4k 超高清电视节目制播系统建设与应用

一、4k 超高清电视节目制播系统的关键技术

1.14k 视频编码与解码技术

伴随着科技发展，4k 视频的分辨率可达 3840*2160，是传统 1080P 高清视频的四倍多，这就要求编码技术须具备压缩数据的能力，并且图像的质量也需要保持。如今 4k 视频的主要编码标准是 H.265/HEVC 编码，该标准相较于上一代的编码技术 H.264/AVC，能够在同等视频清晰度的情况下，减少 50% 左右的数据传输，极大地提升了传输的效率以及存储空间。像一部两小时时长的 4k电影，如果是采用H.265 进行压缩后的文件大小在20GB 左右，而若是采用H.264压缩则会达到40GB 以上。

1.24k 信号传输与同步技术研究

4k 分辨率出现之后，数据量明显增多，这就要求传输系统有着更大的带宽和更少的延迟。拿一个 4k 视频流来说，它大概要 12Gbps 的带宽，这可是远远超出传统高清视频的带宽需求的，所以采用像 HEVC（高效视频编码）这样的先进压缩技术变得非常关键，它可以保证图像品质的同时大幅缩减数据传输的需求。同步技术也不可忽视，它保证视频与音频信号在各种设备和平台之间实现同步，在 4K 超高清电视节目制作里，哪怕有一点点同步差错都会极大影响观众的观看感受，比如音频延迟哪怕只有几毫秒，也会让观众感觉很不舒服，所以要采用精确的时钟同步协议，比如 PTP 和同步以太网技术，这样才能维持 4K内容的高质量播放。在实际运用当中，有些广播机构已经开始使用 IP 网络传输4k 信号，它既提高了传输效率，又削减了成本，BBC 在2016 年里约奥运期间，就通过IP 网络把4k 信号顺利传了出去。

二、4k 超高清电视节目的内容创新与应用

2.14K 技术在各类节目中的应用案例

4k 超高清电视节目制播系统搭建完毕之后，内容方面的更新与技术运用就变成推动行业发展的重要环节，在体育赛事转播当中，4k 技术投入实际使用以后，给观众带来了之前未曾体验过的视觉享受感受。在 2018 年的世界杯足球赛事期间，部分场次的比赛采取了 4k 超清转播的形式，可以很清晰地看到球员的表情还有他们的球衣号码以及一些细节部分，甚至能清楚地看到场边广告牌上的广告信息，观众看比赛的感受得到了改善，而且体育内容的推广及商业价值得到提高效果出现。在纪录片方面，4k 技术的应用也给内容创作者带来了更大的发挥空间，BBC 的《蓝色星球Ⅱ》就用 4k 摄像机捕捉到了海洋生物和自然风光的细节，给观众展现了一个更加真实生动的自然世界，4k 技术的高分辨率和宽色域特性让画面中的细节更加丰富，色彩更加鲜艳，使观众的沉浸感更强。娱乐节目里头，4k 技术也显现出它独特的优点，就拿音乐节目来说，4k技术能捕捉到舞台上每个细节的动作与表情，观众即便在家也能感受到现场的气氛。《美国偶像》这类选秀节目里，4k 技术的应用让评委和参赛者的一举一动都看得清清楚楚，给观众带来更为真切，细腻的观赏感受。

2.24k 超高清内容创新与观众体验优化

4K 技术的高分辨率、宽色域特点给观众带来了从未有过的视觉感受，这使得画面细节更为清晰，色彩也更为鲜明，根据市场研究机构所公布的数据。在 2020 年的时候，全世界范围内的电视当中 4K 的普及率已达到 30% 以上，估计到 2025 年这个数据将会增长到 50% 以上这样一种势头已经出现，这种情形不只是带动了硬件装备的更新换代进程，并且也催促着内容创作者针对节目的制作加以革新。拿 BBC 推出的《地球脉动》这部纪录片来讲，它使用 4k 技术，把那些难以被人们察觉的自然细节给拍摄下来，像是动物的毛发和植物的纹理之类的，从而让观众在观看的时候有着更深刻的投入感以及受教育意义，而且4k 超高清内容的革新表现在虚拟现实 VR 和增强现实 AR 技术的联合应用方面，凭借这些技术，观众能够感受到更具有互动性并且身临其境的节目内容。

三、4k 超高清电视节目制播系统的挑战与对策

3.14K 节目制播中的技术挑战

4k 超高清电视节目制播系统创建进程中，技术上的难点不能轻视，4k 视频分辨率达 3840×2160 像素，比传统高清（ 1920×1080 像素）高出 4 倍，于是产生的数据非常多，就给编码和解码带来难度。像 H.265/HEVC 这样的编码标准可以很好地压缩数据，不过也使得运算变得更加繁杂，进而硬件设备要求随之提升。实际上一个 4k 视频流传送时的比特率或许能达到 20-40Mbps，这就给传输网络的带宽和稳定性提出了非常大的挑战。4k 信号传输及同步问题，由于 4k 视频的体积太大，传统的方式如 SDI（串行数字接口）不能满足对 4k 视频的实时传输的要求，这就要求采用更为高效的数据传输方式如 IP 网络传输，但网络环境的异构性和不可预见性可能导致信号传输延迟和同步的问题，从而影响节目的流畅程度和节目质量。如多个 4k 视频流在网络上传输时要保证能够精确同步，否则会出现在不同的视频中画面不同步的问题，影响观众观感。另外就是存储以及后期制作，4K 节目制播在存储方面也面临着挑战，4K 视频的高分辨率、高帧率使得存储系统必须具备更快的读写速度以及更大的存储容量。

3.24K 节目制播挑战的应对策略与建议

在创建 4k 超高清电视节目制播系统时，技术上的难题是必然存在的，4k视频的编码和解码需要大量的计算资源，这就要求制播系统具有很强的处理能力。如 HEVC（高效视频编码），这种标准能够有效地压缩 4k 视频数据，但是它的编码过程对于处理器的要求非常高，按照相关研究，HEVC 编码的 4k 视频如果在实时编码的时候，对于 CPU 的负担可以达到平常 1080p 视频编码的几倍之多，所以最好选用最新的多核处理器以及专门的硬件加速器来解决这个问题，保证编码的质量和效率。其次是 4K 信号的传输同步技术。4K 视频的数据量大，传统传输方式很难做到传输的及时性与稳定性。不压缩的 4K 视频流，大约需要的数据速率是 12Gbps，这就对传输网络提出了非常高的要求。所以应采用IP 网络传输技术，采用 SMPTEST2110 网络标准，该网络标准可满足对无压缩的4K 视频的网络传输并且能够达到极低的延时、高同步性的需求。同时采用 PTP这样的同步技术来实现不同的设备之间的同步。在内容创新上，4k 技术给电视节目带来从未有过的视觉享受，像体育赛事直播时，4k 技术可以做到画面更清楚，观看更顺畅，让观众的沉浸感更强。但内容更新也存在难点，怎样才能在维持高清晰度的同时给予观众很多种类型的节目呢，我建议制播机构和内容创作者密切配合，开发更多适合 4k 展现的节目类型，比如自然纪录片、艺术表演之类，而且借助数据分析模型来预估观众喜好，制作个性化的节目。最后面对 4K 节目制播的挑战策略及建议还有就是不断地培训和技术人才培养，对技术人员进行定期培训，保证他们掌握最新的4K 制播技术，才能保证节目的质量、促进行业发展。

参考文献：

[1] 姜涛 . 50+4K/8K 超高清制播示范平台演播室 SDN 系统及应用 [J]. 卫星电视与宽带多媒体 ，2024（23）：37-39.

[2] 魏佳 .4K 超高清节目制播质量的控制策略 [J].2024（1）：36-38.