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基于广电HFC网络的8K超高清电视传输方案研究

2020-01-18 16:03:51| 发布者: admin| 查看: 1122

【摘 要】


《超高清视频产业发展行动计划(2019-2022年)》提出了开展北京冬奥会赛事节目8K制播试验的目标。本文研究了适合广电网络特点,充分利用现有广电HFC网络,可大规模商用的8K超高清电视传输方案。该方案在现有网络设备无需改动的情况下,可实现8K超高清视频传输,对国内广电同行开展8K超高清传输具有借鉴意义。


【关键词】

8K,HFC,传输



0  引言 

为推动超高清视频产业快速健康发展,工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台联合发布了《超高清视频产业发展行动计划(2019-2022年)》,行动计划明确提出8K关键技术产品研发和产业化要取得突破。2022年北京冬奥会是我国举办的第一届冬奥会,利用冬奥会这个重大赛事,使用最前沿技术开展8K超高清研究试验将是一个很好的契机,《超高清视频产业发展行动计划(2019-2022年)》提出了开展北京冬奥会赛事节目8K制播试验的目标[1]。因此,研究适合广电网络特点,可大规模商用的8K超高清视频传输解决方案势在必行。 


江苏有线苏州分公司与上海海思技术有限公司成立了“智能融合终端实验室”,实验室目标是加快面向广电网络的超高清视频(4K/8K)、高质量音频、人工智能机顶盒、ChinaDRM、5G家庭覆盖等方向的技术研究与应用推广,其中研发8K超高清视频调制、传输、终端解码等关键技术,实现端到端的8K视频传输测试正是2019年的工作重点。 


1  8K超高清电视的特点


8K取自用户最直接的观感、也是最重要的技术属性——分辨率,即7680×4320像素。从高清到4K、8K超高清,画面每帧分辨率从1920×1080(约207万像素)提升到3840×2160(约829万像素)、7680×4320(约3386万像素)。8K需同步突破高分辨率、高帧率、高色深、宽色域、高动态范围等五个维度技术,才能给为观众带来颠覆式、更具感染力和沉浸感的临场体验。 


1.1 高分辨率 


高分辨率技术提供了更丰富的画面层次和更精致的画面细节,呈现出场景的立体感和空间感。在8K(7680×4320)分辨率的最佳观看距离,人眼的观看角度可以达到96°,接近人眼的立体观看视野(人眼产生双目立体感的视场角约110°),可以忽略显示屏的边界,体验到亲临现场的观感。 


1.2 高帧率 


高帧率技术能够进一步提升影像的细腻度和流畅感,给人眼更加舒适的观看体验。目前4K电视采用的帧率50Hz或60Hz。行业标准将逐渐取消超高清隔行扫描方式,并将8K的帧率提升到100Hz及以上。当帧率达到120Hz时,可以改善运动镜头的画面跳停现象和模糊现象,消除高亮度宽视角情况下的临界闪烁现象。 


1.3 高色深 


色彩深度越高,可用的颜色就越多,能提高灰阶层次过渡的表现能力、防止出现色彩平滑过渡区域的色带、提升暗场的显示效果、降低画质噪点。目前行业内公认的4K、8K系统的色深分别是10bits(约10.7亿色)、12bits(约687.2亿色)。 


1.4 宽色域 


色域越大,显示系统的色彩表现力越强,显示的颜色越丰富,更接近自然界的色彩。一般用CIE1931色域图表现人眼可感受到的全部色彩空间。高清系统的色域空间一般满足BT.709标准,覆盖38.5%的CIE1931色域空间。超高清系统采用的BT.2020色域空间改进很大,可覆盖78.5%的CIE1931色域空间,能够再现更多饱和度、亮度高的颜色。 


1.5 高动态范围 


人眼所能感受的亮度动态范围约为10-3到106nits,所能感受的瞬时动态范围可跨度高达10000nits。高动态范围 (HDR,High Dynamic Range)能让人眼看到更纯粹的黑、更亮的白色和纯色,同时看到画面里黑暗处和高光处的细节,色彩饱满,画面有立体感和层次感。要实现HDR,需要支持高亮度、高色深、高色域空间。 


2  8K超高清电视发展现状


2.1 日本NHK超高清电视发展现状 


日本NHK2014年制定了超高清电视(4K/8K)发展路线图,充分利用奥运会和世界杯等大型赛事对超高清电视技术进行测试,引领了8K超高清产业的发展[2]。NHK在2016年的里约奥运会进行8K广播测试,2018年正式开始8K卫星电视广播,并规划在2020年的东京奥运会进行8K电视转播。2018年底,率先开通了全球首个8K卫星广播频道,提供4K及8K 22.2声道内容。 


2.2国内超高清电视发展现状 


近年来,中国超高清视频产业发展拥有难得的机遇,也面临巨大的挑战,国家各层面均积极倡导发挥市场优势,加大政策支撑和引导力度,加快超高清视频技术产品创新和应用普及进程。2018年3月,在工业和信息化部指导下,超高清视频产业链的相关企事业单位联合组建中国超高清视频产业联盟,欲构建先进完善的超高清视频产业生态,发挥各自优势,实现共利共赢发展。2019年2月,工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台联合发布了《超高清视频产业发展行动计划(2019-2022年)》,按照“4K先行、兼顾8K”的总体技术路线,大力推进超高清视频产业发展和相关领域的应用,2022年,我国超高清视频产业总体规模超过4万亿元,4K产业生态体系基本完善,8K关键技术产品研发和产业化取得突破,形成一批具有国际竞争力的企业[1]。 


按照国家超高清行动计划和科技冬奥的要求,中央广播电视总台积极推进8K技术研究和技术系统建设。自2018年以来,中央广播电视总台已启动8K测试序列的拍摄工作;今年年初,录制了8K版2019年春晚节目;为推进总台8K制播技术研究,已启动了2套8K讯道拍摄设备、10套8K ENG、1套10通道8K收录服务器、10套后期编辑工作站的采购工作。以2022年北京冬奥8K制播为目标,中央广播电视总台已启动8K拍摄、转播、编辑、渲染、直播、点播、编解码、传输、接入、呈现全链路的研究,并加大推进8K电视制作工艺的研究和相关标准的制定工作。 


3  基于广电HFC网络的8K超高清电视传输方案


3.1 江苏有线苏州分公司HFC网络现状 


江苏有线苏州分公司有线电视网络由一级光传输网、二级光传输网及电传输网三部分组成,如图1所示。近年来,通过调整RF激励电平提高系统CNR指标、合理控制一级和二级传输网接收光功率、减小双向网络放大器级数等多种策略对HFC网络进行优化调整,江苏有线苏州分公司HFC网络具备了全频段256QAM调制的条件[3]。 

3.2 8K超高清码率测算 


央视4K超高清频道视频编码采用AVS2标准,视频码率为36Mbps,而8K超高清的视频码率将进一步大幅提升。面向8K的新一代全球领先编解码标准AVS3已经完成标准定义,压缩率、带宽占用等指标大幅领先于现有标准,AVS3相比于AVS2,将有超过30%的效率提升。参考日本NHK已正式开播的8K超高清频道以及当前8K编码的进展,采用不同编码格式不同等级的8K超高清视频参考码率预估如下。 


3.3 端到端的8K传输解决方案 


立足江苏有线苏州分公司现有网络条件,考虑极致8K,也就是帧率120fps码率为140Mbps左右的8K传输解决方案。我们设计采用256QAM调制,3个8M带宽信道绑定的方式来传输8K超高清视频,理论传输速率可达150Mbps,8K超高清传输方案系统图如图2所示。前端设计合理的TS绑定协议,将一个8K码流拆成三个带有时间及标识信息的子码流,然后将三个子码流在不同支路进行256QAM调制并通过3个频道进行传输。拆分的子码流中需要增加相应的标识信息,以保障接收机能够知道当前的8K信号在哪几个频点进行传输、各子码流的时间顺序等。接收端根据TS层绑定协议,从3个256QAM调制的频点解调接收三个子码流,并将三个子码流合并成一个8K码流进行解码。 


本文设计提出的8K超高清端到端传输方案经过充分论证具备可行性,并在实验条件下完成了142Mbps大码流的正确发送和接收,信道带宽150Mbps稳定,PCR满足SOC解调要求。 



4  方案创新点


4.1 基于广电现有HFC网络实现8K超高清传输 


目前8K超高清传输的研究热点是8K+5G。新闻时政、体育赛事等是电视直播的主要内容来源,8K+5G大幅降低了超高清电视直播成本,更多的节目将可以采用8K超高清直播。5G可以解决超高清内容来源,但采用5G将8K超高清内容传输至千家万户还有很多问题。虽然技术上可行,但是5G的建设将是一个长期的过程,不可能一蹴而就,而且8K超高清视频的巨大流量对于普通用户来说将可能是非常昂贵的。本文提出的将一个8K码流拆成三个带有时间及标识信息的子码流,然后将三个子码流在不同支路进行256QAM调制并通过3个频道进行传输的方式,天然适用于广电HFC网络。在现有HFC网络设备无需改动的情况下,可快速实现8K超高清视频传输到千家万户。 


4.2 采用256QAM调制方式 


目前国内HFC网络数字电视调制方式一般为64QAM,采用更高阶的QAM调制方式,可以进一步提升网络带宽,但同时对网络指标也提出了更高的要求。广电HFC网络双向化改造经历了很长时间,全网普及高阶调制(比如4096QAM)现阶段近乎是不可能的事。采用256QAM调制方式既兼顾了HFC现有网络条件,具备广泛的普适性;又提升了信道利用率,提高了网络传输带宽。 


4.3 可任意选择DVB通道进行信道绑定 


本文设计的TS绑定协议,在拆分的子码流中增加了相应的时间及标识信息,以保障接收机能够知道当前的8K信号在哪几个频点进行传输、各子码流的时间顺序等。由于在拆分的子码流中添加了时间及标识信息,可任意选择DVB通道进行信道绑定,进一步提升了该方案的普适性。 


5  结束语


根据日本NHK的超高清电视发展了路线图,NHK将在2020年东京奥运会进行4K/8K超高清转播,2020年东京奥运会将成为8K超高清电视发展史上的重要里程碑。可以预见,在工业和信息化部、国家广播电视总局和中央广播电视总台的联合推动下,在中国超高清视频产业联盟的共同努力下,中国的8K超高清产业将迎来跨越式发展。江苏有线苏州分公司将紧跟行业发展趋势,加快研发8K超高清视频调制、传输、终端解码等关键技术,并适时开展8K超高清业务现网实验。本文所研究的8K超高清传输方案,基于广电现有HFC网络,在现有网络设备无需改动的情况下,可实现8K超高清视频传输,对国内广电同行开展8K超高清传输具有借鉴意义。 

作者:邹飞非,孙彤,张剑

(江苏省广电有线信息网络股份有限公司苏州分公司)


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