影院播放国庆70 周年阅兵4K 直播 信号的应用与实践

国庆70 周年阅兵4K 直播信号通过中星10 卫星传输,全 国各地70 家影院通过中宣部电影数字节目管理中心在各地 影院的卫星接收系统接收,将中央广播电视总台的实时直播 信号传输到各地影院,影院接收信号后由中央数字传媒有限 公司提供安装调试专用的4K 卫星解码器,将卫星传送的 4K 直播信号传输到电影放映机,最终将4K 直播画面完美 呈现到电影院大幕。本文介绍了该直播的信号传输与实践。

摘要

一直以来,千家万户的客厅都是电视直播的主战场,而电影院线则是精致大片的主阵地,本项目将重大主题宣传报道的直播信号历史性地引入电影院线,就是要通过超高清电视和电影院线的“握手”,创造性将画面、声效、镜头语言和现场同期巧妙揉和,首次实现全流程、全要素4K 超高清和5.1 环绕立体声电影院直播,本次院线直播活动在中国电视史上同样具有里程碑意义,同时也是对新中国70 华诞的一次深情礼赞。

一 项目简介

为把恢宏大气的国庆盛典画面完美呈现给全国观众,中央广播电视总台中央数字传媒有限公司协同中宣部电影数字节目管理中心提前半年派出技术团队进行实地踏勘,预演,规划设计。目地就是为了在十一当天,让全国十余个省份的数万观众有机会在影厅中,通过中央广播电视总台直播的4K 超高清信号,身临其境地感受新中国成立70 周年盛大阅兵和群众游行的震撼场面。

本次直播也是中央广播电视总台积极构建“5G+4K/8K+AI”全新战略格局的又一创新实践。将重大主题宣传报道的直播信号历史性地引入电影院线,通过超高清电视和电影院线联手,将国庆盛典的4K 超高清信号接入全国70 家影院。

二 直播系统架构与设计

1. 系统设计

要想实现4K 超高清电视直播信号传输到电影大幕播出,需要经历“节目编码调制- 节目上载- 卫星传输- 节目接收- 解码解调- 显示播放”的一系列过程,具体就是将4K 超高清的图像和视频信息进行数据编码达到可传输的状态,调制好后利用卫星进行传输,传输到全国各地影院的卫星接收系统,通过卫星接收系统接收后,4K 解码器将信号解码和解调后输出到电影放映机,然后在电影大幕显示。

本次直播信号通过中星10 卫星传输,全国各地70 家影院通过中宣部电影数字节目管理中心在各地影院的天线直径1.2 米卫星接收系统接收,将中央广播电视总台的实时直播信号传输到各地影院,影院接收信号后由中央数字传媒有限公司提供安装调试专用的4K 卫星解码器,将卫星传送的4K 直播信号传输到电影放映机,最终将4K 直播画面完美地呈现到电影院大幕。

2. 系统框图

系统框图如图1 所示。

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三 传输链路及接收

1. 传输码率及链路选择

4K 是新的视频解析度标准,指的是显示设备的横向分辨率大约为4000 像素的显示标准,4K 显示规格有3840×2160(16:9)、4096×3072(4:3) 等。“4K 超高清分辨率”英文为“Ultra High Definition”, 缩写为UHD。

数字技术领域采用构成图像的像素来描述数字图像大小, 通常以K 来表示,2 的10 次方即可1024, 因此:1K=2^10=1024,2K=2^11=2048,4K=2^12=4096。4K 不同于我们在家里看到的高清电视(1080P,1920×1080 分辨率),也不同于传统数字影院的2K 分辨率的大屏幕(2048×1080 分辨率),而是具有3840×2160 和4096×2160 分辨率的超高清画面。通过像素直观地来描述就是,高清电视是207 万像素的画面,2K 数字影院是221 万像素的画面,而4K 影院里,看到是800 多万像素的高清晰画面。

由于超高清图像占用带宽比高清图像高出四倍以上,铺设专用的光纤传输链路成本非常高,从经济投入和施工难度上考虑,实施难度非常大、经济效率低,而通过互联网传输的话,也需要租用专用的带宽链路,而且互联网传输大码率高带宽视频图像,网络传输路由优化需要较高的链路和技术成本,才能保障直播信号实现低延时,少卡顿,而且由于本项目实施目标覆盖范围广,各地网络基础情况不一,路由将会非常复杂,直播信号保障工作将会非常困难。

综合考虑后,决定采用卫星传输模式,首先DVB-S2 调制方式和AVS2 高效视频编码技术已经非常成熟,其次各地影院都安装了中星10 号的卫星接收系统,具备了项目实施条件。

2. 传输和接收方式

本次直播是中央广播电视总台将直播信号传输到中宣部电影数字节目管理中心的核心机房,然后将信号上载到中星10 号卫星,通过中星10 号卫星传输,全国各地影院接收。

卫星接收参数:Ku 波段; 极化方式: 垂直; 下行频率:

12500MHz,符号率43200kSps; FEC:3/4;调制方式:DVB-S2、8PSK。

接收系统:直径1.2 米的接收天线,LJ7900 或EMR-4K 解码器。

3. 接收技术的实现

(1) 传输码率核算

影院4K 信号直播借用中宣部电视数字节目管理中心下发数字电影拷贝的中星10 号卫星转发器,该转发器采用DVB-S2 调制和LDPC+BCH 级联码作为前向纠错编码,一个36M 转发器采用8PSK,3/4FEC 的MCPC 载波能携带的有效码率达97.2Mbps,经过实际测试4K 直播信号码率为36Mbps,实际接收的有效码率为96.235Mbps。

(2) DVB-S2 调谐器测试

在项目实施前的测试过程中发现, 由于本项目采用DVB-S2 8PSK, FEC3/4 调制,符号率43.2M,码率达到96.235Mbps,码率高于国内目前国内普遍采用的符号率30M 以内,码率上限40Mbps 左右的高频头。经过实际测试,发现LJ7900 解码器存在频点无法锁定的情况。通过检测发现是因为LJ7900 解码器内置的板载调谐器只能接收DVB-S2 35000kSps符码率之下的信号,而目前直播信号的符号率是43200kSps, 通过更换DVB-S2 高频头日本ALPSBSBE2-801A Rev M tuner 和广州易而达EDS-10640FFIRA DVB-S2 调谐器和原有的serit- 3216 高频头做对比测试。如表1 所示。

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经过对比测试后,使用ALPS BSBE2-801A 方案分析发现是高频头的解调芯片在处理高符号率、高码率节目时存在丢包的现象导致出现马赛克、花屏现象。使用易而达EDS-10640FFIRA DVB-S2 调谐器方案后,解码器接收信号稳定可靠,无丢包和马赛克现象,故而LJ7900 全部将高频头更换。

为了适应高符码率,更换高频头之后相应的解调驱动程序也做了如下调整:

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EMR-4K 解码器高频头采用上海澜起M88TS2022+M88DS3130Tuner 方案,经过测试无上述情况,可以正常接收播放。

四 视频输出调试与匹配

本次影院直播的4K 信号技术标准如下:

视频分辨率:3840×2160、P50 BT.2020、 HDR。音频:杜比5.1 环绕立体声。

4K 显示技术拥有更多画面细节及层次,丰富色彩与细节的超高清视频通过大屏幕显示,会给观众带来强烈的现实感和临场感,观众会产生更强烈的视觉体验和享受,并且在观看过程中影院音响系统提供5.1环绕声为观众提供了更真实也更具现场感的声音,满足了观看者的声音需求。

而色彩特性是4K 显示技术的关键,是呈现高质量画面的重要保障,在研究中发现,4K 显示技术的色彩特性一是注重宽色域,保障色域的全面覆盖,让画面呈现的事物色彩接近其原有颜色,二是采用RGB 三基色,对色彩饱和度进行标示,进而确保色域能够全面覆盖,覆盖范围达到99.9%,提高了画面的观赏质量,同时也让画面细节更加逼真,三是注重色彩的丰富性,保证画面呈现的色彩接近物体本身,进而在色彩元素上满足观看需求。

电影和电视在视频输出的标准和要求是不一样的,为了将国庆阅兵4K 直播信号完美地呈现在影院大幕之上,我们研究电影和电视的显示技术,通过多次调试匹配找出一个平衡点,保障这次影院直播顺利实施。

电影放映机的色域和图像编码技术演进可简单概括如下:◆图像格式:1K,1.3K,2K,4K;

◆色域:ITU-R.709(HDTV),DCIP3,ITU-R.2020(UHD);

◆图像编码:MPEG-2,MPEG-4,JPEG2000(专业影院),HEVC/AVS2(超高清)。

由于电视和电影在拍摄、制作及显示的要求不同,由于色域、亮度等范围不同,导致了色彩空间的差异性,为了有效控制色域空间不匹配的问题,要求色域的合理匹配,提高色域匹配度。4K 信号制作时用的是ITU2020,但实际不同品牌的电影放映机适配标准不一,例如科视电影放映机一些型号只能是ITU709,所以项目实施过程中会出现4K 解码器与电影放映机色域不匹配的问题,例如输出画面偏红或偏绿的现象。

解决方法如下文所述。

电影放映机播放4K 的数字电影一般都是采用DCI 组织规定的电影数字播放服务器-DCI 来控制,采用与设备无关的DCI-XYZ 色彩空间,不再使用ITU709 色彩空间,根据调色和编码的方式,主要采用以下办法实现:当调色时,最好是调色用的监视器上专门配置一个DCI-RGB 模式,这种模式采用RGB 的颜色编码,但是使用DCI-XYZ 色彩空间,也就是说当调色系统输出的像素颜色编码为纯红时,放映机的颜色输出也为DCI-XYZ 色彩空间的纯红,纯绿、纯蓝和白点,依此类推。同时伽马值也要修改为2.6,这种模式的输出文件仍为RGB 编码,然后再由数字电影编码服务器通过颜色管理系统将RGB转换成XYZ 编码。如图2 所示。

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通过上述配置方法,就可以解决色域匹配导致的画面偏红或偏绿的问题。

例如,EMR-4K 解码器适配电影放映机配置如下所示:为了适配影院大幕要求,经过实际测试,电影放映机和解码器都需要在色域空间上手动适配,故而在解码器添加了色域空间配置项,并相应对驱动程序和控制界面做了变动。如图3 所示。

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在驱动程序和控制界面的编码做了如下变动:

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五 音频调试

5.1 声道环绕声即杜比5.1 数字多声道环绕声音音频格式,包括左右两路主声道,中置声道,左右两路环绕声道和一个重低音声道。前面5 个声道都是全频域声道,重低音声道是一个不完全声道,只发120Hz 以下的低音,称之为0.1 声道。5.1 声道已广泛应用于各类传统影院,比如杜比AC-3/DTS 等都是以5.1 声音系统为技术蓝本的。

影院直播信号音频是透传杜比AC-3 格式,解码器通过HDMI 将视频输出到电影放映机,通过光纤音频输出口将音频输出到影院音频功放。

影院是使用单独功放来实现音频播放,在实际实施过程中,部分影院由于不支持光纤音频接口,所以音频是由解码器上HDMI 接口通过音频分离器输出到功放,从而提供音频的模式,具体实现过程就不再赘述。

六 结束语

2019 年10 月1 日上午,中央广播电视总台“央视频”出品的4K 超高清直播电影《此时此刻——共庆新中国70 华诞》,将国庆盛典的4K 超高清信号接入全国70 家影院播出,这部“直播大片”用巨幅银幕的恢宏画面、清晰到头发丝儿的精细画质、层次丰富的环绕声带给现场观众一场无与伦比、令人难忘的视听盛宴。气势磅礴的阅兵式,让不少观众看得激动不已。

直播结束后,很多人久久不愿离场,在影厅唱起《我和我的祖国》, 许多观众眼眶泛起了泪花。 大家一致的评价是,4K 超高清直播把他们带到了国庆观礼的现场,“震撼人心”“自豪感爆棚”。

4K 超高清影院直播的目的就是要各地观众亲身体会这样的激情与震撼,与人民共情、与时代同步、与祖国同行。

随着超高清视频内容的普及和本次直播的顺利实现,相信在将来,重大主题活动和体育赛事直播的超高清电视信号和电影院线的“握手”会越来越频繁。


参考文献:

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转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央数字电视传媒有限公司 代耀文