演播室4K超高清制作与系统环节中部分新技术探讨

摘要 ：演播室制作由高清迈向4K超高清后所带来的技术升级是多方面的，它不仅体现在系统所采用的IP-交换机网络基础模式了传统SDI点对点的系统架构，即便在具体摄、录制作设备上也与高清时代有很大升级。从设备到系统，从周边到核心，可以说各个环节都体现出4K新技术的创新和改变。本文将从制作和系统两方面，列举出部分典型设备来介绍演播室4K超高清制作中所体现的新技术发展。关键词 ：4K镜头；交换机；SDN；12G单流 4K超高清制作已经成为近年的时髦词汇，未来几年我台将陆续对现有高清演播室进行4K超高清系统改造。演播室制作由高清迈向4K超高清必然带来众多技术改变，体现在很多新技术、新方案被专门开发、设计并应用于4K制作设备和系统中。在系统上已经不再是以矩阵为核心，不再采用以BNC卡口、75Ω同轴电缆为物理层支持的SDI单向点对点的传输模式，取而代之的是以交换机为核心的星型网络结构，视音频、同步、辅助控制信号等都以数据流的形式被映射到物理层为10、25、100G的IP以太网中双向传输。具作设备上或增加新开发的软、硬件技术，或在原有基础上做改进，或在操作模式上增加创新性，其目的都是为了适应IP系统的变化和4K节目制作的新要求，系统内从核心到周边都参与到4K技术的融合中去。本文探讨与演播室4K超高清制作相关的部分新技术发展，内容无法涵盖到所有环节，但争取达到由部分推测出全貌的效果。没有用。4K镜头虽然在外形上和高清镜头差不多，但内部技术已有很大不同，之所以能达到4K技术品质是来源于设计理念的转变。4K镜头的设计也要达到高清晰度、高对比度和高动态这三个技术标准。高清晰度不仅仅是从镜头看到的图像像素更多，而且在图像的细微细节上也体现出超过高清镜头的效果。高对比度是说图像中明暗区域的灰阶层级更深刻，画面主体和背景表现得更鲜明。高动态是说镜头的图像表现中黑的部分更黑，白的部分更白，锐度更高，效果更通透。要想达到上述要求，4K镜头内的大口径非球面镜片的材料、透光精度和透光量都很重要，要大大超过高清镜头的镜片。区别于树脂模压成型工艺，这类专业的大口径非球面镜都是仔细研磨出来的，工艺难度和成本都非常大。由于非球面镜体弧度的不确定性，在研磨时要求工艺精度达到纳米级，某一弧度打磨失败都会导致整块非球面镜报废。另外非球面镜的材料选择也很重要，除了采用自然界的天然矿物透光材料外还会加入特殊配方，使非球面镜在透光量加大的同时拥有低色散和高折射率的表现。白色复合光射入非球面镜后，不同光谱的彩色光会发生折射和色散现象，高清镜头中出现的紫边色差现象在4K镜头中同样会加重出现，这是由于4K的BT.2020宽色域和高亮度决定的。因此非球面镜的材料选择要能做到低色散和高折射率才能有效抑制画面的紫边色差。非球面镜折射率和色散的对比如图1所示。4K镜头总体光学性能也更优异。有了这些技1. 4K镜头的高性能在制作环节一提到4K画面的高清晰度（High 、高动态（High Dynamic Range）就Resolution）会让人首先联想到性能优异的4K超高清摄像机，装备了高性能光电传感器和信号处理器的摄像机是优质画面的保证。不过我们却忽略了非常重要的一环即镜头，它才是4K摄像机的眼睛，如果镜头本身在光学性能上就达不到4K质量，那后面的传感器和处理器再先进也影视制作

系统网络︱System Network术和工艺，大口径非球面镜就能保证从镜片中心到周边都保持稳定的4K高分辨率的光学性能，同时光谱高频和中频部分的表现力都能得到相应的提高（光线的高频部分代表的是分辨率，中频部分代表的是，更有利于摄像机后续的电子电对比度）路把4K图像的宽色域和高动态充分发挥出来。 在4K镜头的镜筒内部会有几十块镜片，光线照射到每块镜片上都会反射产生杂散光，镜筒的内壁也会把光线反射到镜片上造成多次杂散光污染。这就导致镜头拍出的图像黑色不黑白色不白，降低了画面的动态范围，最大限度地去掉杂光污染提高灰阶层次是重要问题。首先镜筒内壁采用小的锯齿状构造，这样可以吸收光线在内壁上的漫反射（类似音乐厅的锯齿状，减少杂光反射到镜片上。其墙壁设计）次就是镜片镀膜技术，利用光学薄膜及真空技术镀上一定厚度的单层或多层光学薄膜，使镜片获得一些新的原本不具备的 图1 非球面镜折射率和色散的对比

优良性能，改善镜片反射光线的能力，增强光线穿透作用，使镜片的透光率由原来的90%增加到98%。现在各厂商都有自己的镀膜技术，其中HT-EBC（高透光率电子束镀膜）是为增强4K广播级镜头使用的高性能非球面镜片而深化研发的一项多层镀膜技术。使用HT-EBC技术，镜片的高透光率（99.8%）和低反射率（0.2%）对可见光谱中的光线均有统一稳定的优异表现。由于非球面镜片的研磨技术有保证，整个镜片 图2 三种镀膜反射率的比较

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系统网络︱System Network 图3 叶-脊架构的制作网

表面都可以使用超耐用的HT-EBC，从而实现从镜心到边缘的极高的透光率，最大限度地使光线传达到传感器靶面，这就是技术人员感到4K镜头非常吃光的原因（图2）。此外，将这些镜片组装到镜筒内并进行调校也是非常重要的，需要技师拥有精湛的技术和多年的调校经验。4K标准镜头的广角端和长焦端的光学性能表现是需要平衡调校的，不能说广角端调得非常锐导致长焦端又很虚，两端都要达到4K的高性能。但对于长焦镜头来说，最好的光学性能一定是放在长焦端的。另外变焦是由多个镜片组群完成的，镜片之间变焦和聚焦的行程范围也需要精确计算和调校。为了方便摄像师单手完成变焦，4K镜头改良了变焦的行程范围，手动变焦旋转角度可在100度内完成；由于4K镜头的清晰度越高焦点就越难寻找，因此聚焦的行程范围也被设计扩大了。在需要技师拥有丰富调校经验的同时，还要配合计算机模拟计算协作完成。最后全新设计的高精度陶瓷滚珠防震系统可以在补偿芯片的指令控制下使4K镜头在拍摄时的抖动补偿更平滑，抖动方向、反应速度和补偿量修正精度更高，防抖性更好。采用新的陀螺仪和传感器芯片的变、聚焦伺服马达体积减小的同时，相比高清镜头其所使用的马力却加大了，提高了变聚焦速度同时又降低了噪音。2. IP网络交换机在演播室4K制作系统中交换机取代矩阵成为整个IP网络的核心，目前使用的通用交换机占大多数，也有少部分专用交换机。考虑到广电4K制作生产的数据量很大，因此40G、100G端口成为交换机的标准配置。交换机也分1U紧凑型和大型箱式两种，紧凑型交换机大致有36个100G接口，箱式交换机根据演播室需要选择插不同数量的卡来具体配置：1到8张卡，每张卡提供36个100G接口，整台最多288个100G接口，也可在10、25、40、100G中自由定义。（叶-脊架构）2.1 Leaf-Spine 在4K的IP系统中交换机以主、备配置，单个的4-6讯道演播室考虑到各类信号源、切换台、分66影视制作

割器、PTP、音频AES67、服务器控制、技监等，交换机总用量应该小于30个100G端口，因此1U交换机是完全能够满足单个演播室的制作规模。当两个4-6讯道演播室组成集群需要互联制作节目时，那紧凑型交换机就需要采用Leaf-Spine（叶-脊架构）配置。每个演播室各自交换机除了被占用的大约25个接口外，剩余10个左右接口（大约1T带宽）需要用来向上与主、备脊交换机做互联，脊交换机可以控制下面的多个叶交换机之间进行信号调配，实现演播室群系统所有信号的顺畅沟通。如果三个演播室组成集群联合制作，既可以采用叶-脊架构方式配置紧凑型交换机，也可以采用箱式插卡交换机主备配置作为群公用核心，一级直接统一管理三个演播室所有信号，灵活、安全、可靠。叶-脊架构的制作网如图3所示。2.2 BC交换机4K系统使用的是边界时钟（Boundary Clock）交换机，这是因为BC交换机收到PTP信号后就作为时钟的边界以主钟的方式将同步信号分散到下面链路上的各个终端设备上去，这样就由交换机来承担同步的负载压力，上层同步机只面对一个终端压力就会很小。对于一个台级规模的大系统来说为确保成百上千个锁相终端的同步安全，最好选择边界时钟模式的交换机。如果是透传时钟（Transparent Clock）交换机，系统的所有终端都得透过交换机去和同步机一一锁相握手。当系统内的同步终端很多时，负载压力就会全部集中在同步机上，会导致同步机崩溃。2.3 SDN、DCNM、控制器4K网络中的交换机逻辑上也可以理解为两层：一层是交换机（转发层），一层是控制器（控制层）。在IT行业中SDN（Software Defined Network软件定义网络）的概念由来已久，承担的工作也非常复杂，它相当于整个网络的大脑，是一种针对网络设备的主动强控制。大的互联网巨头往往拥有几万台交换机和终端设备，他们希望通过一个集中式的控制器来把命令下发让这些设备可以按照设计的需求智能地运行，同时实时监控整个网络的巨大󱠀扑，实现网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。网络管理员可以方便地定系统网络︱System Network义基于网络流的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通讯的安全控制。广电行业厂商也针对4K系统控制和交换机推出S-DN，但实际上只是做了IT行业SDN很小的一部分功能（通常是将OpenFlow技术部分修改为己用），其实理解为对边缘设备的控制器更准确些（在控制层面做得工作多）。4K制作系统中并没有那么巨量的设备，因此广电SDN主要承担与视音频信号层面的控制功能多些，IT交换机层面的技术管理则少些。例如：视频流发送端、接收端对交换机的接口地址定义，视频信号流的面板控制、监看控制，设备上、下线提示以及4K制作系统IP网络󱠀扑图表的生成和链路的路由监控等（图3红框）。有的交换机厂商在4K系统中会针对交换机层面提供DCNM这样的弱控制软件，DCNM只接收交换机吐出的信息状态并通过列表、图表等客观、详细的呈现IP系统设备和数据流的实时状态，但它不参与到交换机对数据的计算当中去。之所以用弱控软件是因为交换机作为IT行业几十年发展的产物已经非常智能化了，其本身就相当于一台PC，根据交换机中的路由转发表来自动分配转发各种流数据，包括组播信息的加入、退出、丢弃等请求。弱控软件将控制权力和计算下放到交换机中由它自己来完成，这样当控制器因各种原因下线时，交换机不受影响仍可以正常工作。此外DCNM还可以为交换机设置安全策略，规定哪些设备可以作为流发送端，发多大带宽的数据，哪些设备不允许发流等。一般情况下广电厂商推出的所谓自己修改的SDN控制软件中兼具上述二者的功能，但在应用上仍然以对设备的控制管理为主。2.4 组播、二、三层组播4K制作系统中设备发送数据流和接收流都是通过交换机按IP组播（Multicast）来实现的。流发送端比如CCU）将信号发给交换机（仅发一次信息），交换机为其建立一个分配了源组播地址的组播组并等待接收请求。当流接收端通过IGMP网络群组管理协议发出JOIN请求，交换机收到请求后就给接收端复制一份数据。多个接收端发出多个请求交换机就复制多份，影视制作67

（系统网络︱System Network不发请求就不复制。这种流接收端通过IGMP协议实现加入和离开流发送端相对应的组播组实现了源的选择，也解决了传输带宽的问题。如果是单播的话，那只要有多个接收端需要数据就都要由发送端多次发送来一一满足，这样发送端负担太大，带宽也不够用。像4K视频这样的大数据流在接入带宽一定的前提下，只能通过组播技术实现源与目的间的通信。无论是二层还是三层组播都是一个逻辑概念，来自发送一个源注册消息。接收端先发请求上去，交换机查询核对IGMP报文信息后查到对应源位置再以最短路。径转发源数据，这就是源树的概念（图4）2.6 ECMP等值多路径路由协议、Non-Blocking Multicast非阻塞的组播在4K制作网络中同样会出现同一设备端的组播流通过多条不同链路到达同一目的地址的网络环境。比如于OSI七层模型。第一层是物理层，顺序往上是数据CCU链路层、网络层……二层网络是先通物理层再通MAC脊交换机之间的数据传输等层，设备接入网络后寻到硬件MAC地址就能互通了。组播流以平均地利用多条链路传输三层网络互通就需要在上面的网络层设好IP逻辑地址繁忙有的闲置的状态实现。同链路的负载分担二层组播就是交换机收到流发送端的数据后，在本条数。网内在数链层将数据全都发送出去，即使没有接收者也配平，会出现数据泛宏的情况。另外多台设备在一个VLAN者55中互联形成环路，通信存在互相影响的情况。即便通过数却不管每条流的带宽开启生成树计算关闭端口来避免二层网络环路（端口关无法平衡利用闭的选择是通过一整套公式计算来调整），也会因计算Blocking 占用交换机资源导致信号通讯延迟或中断。二层组播的了带宽参量错误域遍及整个网络，这对广电4K实时制作系统来说等于交换结构的转发能力安全性很差。发生阻塞三层组播更加安全也更适用于广电4K系统的制作宽值，生产，所有设备接口都有不同的IP地址，分布在不同换机会给链路的网段，在有路由协议的情况下彼此才会相通。源数据送组播流时就从剩下三条链路里选择分配条目和带宽流送到交换机后等待，交换机通过思考判断根据接收者当占用满的请求再来转发数据。由于IP地址的设置，三层组播无组播流发送时链路的带宽会释放回的错误域在接口处被完全隔离，网络带宽只按需分配，一个多路径条数和带宽负载分担的目的组播流量的转发也更具确定性。网络的制作生产安全性是很重要的2.5 共享树、源树、IGMPv33. 4三层组播中的共享树是在多演播室组成的大集群无压缩标准下的现状网络中，多台交换机互联需要跨演播室调度信号收发时，交换机收到流接收端发送的加入请求后可能不知道3.1 源端的具体位置，因此所有源和接收端的请求都先发到截止到网络中的一个汇聚点RP上（一台指定的交换机上），ST-由汇聚点告知设备位置信息并设计路径。不过取决于设传输可能还将继续存在于制作系统的前备终端的IGMPv3协议已经在请求报文中加入了标注内部已经都在考虑源位置信息的字段（指定组播源的组播），源会向RPST-4K信号，或者多台叶-。那么交换机如何分配这些，不会出现有的链路，应用ECMP协议可以计算出不，尽量平均的往这些链路上发送组播不过受限于算法的原因，这种负载分担通常无法比如一条链路传52条流，另一条传4，或45等。另外如果ECMP只计算组播流的条，那即使条数配平，链路的带宽，一样会被信号阻塞使传输中断。Non-Multicast非阻塞的组播简单的说就是加入，让交换机中全部交换端口的总带宽低于或，使组播流进入交换机时不会。比如交换机为4条链路都设计了100G带链路1传输了几条组播流占用了10G带宽，交1标识出剩余90G和组播条目数，再发。100G时交换机会阻止组播流进入交换结构，100G，这样达到。这点对于4K。2110 K无压缩IP流的选择2019年1月底，4K-IP制作系统已经向无压缩标准发展看齐了，4K信号的浅压缩、后端，但系统4K无压缩的IP传输方式了。目前无压缩标准下的4K视频IP流映射有两种方使用两条链路传输一组和K-IP制作系统在SMPTE-42110211068影视制作

系统网络︱System Network 图4 三层组播、源树、共享树、汇聚点

案，一种方案是在仅支持10G网络接口的视频设备上用2根10G以太网光纤将4个3G流两两单向传输作为一组4K的方式，但这绝不是标准的ST-2110。目前已经可以做到在支持25G SFP+接口的设备上直接传输原生4K的12G单流了，ST-2110无压缩传输开始实现。从4K-IP化规范以及发展的角度来说，方案一的4个3G流方式只是过渡阶段，未来一定会升级，最终方案将是4K原生12G单流传输。需要注意的一点是在用25G IP接口传输12G单流时，交换机、对端制作设备、连接双方的光纤模块都要支持FEC前向纠错以修正长距离传输造成的数据错误。，甚至不排除从4个3G流中提取1个3G变换处理）流变换后用于HD HDR监视器的监看：在最终的12G单流方案中可能会采用三种方式实现监看：一个是生成代理流的方式也就是信号源在原生输出12G流的同时也生成3G和1.5G流，经过网关卡将IP信号转成监视器所需的SDI接口信号；另一个是通过切换台的下变换通道、网关卡、下变换卡将输入的IP流下变换成HD信号接入监看；再一个就是利用IP画面分割器100G的带宽接口先收入4K流信号，再用图像处理引擎下变换成各类高清信号，或交回交换机供IP系统再分配监看或直接输出给大屏监看。3.2 监看方式的选择目前的4K或者高清监视器还不支持IP接口，由于各种原因在无压缩4K-IP的制作系统内仍会存在4K HDR和HD SDR混合监看的情况，在上述方案一中4个3G流的4K信号可以通过网关卡转成4×3G-SDI接入4K HDR监视器中，或者通过网关卡或下变换卡下变换成HD SDR接入高清监视器（色域也会一同下4. 结语不仅是镜头、监视器、核心交换机，在4K-IP制作域内无论制作设备还是系统网络都体现出4K新技术的飞速发展和应用。未来演播室4K制作系统将朝着全面IP化、智能化、网络媒体融合的方向发展，有了新技术作依托，美好的愿景终会实现。影视制作69