广东广播电视台4K超高清电视制播的实践和思考

24现代电视技术

2018.7

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范创奇 邢卫东 广东广播电视台

范创奇现任广东广播电视台总工程师。长期工作在广电制播技术和管理岗位，历任广东电视台总工程师，广东广播电视台副总工程师、总工程师，曾获中国电影电视技术学会全国杰出影视科技工作者奖，目前牵头广东广播电视台4K超高清电视制播体系的建设工作。

2017年4月，广东省政府印发了《关于开展新数字家

庭行动 推动4K电视网络应用与产业发展的实施方案》，

决定大力推动4K超高清产业发展，从宽带、显示终端、数

字家庭网络应用、4K节目制作生产等几个方面，带动全省

相关产业的发展，预计可实现产值6000亿元以上。由于发

展势头比较好，在今年的3月29日，工信部、广电总局、

广东省政府共同召开了4K产业发展大会，大力推进4K产

业发展。根据广东省委省政府的战略部署，广东广播电视

台于2017年4月启动了4K超高清电视制播规划和建设。

经过大半年的努力，取得了技术系统建设的阶段性成果，

具备了初步的4K超高清电视节目制作播出能力，于2017

年12月23日顺利启动4K超高清电视试验播出。本文介绍

广东广播电视台在4K超高清频道的规划、建设和播出中所

做的一些工作，以及这过程当中的一些思考。一 广东广播电视台4K超高清技术 系统建设情况

1. 技术规划 4K超高清播出频道在国内尚无案例，国家相关技术标

准当时也还未发布，广东广播电视台首先要完成的是相关的

技术储备和技术规划。从2017年4月份开始，广东台邀请

业内技术专家、核心厂商到台进行技术交流，还多批次组织

技术骨干外出考察，了解学习业内其他单位的4K超高清电

视技术系统，得到了总局规划院、广科院和业内同行的大力

支持以及宝贵的意见和指导建议。通过大量的交流和学习，

形成了一个基本的技术思路。5月份，台内各技术环节共同

反复讨论、论证，不断完善思路和方案；6月份，完成了《广

东广播电视台4K超高清频道制播系统技术方案》。

方案拟定4K超高清电视节目制播的基本参数为3840×2160分辨率、50P帧率、ITU-R BT.2020色域、10bit

色深，暂采用HLG转换曲线进行4K HDR节目播出。提出4K超高清电视/HD电视兼容制作；HDR/ SDR 兼容制作；

制作域兼容多种帧率；根据节目形态将后期制作分常规节

目制作和高端制作两种工作流程模式；在节目记录/交换/

归档与送播上推动网络化/文件化的节目生产流程；声音制

播上具备立体声、环绕声和3D音频制播能力；通过IPTV

和有线电视网络进行节目分发和传输覆盖等技术策略。

2. 产品测试和技术推进

从2017年6月份开始，广东广播电视台技术部门开始

与制作、播出设备厂家进行关于设备设计的研讨。7 至9月

份，组织测试了业内主要厂商的4K超高清设备和技术解决

方案，范围涵盖播控设备、摄像机、演播室设备、IP设备、

监视器、后期制作设备等。这些测试为探索建立电视制作

到播出的完整技术链条提供了重要依据，结合相关测试推

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视Focus25Advanced Television Engineering2018/72018年北京国际电视技术研讨会（ITTC2018）

动了设备厂家的产品研发工作，重点是SDR/HDR的转换以

及多层实时的非线性编辑制作研发工作，在摄像机设计等

方面的改进建议也得到厂家的认同和良好反馈，相关工作

整体上促进了适于节目快速制播的4K超高清制作、播出、

测试、监看产品完整链条的形成。

3. 技术系统建设2017年10月份，广东广播电视台启动了第一期4K超

高清建设项目，目标是进行核心的、必要的系统建设和设

备购买。2018年将在第一期建设的基础上，继续完善并新

增建设项目。经过两期的渐进建设后，广东台将拥有成规

模的4K超高清 ENG摄像机、非编制作网络、素材存储与

管理系统、高端后期制作系统，以及配置4K HDR讯道的

演播室群、电视转播车以及总控与调度系统、频道播出系统、

信号传输分发系统等技术系统。

上述技术系统构成了相对完整的4K超高清制播技术体

系，如图1所示，涵盖了前期拍摄、收录、后期剪辑、素

材管理、调色、特效合成、备播和播出等生产流程，可为4K超高清纪录片、专题片和综艺节目的制作提供技术支撑，

可支持一个4K超高清频道的节目播出。

4. 4K超高清节目试验播出 2017年12月23日，广东广播电视台正式启动4K节

目试播。4K播出信号通过IPTV平台、省有线电视网络平

台向测试用户组进行分发，用户可通过已授权的专用机顶

盒进行解码观看。

二 4K超高清带来的技术变革和实现 难点

超高清技术理念上的变革带来制作工艺、制作模式的变

革，在4K超高清频道的建设过程中呈现出一系列实现难点。 1. 摄录与显示问题：宽色域上的高动态范围

除了分辨率的提升，宽色域（WCG）和高动态范围（HDR）

是呈现完美4K图像的两大要素。目前电视机市场已是平板

电视的天下，普通LED平板电视能够达到300nit的亮度（大

约是CRT的2倍，远远超过100nit的传统电视标定值），

动态范围可达3000:1，OLED平板电视能够达到400nit以

上的亮度，动态范围可达8000:1以上，随着LCD技术的发

展，制造1000nit亮度，动态范围达到或超过105:1的电视

屏也具备技术基础，而好的电视屏能覆盖Rec.2020色域的70~80%，平板电视所能够呈现的颜色和动态范围已经远远

超过过去的CRT。随着技术的发展，在更好的电视屏上呈

现接近自然的具有更丰富色彩和层次的内容，电视制播面

向宽色域上HDR的转型升级将成为必然的趋势。

不过，高动态和宽色域在技术发展与认知初期会造成

一定的困扰。

首先是转换曲线带来的问题。HDR力求能够呈现105:1

的动态范围，为了用10bit或12bit数据表示105个灰度层

次，HDR技术采用非线性转换为图像高亮部分分配了一定

的表达数据，从而获得更好的图像呈现效果。但不同的机

构、厂商推出了不同的转换曲线，其中以杜比的PQ曲线、NHK与BBC共同推出的HLG曲线使用最多，

两者针对的动态范围也有所不同。PQ定义了一

个10000nit亮度范围内的绝对亮度转换曲线，

通过静态或动态元数据来确保用户终端准确呈

现HDR或SDR视频。HLG则以1000nit为峰

值亮度基准，定义了一个相对亮度转换曲线，

目的是兼容适配不同能力的电视终端（制作端

制作超过1000nit的HDR视频时，需要修正转

换曲线）。此外，索尼、松下、阿莱和佳能等

公司也在摄像机端推出了不同的HDR曲线以满

足制作端的多样化需求。

这种多元化给电视节目制播带来了困扰，诸多技术参

数的设定不再是唯一的，例如针对不同转换曲线制作视频

需要选择相应的工作参数和显示参数，一旦设置不当，出

现不匹配，制作和显示结果就会出现问题。而对于一些转

换曲线标记不明确的视频，难以正确显示。此外，当对视

频进行不同曲线之间的转换时，需要审慎、恰当处理色彩、

灰度层次、动态范围和峰值亮度等的调整和匹配，避免造

成色彩和灰度层次损失。

其次是兼容和同播带来的问题。考虑到发展的阶段性

及现阶段的兼容制作需求，HDR/SDR的相互转换是目前4K超高清要解决的关键问题之一。在制播域，4K超高清

发展初期我们关注以下几个问题：4K HDR制作的节目如何1广东广播电视台的4K超高清制播技术体系26现代电视技术

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能在高清频道上高质量地同播或录制播出？当4K WCG & HDR制作的节目分发传输到SDR、窄色域的接收终端时，

如何评估受众的感受并更好地适配？此外，传统的Rec.709

色域上的SDR节目如何更好地转换为Rec.2020色域上的HDR节目并在终端更好地呈现，这也是需要努力探索致力

解决的问题。ITU的相关文件，在上述问题上提出了一些解决方案，

需要得到更好的计算能力支持。目前来看，高质量的实时HDR/SDR转换产品可望不断改善，从而满足HDR/SDR同

时现场制作以及终端显示的转换需求。

第三是图像表达本身的问题。HDR图像与SDR图

像相比，其表现力不仅在于亮度和对比度范围的扩大，

还在于图像灰度（电平）分布的差别。为呈现符合人眼

视觉以及逼近自然的图像效果，HDR图像为大部分亮部

区域尤其是高亮区域分配了相对较少的灰度级（或信号

电平）来表示，而为中暗部区域分配了较多的灰度级（或

信号电平）来表示。从表1可以看到，HDR中的参考白为203nit（1nit=1cd/m2），在HLG 1000nit系统中给予亮度在203nit以下的图像75%的信号电平（或灰度级）来表示。

当给予物体203nit以上亮度（超过亮度峰值的20.3%）表

示时，物体的灰度层次会迅速降低，这表明必须慎用高亮

度来表示物体。这和处理SDR图像的习惯有相当大的区别。

在摄制和调色过程中，不能正确理解和使用HDR的图像表

达方法会造成HDR图像质量的下降，并严重影响视觉感受。2. 基带系统构架问题：IP和SDI

基于IP协议的电视基带信号传输是讨论已久的技术，

但发展不如预期。主要原因是SDI的系统非常成熟、稳定，

系统性价比也高得多，更新换代的动力不足。4K超高清的到来为基带IP传输的发展带来了机遇。一

方面，SDI技术没有为12G基带体系做好充足准备，比如

传统4×3G技术带来系统设计的繁琐和实施困难，12G SDI

技术发展迟缓等，而与此同时，基于IP的技术（尽管首先

是基于视觉无损压缩）简洁、灵活地解决了超高清技术体

系的建立问题，尤其是提供了简洁、可靠的大规模信号传

输和调度方案。另一方面，传统

广电技术在发展中遇到了瓶颈，

基于IP的技术显现出比SDI技

术更为先进的属性，使得这一技

术在技术体系的更新换代中得到

了更多的重视。SMPTE（电影和

电视工程师协会）起草的SMPTE ST 2110 IP专业媒体标准，解决了

音视频基带领域IP系统的标准化

和互联互通问题，进一步推动了IP技术的应用。

在探讨4K超高清制播系统基带系统构架问题时，基于IP的技术是不可回避的问题，但需要关注几个重要问题：

第一，对于基于IP的新技术的学习和适应。广电工程

师和技术值守人员更习惯连接简单、即插即用和所见即所

得的SDI模式。IP化将带来不一样的定时标准（PTP），

相对复杂的连接管理（比如多层的网络管理，设备加入的

注册、授权，协议的对接和转换等），所见的（监看的）

未必是要得到的（输出）的路由特性，打破传统音视频系

统的时空边界，等等。理解、消化基于IP的技术有一个过程；

对于如何规划IP系统的边界、侦测IP路由上的故障、确保

安全播出，需要一个实践过程；熟悉相关应用并合理操作、

维护，也需要一个过程。

第二，对于更为复杂的售后服务体系的适应。相对于SDI，IP技术尽管解决方案更为简洁，但管理更为复杂，不

同层次的网络管理、虚拟化、软件定义网络等等，使得运

行维护更为复杂、专业，伴随着IP技术的应用，IT行业相

对“昂贵”的售后服务将不可避免地进入电视中心基带领域。

第三，IP化是起点不是终点。IP技术对于视音频基带

系统的改造尽管具有本质变化，但最初仍然仅仅是传输方

式和核心设备的替代，比如光纤替代同轴线，交换机替代

矩阵，基带处理设备（如切换台、周边处理设备）增加网2Rec.2020色域上的HDR显示空间和不同的图像转换曲线

表1 ITU-R BT.2408 建议的PQ和HLG制作中的标称信号电平

反射物体PQ和HLG 1000标称亮度（cd/m2）标称信号电平PQ（%）HLG（%）18%灰度卡26383883%灰度图162567190%灰度图1795773HDR 100%参考白（也称漫射白和图形白）2035875