5G+4K/8K+AI重构电视媒体制播体系
【摘  要】 本文分析了当前电视媒体面临的形势和问题，就5G、4K/8K和AI在电视媒体的创新应用，提出了几种超高清制作新模式，并就运用AI和5G技术创新超高清电视生产新流程、赋能超高清电视生产进行了阐述，为当前电视媒体升级转型发展指明了方向。
【关键词】 4K/8K 超高清，
5G ， AI Reconstruction of TV Media Production and Broadcasting System
with 5G+4K/8K+AI
Jiang Wenbo, Zhao Guihua
(China Media Group, Beijing 100038, China)
Abstract  This paper analyzes current situation and problems faced by TV media puts forward several new UHD production modes based on innovative application of 5G, 4K/8K and AI in TV media, expounds the application of AI and 5G technologies to innovate new production process of UHD TV and empower UHD TV production, and points out the direction for upgrading and transformation of current TV media.Keywords  4K/8K UHD ， 5G ， AI
姜文波，赵贵华
（中央广播电视总台, 北京  100038)
0  引言
1925年，英国工程师贝尔德发明电视机，之后电视逐渐成为人类社会信息传播的重要手段，传统的电视采用频道式播出方式。本世纪以来，在信息技术的推动下，互动电视、手机电视、IPTV 、OTT 等新业态层出不穷。本文主要探讨电视媒体发展，有必要首先探讨什么是电视。根据《广播电视术语》国家标准，电视词条的解释是：将现场或记录的图像
和声音以电信号的传输方式在一定距离之外重现[1]。根据这个解释，不管是基于广播网络及宽带互联网传送，由电视机大屏显示的HD/4K/8K 电视节目，还是基于移动通信网传送，由手机小屏显示的视音频，都应该属于电视的范畴。
当前，电视媒体正处于从高清向超高清升级换代阶段，要吸取标清向高清发展的经验教训，充分运用5G 、AI 、大数据和云技术，创新4K/8K 超高清电视制播模式，不断优化全
媒体制播流程，推动电视媒体向超高清及全媒体转型升级。
作者简介
姜文波，中央广播电视总台编务会议成员，超高清制播呈现国家重点实验室学术委员会副主任、理事会理事长，教授级高工，享受国务院政府特殊津贴；中国科学技术协会第九届全国委员会委员，全国广电标委会副主任委员，国家广电总局科技委副主任委员；曾任中广电设计院副院长兼总工程师，广播电视规划院院长，中央电视台分党组成员。
1  电视媒体发展面临的形势
1.1 国家发布超高清发展行动计划
2019年2月，国家工业和信息化部、国家广播电视总局和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）》，计划提出，将按照“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。到2020年，4K电视终端销量占电视总销量的比例超过40%，实现超高清节目制作能力超过1万小时/年，4K视频超高清用户数达到1亿。到2022年，4K超高清电视终端全面普及，实现超高清节目制作能力超过3万小时/年，超高清用户数达到2亿，超高清产业总体规模超过4万亿[2]。
1.2 5G推动超高清电视发展
当前，超高清视频已成为5G网络技术应用最受关注的领域，在线教育、AR/VR和赛事直播也列关注度前十位[3]，超高清视频已成为商业应用的最大亮点。5G网络高速率、大带宽、低时延、网络切片、边缘计算等技术特性，在面向超高清视频应用方面具有非常广泛的应用场景和需求。2020年7月和8月，中央广播电视总台和国家广电总局先后发布了《中央广播电视总台5G媒体应用白皮书》[4]和《5G高新视频-互动视频技术白皮书》[5]。由此可见，随着超高清视频产业的不断演进，未来5年将是中国超高清视频产业技术发展和成果转化的战略机遇期，5G将驱动超高清视频产业应用快速发展。
1.3 电视发展现状
根据国家广播电视总局发布的统计报告，2019年中国广电大力实施“智慧广电”建设工程，积极推进媒体融合发展，持续拓展新业务、新业态。全国电视节目制作时长达345.58万小时，播出时长达1950.99万小时。传统广播电视广告收入998亿元，同比下降9.13%，新媒体广告收入194.31亿元，同比增长25.11%。全国有线数字电视用户2.07亿户，其中高清电视用户突破1亿户，智能终端用户2385万户；直播卫星用户1.43亿；交互式网络电视（IPTV）用户2.74亿户，互联网电视（OTT）用户8.21亿户。全国有线电视实际用户有所下降，高清、超高清和智能终端用户规模快速扩大，付费电视用户持续增加，回看时移用户快速增长，视频点播用户大幅度上升，有线电视互联网用户和光纤入户规模大幅度增加。有线电视网络业务收入小幅下降，IPTV和OTT收入大幅度增加，网络视听收入持续增长，已成为广播电视行业发展的生力军。数据表明，广播电视行业正处于升级换代的发展阶段[6]。
1999年10月，我国首次采用高清电视开展国庆50周年盛典的转播试验，2008年1月，央视开播了第一个高清电视频道，2012年，央视陆续将财经、综艺、体育等电视节目采用高清制作和播出，2020年7月，央视29个公共电视频道和13个付费电视频道实现全高清制作和播出，我国还开播直播卫星高清电视平台。
2018年是我国4K超高清电视元年，当年10月1日，中央广播电视总台开播我国首套覆盖全国的4K超高清电视频道。2019年10月1日，新中国成立70周年国庆盛典在4K频道直播，奉献了一场大气磅礴、行云流水、震撼人心的视听盛宴，电视直播收视规模达7.99亿人，重播收视规模达136.79亿人次；新媒体阅读浏览量达到180.67亿次；国庆盛典在全国70家影院，首次实现了4K超高清电视在影院直播，并制作成各种语言版本的4K超高清电影拷贝在全球发行，推动了电视和电影的融合。可以看到，电视从标清到高清的升级换代历时20年，从高清到4K超高清的升级换代速度明显加快。
1.4 电视发展存在的问题
从1999年央视采用高清转播国庆算起，央视用了20年完成从标清向高清的升级换代。标高清更新换代缓慢的主要原因在于：一是在本世纪初我国电视处于发展的鼎盛期，是当之无愧的第一媒体，没有竞争压力，技术变革没有动力；其次，电视台技术团队是电视新技术应用的主要推动者，但电视台节目团队已经习惯了标清系统，而且当时的收视体基本全是标清用户，衡量电视节目的主要指标是收视率，收视
率主导了电视台的技术发展政策；三是相对于标清，高清制播系统的建设投资大，由于绝大多数电视用户只能接收标清电视，高投入生产出来的高清电视节目还要变换成标清电视节目播出。因此，推进电视高清化很难在台内形成共识。
2  创新制播模式推动电视向超高清转型升级
超高清是电视发展的方向。电视是技术进步的产物，推动电视媒体发展4K/8K超高清电视是必然的选择。由于近年来传统电视台广告收入骤降，再就是传统电视用户大部分还是高清电视用户，电视媒体机构短时间完成全4K超高清电视制播平台建设既不可能，也不经济。因此，创新超高清电视制播模式是推动超高清电视发展的有效途径。
2.1 采用虚拟切换技术推进4K/8K超高清电视制作
随着互联网的不断普及，IP技术应用越来越广泛，IP网络交换技术在鲁棒性、安全性和可管可控方面得到全面提升，基于IP技术具备建立“计算+通信+存储”为一体的信息
服务平台。因此，IP架构也成为4K/8K超高清演播室系统的必然选择，从信号源、制作、监看到末级输出，已实现了全流程4K/8K HDR制作。采用通用COTS交换机叶脊结构，可通过对交换机叶脊架构的调整、配置，实现信号处理能力的规模性扩展；配置集中控制系统对整个演播室进行全面管理控制，可实
现各种应用场景的快速切换。同时，音频系统也完全实现IP化管理和信号交互共享，可完成5.1环绕声及5.1.4三维声制作和监听。
当前，绝大部分电视媒体在近年来才实现高清化，在用的高清演播室系统均还处于生命周期内，不可能为推动4K/8K超高清电视发展而拆除在用的高清演播室系统。因此，演播室IP技术和多通道收录系统为现有的HD演播室制作4K超高清电视节目提供了可能性。
虚拟切换技术就是为4K伴随HD制作而提出。4K虚拟切换技术是指高清演播室正常制作节目时，HD切换台通过Tally 信号将切换时间点、信号源信息和特技类型传输给4K节目合成服务器，合成服务器根据HD切换台传来的相关信息将4K 摄像机信号合成出4K PGM。工作原理为：将高清演播室现有的HD摄像机更换为4K摄像机，4K摄像机同时输出HD SDI 信号和4K IP信号，HD SDI信号接入HD切换台，4K IP信号接入多通道收录服务器，通过4K虚拟切换技术即可将实现4K IP 信号智能跟随HD切换台的自动切换和叠画处理，从而实现与HD PGM同步生成4K PGM信号，如图1所示。为此，针对高清演播室实现4K虚拟切换技术，共申请了三项发明专利，其中《一种4K视音频信号的切换方法、装置、系统及电子设备》专利主要是指接收HD切换台发送的切换信息和时间码以及摄像机的4K IP信号，生成单元根据时间码顺序和切换信息对多个4K素材进行合成并生成4K PGM节目文件；《4K节目制作方法及系统》和《4K节目监看方法及系统》专利主要是指HD演播室中仅配备4K摄像机和4K虚拟切换系统的情况下，通过接收HD切换台通讯端口的切换命令及特技信息虚拟合成为4K PGM文件，在准实时播出的同时，还能实现节目
的BT.2020宽域和HDR高动态范围效果的监看[7]。通过采用相同的原理，在4K虚拟切换技术的基础上科研出8K虚拟切换技术，测试表明，4K伴随HD制作的时延为6秒，而8K伴随4K 制作的时延为25秒，4K/8K虚拟切换系统的可靠性可以达到99.9999%。
2017年和2018年，总台研发了4K虚拟切换技术，春晚实现了4K伴随HD制作，如图2。2019年和2020年，总台进一步丰富了4K虚拟切换技术的应用，春晚实现了4K伴随HD直播，如图3。
4K伴随HD制作和直播，只需配备4K摄像机以及新建4K 多通道收录系统和智能虚拟切换系统，就能实现在HD电视制播平台同步制作和直播超高清节目，只有摄像师要适应新的
图14K虚拟合成流程图
4K 摄像机操作。4K 伴随HD 制作和直播的投资只要约1000万元，只有4K 超高清演播室建设费用的1/6。
2.2  采用原创混合现实开展超高清电视节目制作
电视核心要素主要包含节目创意策划和技术实现。超高清视频技术的出现，给传统电视视觉效果在内容创作、技术制作、技术标准三个方面提出了新的要求。在内容创作要求上，受众对于影视内容作品的风格差异化和多元化要求与日俱增；在技术制作要求上，画面质量对于光效、精细度、仿真性的要求不断
提升，而相对的节目制作周期却不断减少，在有限的时间内保证高质量成为了一个挑战；在技术标准
上，根据电视和电影技术标准，4K/8K 电视在彩、动态范围和帧率都比同等清晰度的电影质量要高，传统的电视生产流程无法解决视觉效果制作的挑战。
为提升超高清电视节目质量，引入电影的创作模式，提出了原创混合现实（IMR ，Idea Mixed Reality ）超高清电视制作模式。IMR 制作模式秉承“即得即见”的前后期一体化创作理念，运用混合现实、计算机视觉、人工智能、超高清视频和三维声技术，构建了节目、技术、创意和制作为一体的沉浸式创作模式，这个模式是全新的实时特效创作流程，专注于视频和音频特效。IMR
制作模式主要包括三个特点，一4k电影源代码
图2 4K虚拟切换系统架构图
图3 4K/HD 智能同播架构图
是在混合现实技术（MR）的基础上，基于现场实时的场景设计，加入视觉效果精包装制作独有的原创特性（Idea），构建基于原创的混合现实制作域环境；二是创新工艺流程，将复杂的后期渲染前置到演播现场，实现多工种一体化的现场特效制作，全面提升效率；三是集成管控创新，以多种新技术的有机融合，保障整体环境产出4K高质量的特效制作，形成可复用的包装特效资产化管理。
IMR制作模式是围绕摄录编灯设备集中控制为核心，将现场拍摄、数字内容制作、内容交换管理进行有机的融合运转，打造超高清电视精品佳作。如图4。摄录编灯设备集中控制在整个系统作为核心单元，将摄影、灯光、音频、视频、实时渲染等系统在协议层进行整合，并实现以镜头为单位的统一程序控制。在此基础上，利用深度学习神经网络技术，在拍摄过程中实现拍摄目标跟踪、演员动作识别功能，指导全域系统实现自动化、智能化的拍摄制作。数字内容制作系统基于数字雕刻、材质绘制和实时特效氛围生成技术，进行物理仿生数字内容的构建。内容交换管理负责全环境的文件交换和生产过程的管理，整个系统采用分布式模式进行网络、视音频信号处理，同时采用版本、生产和资产管理子系统对制作过程的三个重要层面按照角职能进行点对点式的统一管理。
2.3 采用虚拟现实网络交互技术提升VR沉浸式效果
一般的VR全景直播虽然可以实现用户端虚拟现实的场景重现，但在采集过程中通常采用预置视频缝合模板完成画面拼接，导致在拍摄环境复杂、光照角度差异较大的场景时，镜头接缝位置处理不够精细，造成用户观看VR视频时产生画面错位的不适感。这样的VR全景信号质量较低，无法为4K电视制作提供信号源。因此我们需要将虚拟现实技术与广播级高质量制作系统相融合，提升VR全景视频质量。
虚拟现实网络交互系统（VNIS，VR Network Interactive System），是将全景摄像机拍摄的超高清分辨率视频或图像，通过5G网络传输至包装渲染引擎，回传的VR全景信号与虚拟演播室内带跟踪系统的摄像机信号进行合成渲染，最后将制作好的虚实融合的视频信号传输至演播室，让主持人在演播室内与外场实景进行身临其境的交互。通过此种方式可以扩大节目内容覆盖的场景，将人物合成到任意实景空间，并在多个场景中随意穿越，有效提升了演播室节目制作过程中的多场地交互性，并大幅度提高了VR全景视频虚拟效果。此外，还可基于5G网络回传多路前方高码率的VR视频流，在后方的VR收录服务器内预先导入高质量精细缝合的VR节目文件，通过VNIS信源切换模块同步完成VR节目视频的直播制作。在音频制作方面，以VR话筒和常规话筒相结合的方式拾取全方位的声场，编辑合成三维声音频，确保三维声音频与VR视频融为一体，提升用户观看VR视频的沉浸感受，如图5。
3  运用AI技术创新超高清电视生产新流程
3.1 AI语音技术
传统电视节目字幕制作效率低、制作流程多、劳动强度大，传统的人工配音耗时费力，工作效率低。基于AI语音技术的人机耦合字幕和配音生产流程，在进行字幕制作和配音
图4 IMR制作流程框图

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