標清同播的方式，覆蓋有線網絡、衛星、IPTV 等傳輸渠道，滿足全國范圍內不同層次和差異化的收視需求[5]。采用IP 全流程，支持網絡設備接口（Network Device Interface，NDI）、實時消息傳輸協議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）等網絡協議，實現與互聯網、移動端、社交媒體等新媒體平臺的無縫對接，實現節目的多屏融合和跨平臺分發，使得演播室具備更大的傳播影響力和便捷的觀看方式，推動了節目的多元化傳播。

2.4 節約成本

4K 超高清演播室可以節約制作和播出的成本，提高效率和收益。通過采用IP 全流程，4K 超高清演播室實現視頻、音頻、同步和元數據等信號的統一傳輸和處理，減少設備的數量和類型，降低設備的采購和維護的費用，簡化系統的架構和管理，提高系統的靈活性和可靠性。同時，通過采用先進的編碼和傳輸技術實現對4K 超高清信號的高效壓縮和傳輸，降低帶寬的需求和消耗，減少傳輸的延遲和丟包，提高傳輸的質量和穩定性。

3 4K 超高清演播室的具體應用

3.1 《國樂大典第四季》錄制

《國樂大典第四季》是一檔凸顯中國民樂魅力的綜藝節目，以跨界合作為特色，邀請不同年代、不同音樂風格的音樂人與國樂手合作。節目的制播采用4K 超高清演播室，實現了端到端的全IP 化架構，支持12G 單流的4K 信號傳輸和切換，極大地提高了畫面的清晰度和細節表現。該演播室使用索尼的XVS 系列4K 超高清IP 切換臺，符合SMPTE ST 2110 標準，支持HDR 和WCG 制作，使得畫面色彩更加生動豐富，對比度更為出眾。為實現“所看即所得”的效果，4K 超高清演播室還使用了IP 多畫面分割監看系統，能夠靈活調用交換機的IP 信號源，提供了直觀的實時監視體驗。錄制過程中，索尼的4500 硬盤服務器用于4K 信號的收錄，并將信號實時推送到后期編輯網，方便后期制作和最終播出。

3.2 南方衛視“唱享”音樂會的豎屏制作直播

南方衛視“唱享”音樂會以“讀信”為主題，呈現一場戶外音樂慢綜藝。該節目的錄制采用4K 超高清演播室系統，創造了全新的觀看體驗。節目制作利用5 個4K 訊道機進行豎屏拍攝，通過L 支架旋轉90°拍攝，導播區與調像區的屏幕均旋轉90°，實現了獨特的畫面展示。IP 分控中心對臺內其他區域演播室的制作進行服務和調度，提升了系統的覆蓋范圍和利用率。在直播過程中，4K 超高清演播室系統采用IP 流監看模式，監看系統各個節點信號，支持HDR 和SDR，確保畫面質量。通過轉換，將直播信號輸出相應的4K 和高清SDI 信號，分別供電視臺和網絡平臺播出，滿足了不同平臺的需求。

4 結語

隨著技術不斷演進，4K 超高清演播室必將在廣播與電視領域中發揮更為重要的作用，為觀眾帶來更豐富、更震撼的視聽體驗。通過文章的設計與應用分析，期待這一先進技術在未來繼續推動節目制作的發展，為觀眾呈現更加精彩紛呈的視聽盛宴。