原创姜文波蔺飞中国传媒科技
8K超高清电视
在北京冬奥会的应用实践
摘要：按照“科技冬奥8K看奥运”的目标要求，中央广播电视总台依托超高清视音频制播呈现国家重点实验室，围绕8K超高清电视制作、播出、传输和呈现全链路开展科技创新，在北京冬奥会开幕前完成全新的8K超高清电视技术体系建设，于年1月24日正式开播CCTV-8K频道，在全球首次实现了CCTV-8K频道进网入户和百城千屏8K公共大屏展播。本文详细分析8K超高清电视在北京冬奥会的应用实践。
关键词：8K；超高清；电视技术；中央广播电视总台
DOI:10./j.cnki.11-/n..04.
本文著录格式：姜文波，蔺飞.8K超高清电视在北京冬奥会的应用实践[J].中国传媒科技，（04）：15-20.
作者简介：姜文波（-），男，江西，正高级工程师，中央广播电视总台，研究方向：广播电视技术；蔺飞（-），男，河北，高级工程师，中央广播电视总台研究方向：广播电视技术。
作者单位：
中央广播电视总台
导语
中央广播电视总台（下简称总台）用最先进的8K超高清制作技术、最新颖的8K超高清电视传播手段，完美呈现了北京冬奥会无与伦比的精彩，充分诠释更高、更快、更强、更团结的奥林匹克创新精神，为世界奉献了一届精彩、非凡、卓越的冬奥会。8K超高清电视直播和重播覆盖北京冬奥会开闭幕式及重点赛事，如此大规模8K超高清电视技术应用在全球范围内也属首次，开启了重大体育赛事8K超高清电视转播和传播的先河，得到国际奥委会和奥林匹克广播服务公司（OBS）的高度赞誉，OBS首席执行官伊阿尼斯指出：“在总台的支持下，我们也使用了8K技术，这是未来的转播方式。”
01
总台8K超高清电视公共信号制作
总台与OBS深入合作，采用世界最高8K技术标准，使用新建的A级4K/8K超高清转播车（A6）承担北京冬奥会开/闭幕式8K公共信号制作任务；使用2套大型4K/8K超高清箱载式EFP系统，分别承担速度滑冰和自由式滑雪/单板滑雪大跳台8K公共信号制作任务。
北京冬奥会8K公共信号制作，打破了国外团队冬奥会冰雪项目转播长期的技术垄断，是参与国际传媒市场竞争与合作的重要实践，同时也体现了总台全球领先的超高清技术能力，成为世界8K超高清产业发展的里程碑。
1.1开幕式与闭幕式
年2月4日晚8时，举世瞩目的北京第二十四届冬季奥林匹克运动会开幕式在国家体育场隆重举行。2月20日北京冬奥会隆重落幕，让世界再一次见证了“中国式浪漫”。
受OBS邀请，总台新建成的UHDA6超高清转播车承担开闭幕式8K公共信号制作任务，向全世界各媒体进行8K信号转播。UHD-A6超高清转播车采用全IP架构，使用专业领域国际最新的SMPTE-20/30标准作为视音频信号的IP传输协议，转播车调音台采用主、备调音台设计，可实现最高标准的8KHDR和5.1.4全景声制作。
开闭幕式现场参与8K节目制作共16路信号，包括7个有线8K超高清讯道摄像机，其中国家体育场内6个机位、TVS（外景演播室）楼顶1个景观机位；接入由OBS提供的6路4K信号、2路4K插播信号及1路高清字幕信号，统一变换为8K参与节目制作。转播车主备链路均为IP流信号，分别是主路切换台制作信号和备路IP网关切换信号通过主备光纤无压缩传送给主控机房，开/闭幕式8K公共信号转播系统流程见图1。
现场的8K摄像机中，首次使用了总台联合国内厂家研制的8K超高清便携ENG摄像机作为外景机位（见图2）。该摄像机采用35mm全画幅8KCMOS图像传感器，并支持现有广电标准的BT广色域与HLG曲线，采用G基带输出，完美适配8K转播系统。作为鸟巢外景机位，国产8K摄像机体积小、架设方便，用于景观和焰火画面的拍摄。
为确保8K制作的高质量，总台技术团队统一于1月21日进驻闭环管理，严格按照北京冬奥会总体技术方案要求，全面落实安全播出和网络安全要求，全方位开展转播系统设备架设及技术调试工作，协同各工种，积极配合OBS，有序开展转播系统加电测试、8K转播系统主备路视/音频信号传输测试、OBS技术运行中心（TOC）预定信号路由及内容确认、字幕信号对接、摄像机参数匹配调整等一系列技术测试工作。先后完成1月27日、1月30日、2月2日三次开幕式全要素演练。
1.2“冰丝带”速度滑冰
速度滑冰的比赛场地位于国家速滑馆“冰丝带”，速度滑冰项目共设10个小项产生14块金牌，是北京冬奥会产生金牌数量最多的单个场馆。大道速滑8K转播系统1月28日开始设备入场搭建。系统从2月5日至19日共运行15天，转播大道速滑的全部赛事。
速度滑冰8K转播系统是在与OBS和北京奥组委协调下，最后一刻才确定下转播计划和转播方案。由于时间紧迫，系统的机房只能在原清废中心搭建。经过总台团队的协调努力，速度滑冰8K转播系统于2月5日，在所有8K赛事转播中最先成功进行了8K直播。
总台新建的一套8K超高清EFP系统完成此次公共信号制作任务。同样基于8KIP化架构实现8KHDR和5.1.4全景声制作。
速度滑冰8K公共信号制作现场共使用6台8K讯道摄像机，其中5号机和6号机采用国产8K超高清广播级EFP摄像机（见图4）。该摄像机由总台联合国内厂家自主研制，全部采用国产元器件，其技术指标与技术参数符合8K国际标准。比赛现场国产8K摄像机和进口索尼8K摄像机搭配使用进行节目制作，完美地完成了8K直播任务，而且其呈现的细节丰富、美轮美奂的影像效果，得到了OBS、NHK等国际电视同行的赞扬。
除常规摄像机外，“猎豹”高速轨道摄像机、锥桶摄像机、“鱼竿”摄像机、飞猫等特种拍摄设备也接入制作系统，同时OBS提供的HD字幕包装信号、4K信号、系统内部的8KIP信号、8K基带信号等众多格式的信号需要完成上变换、2SI-SQD转换、基带-IP转换等一系列归一化处理，并精心调校各类型信号的色彩表现和亮度控制，使之呈现出统一的高质量画面。
速度滑冰8K转播系统在15天的转播中，共直播了25场精彩赛事，为观众们提供了超高分辨、广色域、内容精彩靓丽的赛事观赏体验。
1.3自由式滑雪/单板滑雪大跳台
总台派出8K超高清箱载转播系统（UHD-EFP4）作为滑雪大跳台项目8K公共信号制作系统，转播地点设置在石景山首钢大跳台。
北京冬奥会期间，自由式滑雪大跳台/单板滑雪大跳台赛事在北京首钢滑雪大跳台举行。共13路信号参与节目制作，包括有线8K超高清讯道摄像机6路，8K慢动作插播信号2路，AI时间切片系统1路，接入OBS提供的4K外来信号4路，均通过12G光传经过转换网关转换成IP流再上变换为8K信号参与制作。
由于摄像机及拾音话筒分布于整个赛场，气候极寒，设备搭建及技术保障难度大。为确保极寒环境下转播设备的正常工作，技术团队为设备定制了防寒服。确保摄像机和镜头在低温下正常使用。
大跳台8K系统首次应用总台研制的国产8K超高清IP净切换交换机，作为滑雪跳台8K转播系统的应急切换系统。该系统是国际上首个基于交换机的8K超高清视频净切换系统，支持多种格式视频净切换和超高清4K/8K多分辨率，可实现无缝转换，切换端到端时延一帧以内，输出图像不夹帧、不黑场、不卡顿。
同时为给观众呈现更准确的大跳台技术分析画面，总台自主研发了超高清AI时间切片系统，实时精准还原滑雪跳台运动员技术动作（见图6）。该系统基于4K/8K超高分辨率视频信号，使用人工智能深度学习算法，结合视觉暂留技术、图形学、图像学及自动化控制技术构成AI图像处理系统，实时将滑雪运动员技术动作从视频背景中快速分离，通过数据分析和二次包装，实现逐帧呈现和提炼放大的“时间切片”数据可视化呈现效果。只需15秒就能完成技术动作剥离运算和时间切片包装渲染，充分满足电视直播实时性需求。
02
总台8K超高清信号交换
和节目包装编辑制作
总台复兴路办公区建设了全IP电视信号交换调度系统，在首都体育馆搭建了8K包装转播系统，在复兴路办公区建设8K包装播出演播室，在光华路办公区适配8K编辑制作，全流程全体系支撑8K超高清信号交换和节目制作。总台8K冬奥直播超小时，节目总时长超过小时。
2.1冬奥8KIP信号调度交换系统
总台以华为NE-X8系列路由器为核心交换设备，自主研发了全IP电视信号交换调度系统，并在年1月建成投产，有力提升了总台在外场传输、信号接入及信号制作等方面的高效、高质、便捷的交互能力。该系统符合SMPTE、-7的标准，遵循总台8K超高清电视节目制播相关规范，全面实现了包括鸟巢开/闭幕式、国家速滑馆、首钢大跳台、首体花滑馆等4个赛场8K信号自冬奥会总台IBC（国际广播中心）到制作系统、播出系统全链路无压缩的高带宽IP化传输，完成总台8K播出信号与光华路办公区、北京饭店非持权转播商新闻中心、冬奥会IBC区域的信号传输工作。北京冬奥会期间，该系统运行平稳，圆满完成冬奥会8K信号传输与分发任务。
该系统采用全IP化传输技术，打通传统制播系统间传输壁垒，形成全台、跨域的全网化制播信号调度和分发体系。在信号调度交换网络内，通过物理切片的方法，实现超高清、高清视频、音频、PTP同步、控制信号的混合传输，实现全媒体一网化全台信号调度分发。同时引入SDN的系统架构，使用自主研发基于国产NP芯片的媒体制播网IP路由交换设备和自主开发的SDN控管监软件系统实现跨域、跨系统的IP级联。系统采用精确的调度流表控制、无阻塞调度、组播NAT（组播地址转换）、资源占用动态预测技术、可定制的细分类运行策略技术，实现了全系统、全流程信号的可管、可控、可监。
这是世界首套8K/4K/HD全IP电视信号交换及调度系统，也是中央电视台自成立以来使用的首套国产电视信号交换及调度系统，填补了我国在超高清电视制播关键装备的空白，标志着我国在世界超高清电视装备制造取得重大突破。
2.2花样滑冰及短道速滑包装转播系统
短道速滑/花样滑冰项目在首都体育馆举办。8K公共信号由NHK（日本放送协会）承担制作，总台技术团队派出一辆8K转播车（由北京超高清协同中心提供）完成8K的节目包装和PGM信号制作。此种方式是在NHK制作的8K公共信号的基础上进行字幕和慢动作精彩回放等操作来完成节目包装并制作最终PGM信号，用8K等新技术载体尽力呈现我国运动健儿的精彩表现。
现场设置2台8K讯道摄像机，配置2个8K广角镜头；系统接收2路外来信号，来自TOC的8KdirtyPGM（主备路）；再配合国产8K慢动作回放系统，做到全流程8K制作；音频部分采用收取NHK8KPGM的22.2三维声下混到5.1.4全景声来进行制作。
除现场2台8K讯道摄像机外，系统内还接入了2路由TOC提供的8KdirtyPGM信号。为了不损失8K信号质量，使用8K光信号传输和光电转换设备，部署在NHKEFP机房，将4x12G基带信号转换成光信号，传输至TOC，最后传输到转播车光端收。由于NHK提供的信号为59.94p，在50p系统中运动镜头会出现拖影现象，所以特别采用具备运动补偿功能的帧率转换设备，有效降低最终节目信号中运动镜头的卡顿延迟，提高画面质量。慢动作回放也采用国产厂商的原生8K慢动作回放设备。在比赛当中出色地完成了实时慢动作和赛后集锦的播放任务。
由于首都体育馆光缆资源有限，采用JPEGXS压缩编码格式对8K信号进行浅压缩处理，减小视频流带宽占用。视频信号编码压缩成XS流，音频信号不压缩重新封装成SMPTE-30的音频IP流，主备IP流经光纤输出到前端主控的路由器和信号聚合设备，经TOC传送回总台电视总控8K/4K/HDIP信号交换及调度系统，为CCTV-8K频道包装的播出演播室提供信号。
2.3冬奥8K编辑制作系统
为完成8K冬奥各类型节目制作，总台将网络制播系统的采集、存储、编辑、合成、传输、归档等经典流程与8K进行适配，同时与节目生产系统、内审系统、UQC系统、媒资系统、播出系统等上下游系统逐一进行适配和调试，将8K节目制作流程常规化，为本次冬奥会的8K节目制作做好了充足的技术准备。
冬奥8K编辑制作全流程采用了JPEGXS编码、2Gbps码率、MXF封装、16轨音频，相较于4XAVC的编码格式而言，在同等观看质量下具有延迟低、计算复杂度低等优点，同时JPEGXS对一段视频只有一个物理文件，可以降低素材文件存储、传输和管理的复杂度，提高收录及编辑的稳定性和可靠性。
超高清编辑制作系统的8K素材来源主要有两个方面，一是，在总台复兴路办公区的8K频道包装播出演播室部署了2通道的8K收录系统，通过与光华路办公区之间的专线直接回传至核心存储系统；二是，前方IBC移动外场系统，将前方5路8K收录素材通过文件同步服务器经前后方40G专线摆渡至光华路办公区存储池。在多路收录信号的支持下，保证了比赛内容的完整性，节目编辑人员在素材挑选上也有了更多的选择。
本次冬奥会相关的8K制作任务共82条，分配在《顶级赛事》和《8K超高清万象》两个8K栏目之中，其中《顶级赛事》分配62个制作任务，《8K超高清万象》栏目分配20个任务，包括9个中国队获得金牌的颁奖仪式。北京冬奥会期间，根据每天的赛事内容，对应相应的节目代码进行制作。使用收录的8K比赛画面和现场声音，配合4K的解说声音，完成赛事重播节目制作。颁奖仪式的制作，使用ENG拍摄的8K单机素材，通过前场系统将素材传入后场存储池中进行上载和编辑。
北京冬奥会前场回传至总台超高清制作系统收录的8K素材约小时，冬奥直播和录播节目总时长超过小时。
03
8K超高清电视创新传播分发体系
年1月26日，总台正式开播了CCTV-8K超高清电视频道，CCTV-8K信号通过中国广播电视干线网接入北京歌华有线电视网和广东有线电视网，面向家庭用户提供8K超高清电视服务；与此同时，为让更多的人看到8K冬奥盛况，总台启动“百城千屏”推广活动，在全国多块8K大屏同步播出CCTV-8K信号，广大人民群众能真正看到纤毫毕现、绚丽多彩的北京冬奥会。
3.18K超高清电视频道播出
CCTV-8K电视频道作为全球首个通过网络播出的8K超高清综合性频道，目前每天播出16个小时。该频道播出的主要内容包括纪录片、体育、文艺等类型的超高清电视节目，同时承担国内外重大活动、赛事转播的超高清信号播出。该频道在北京冬奥会期间总播出时长小时，其中，北京冬奥会开闭幕式、短道速滑、花样滑冰、速度滑冰、自由式滑雪大跳台、单板滑雪大跳台等赛事直播95小时，精编赛事、颁奖典礼等冬奥节目录播小时。
新建的8K超高清电视播出系统采用全IP架构，具备1个主频道、1个个性化频道（年年底将扩建到10个性化频道）和1个虚拟频道的播出能力。该系统的建成推动了8K超高清技术标准的落地，攻克了8K高帧精度控制、IP信号调度监管等难点问题，实现了核心设备和系统软件国产化。
8K超高清节目播出平台支持8K超高清文件录播和8K超高清信号直播，具备多通道并行的节目播出能力，可支持多地的个性化播出。8K超高清节目播出平台包括业务应用服务系统、IT支撑系统和视音频支撑系统。
播出业务应用服务系统包括播出编排、播出整备、播出控制等应用程序，可依照播出单据实现8K超高清节目文件的自动化备播流程，实现对8K超高清播出视频服务器的文件解码播出、信号切换与图文包装叠加等功能的自动化控制，完成对视音频信号系统的调度控制。
播出IT基础支撑平台主要由存储、服务器、工作站、虚拟化平台、安全设备、基础网络等模块组成。播出系统信息安全按照相关等保要求进行建设，在边界安全、网络安全、主机安全、应用安全、数据安全等方面实施管控，确保系统在安全可信的环境中稳定运行。
播出视音频支撑系统可实现外来信号归一化处理、播出文件解码播放、信号技术监看、系统集中监看等信号处理和监看能力；系统配置末级切换设备，可用于系统末级信号的应急切换；系统配置统一的精准时间基准。系统具备IP化播出能力，支持8K超高清电视实时信号的播出。
3.28K超高清电视IP集成分发系统
8K超高清电视IP集成分发平台面向公共8K大屏幕提供8K超高清电视节目的个性化发布及大屏端的解码终端管理。
该平台基于IP信号构建多级播出管控分发框架，平台全部基于国产自研软硬件实现，在中心端实现8K主频道信号和个性化频道信号的分发调度，在边缘端实现终端管理和数据采集。8K超高清电视IP集成分发平台可支持8KAVS3节目流的调度分发，实现8K超高清电视节目在各省个性化分发及大屏端解码播放，视频编码码率为Mbps。
节目流调度系统为IP化主备链路，可实现应急选切功能。节目流监听监看可对媒体调度矩阵的所有节目流信号进行码流分析及报警。节目流经调度后，通过运营商光缆专线进行传输分发。提供光缆专线传输服务的运营商负责该专线的日常运行维护，确保信号的全程安全传输。专业解码终端支持双路8KIP流接入。自动检测主路视频流中断时切换备路输出；自动检测主备路视频流同时中断时输出本机预存测试画面。
专业解码终端主要应用于连接室外及室内的8K大屏幕或8K电视机等显示设备。解码终端支持将本机的实时运行数据、安全认证信息、流监控数据、抽帧画面通过运营商专线回传综合管控系统。
综合管控系统完成与专业解码终端的数据交互以及系统的监控汇聚展示。通过将IP地址和专业解码终端MAC地址绑定，实现对专业解码终端的可控授权。系统具备抽帧比对功能，将回传抽帧图片和平台内输出信号的抽帧图片进行比对，保证播出内容的一致性。系统具备集中监看功能，依据平台策略和大数据分析，实现人机交互的智能化运维管理。
3.38KAVS3超高清电视编码系统
8K超高清节目AVS3编码压缩平台支持多路8K超高清节目的编码压缩，该系统包含多个独立的AVS3编码通道。编码压缩后输出TS/IP节目流经8K超高清电视IP集成发布平台调度后送下游用户。该编码平台采用我国自主技术、国内独立研发、面向8K超高清应用的全新一代AVS3视频编码标准，遵循《信息技术智能媒体编码第2部分：视频》（T/AI.2—）的技术要求；音频采用5.1环绕声编码。这一创新应用也将全面带动我国自主技术AVS3编码标准的产业化发展。
3.4CCTV-8K进网入户和“百城千屏”推广应用
CCTV-8K频道通过中国有线电视干线网送至全国各地有线电视网，并接入北京歌华和广东有线电视网，为用户提供8K超高清电视频道服务，CCTV-8K在总台前端编码、网络运营商传输和用户终端解码均采用AVS3编解码标准，首次实现了我国自主视频编码标准端到端全链路传输。
为满足广大人民群众通过8K超高清电视看冬奥的要求，总台启动“百城千屏”超高清公共服务平台建设，将CCTV-8K超高清频道传送到北京、上海、广州、深圳、天津等全国30多个城市，以及冬奥高铁专列上的清河、延庆、太子城、崇礼4个车站多块超高清大屏，进行了冬奥赛事展播。8K超高清技术带来的细腻清晰的赛场精美画质，为广大人民群众奉献视觉上的极致感受。
针对在公共场所看大屏电视听不到伴音这个难题，总台研发了“百城千屏随身听”电视伴音传播系统，观众可通过下载“百城千屏随身听”小程序，通过手机收听到CCTV-8K超高清频道伴音。该系统通过手机定位信息确定大屏，手机收听到的伴音与大屏播放的8K超高清视频时延控制在ms，如果由于手机播放造成声画不同步，可通过小程序进行微调。“百城千屏随身听”业务场景见图15。
作为“技术+赛事”的创新，“百城千屏”推广应用是全球首次规模化应用8K技术进行开幕式直播和赛事转播，让“8K看冬奥”走近大众，“零距离”向公众展示8K冬奥精彩，开辟共享科技冬奥的新场景。
04
结语
通过年北京冬奥会的8K超高清应用与实践，中央广播电视总台依托超高清视音频制播呈现国家重点实验室，在超高清节目制作、信号交换、编码传输、用户服务全链路开展技术攻关取得突破，并成功地推进核心设备国产化，构建了国际领先的8K超高清电视制播平台。采用8K超高清电视频道进网入户和“百城千屏”超高清大屏推广落地相结合的方式，创新了8K超高清电视的传播服务体系，探索建立全新的超高清电视传播模式，引领世界超高清电视快速发展。
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