超高清制作在体育赛事转播中的 应用案例及发展趋势

2008 年北京奥运会是第一届完全采用高清标准进 行制作的大型国际体育赛事，从2008 年北京奥运会 到2018 年平昌冬奥会的十年间，绝大部分体育赛事 一直将高清格式作为赛事直播标准。2018 年是体育 转播行业的一个标志性年份，大型国际赛事开始采用 超高清格式进行转播，当年的俄罗斯世界杯是第一个 完全采用超高清格式进行转播的大型国际体育赛事。 在此之后，超高清电视转播开始逐渐成为转播行业升 级的主流趋势，但在制作和播出两方面，还有很多需 要解决的难点和问题。

在制作层面，采购超高清转播设备的高额费用和 制作成本是转播商必须面对的挑战。转播商需要更换 和购买4K 拍摄设备、4K 转播车、4K 内容制作后期 存储和云服务的设备，对设备进行升级改造无疑会大 幅增加制作成本。

在播出层面，4K 电视目前在国内的渗透率已达 90% 以上。根据国家广电总局的政策规划，2022 年7 月1 日起，有线电视和直播卫星电视新增的频道将主 要采用高清或超高清标准，IPTV 计划在2025 年逐步 停止传输标清频道信号。因此，提高电视播出内容的 丰富性，将高质量超高清内容无延迟推送到播放平台 是向市场推广超高清标准的先决条件。

一 超高清转播在国际足联世界杯的应用

1. 2018 年俄罗斯世界杯

2018 年在俄罗斯举行的国际足联世界杯是第一 个完全采用4K HDR 制作的国际大型体育赛事， 世界杯所有64 场比赛都采用了4K 超高清、高动态 标准进行赛事转播，同时主转播商HBS 使用了沉 浸式音效、180 度直播和 VR 技术。 2018 年俄罗斯 世界杯每个体育场馆设置37 台摄像机，至少75% 的转播镜头来自4K 摄像机，只有即时回放和少数 摄像视角从1080p 的高清摄像源转换而来。多机位 转播系统使用了8 台支持超高清输出且同步1080p SDR 输出的摄像机，另外11 台具有1080p HDR 和 1080p SDR 双输出的摄像机。视频助理裁判（VAR） 首次出现在世界杯赛场上，该系统由在国际广播中 心的技术人员远程操作，在比赛中与技术官员直接 联系。

2. 2022 年卡塔尔世界杯

卡塔尔世界杯全部比赛公共信号采用原生4K UHD HDR 格式制作和传输，主要比赛的转播信号选 择单层UHD-HDR 工作流。由于世界杯赛事期间的 场馆非常多，比赛以外的镜头都将采用1080p HDR 格式，包括电子新闻采集和赛前一天训练内容都采用 1080p 标准拍摄。

在播出端，福克斯体育频道每场比赛均采用超 高清格式播出，演播室的节目制作使用了增强现实 技术，因此会采用原生1080p HDR 格式制作，播 放时采用4K UHD HDR 标准播放。每场比赛都将 在福克斯体育频道的应用程序上以4K 超高清标准 播出。

二 超高清转播在奥运会上的应用

1. 平昌冬奥会

OBS 共制作了5000 小时冬奥节目，其中超高清 节目制作时长达360 小时，占全部冬奥制作时长的 7.2%，涉及开闭幕式及5 个比赛项目。该视频信号搭 配22.2 环绕立体声音频信号，供美国全国广播公司、 中央电视台等持权转播商播出使用。

2. 东京奥运会

东京奥运会是奥运历史上第一届以4K 超高清高 动态范围标准直播几乎全部比赛项目的夏季奥运会。 在东京奥运会的17 天赛程内，奥林匹克转播服务公 司共制作了3300 小时的超高清直播信号，占总时长 的32.4%。东京奥运会共制作了10200 小时奥运转播 信号，含3800 小时直播信号，比2016 年里约奥运会 7000 小时的制作时长增加约44%。具体来说，东京 奥运会所有固定位置的摄像机位和大多数手持摄像 机位采用原生超高清制作标准。只有少数一些特殊 摄像机位，如主观视角摄像机、索道摄像机和慢动 作回放摄像机采用高清1080p 逐行扫描标准，向上融 合到超高清信号中，视频格式采用高动态范围视频 标准。

此外，奥林匹克转播服务公司和日本放送协会 为开幕式、闭幕式、田径、羽毛球、足球、柔道、 游泳、乒乓球和排球等精选赛事制作了8K 超高清 直播信号配合22.2 多频道音频信号，这些令人惊 叹的8K 超高清信号不仅在国际广播中心的超高清 影院进行内部展示和播放，还会在日本本土对公众 播出。

3. 北京冬奥会

北京冬奥会是奥运历史上第一届完全采用超高清 高动态范围和沉浸式音频原生制作格式进行转播的冬 奥会。5.4.1 标准沉浸式音频是北京冬奥会超高清信 号制作的一个亮点，它使冬奥会比赛项目的制作水平 达到了前所未有的高度。此外，北京冬奥会还首次在 比赛现场采用8K 虚拟现实技术采集、制作和分发赛 事信号。

主转播商OBS 共制作冬奥比赛、开闭幕式和颁 奖典礼等900 小时超高清直播信号，冬奥相关节目 时长达6000 小时。使用了31 条多边超高清信号汇 聚线路和36 条超高清信号分发线路。采用超高清、 高动态范围格式后，OBS 所有后端控制系统和技术 设施都会发生变化，以支持巨大的数据传输量。北 京2022 冬奥会上，OBS 使用了约30 台支持5G 数 据传输技术的摄像机用于现场直播。在多个项目上 使用5G 摄像机进行转播可以大大提高雪上项目设 置机位的灵活性，例如高山滑雪、冰壶和越野滑雪 等项目。

三 超高清制作在欧美电视台的应用

在电视台进行超高清信号制作过程中，必须要提 到SMPTE ST 2110（简称 ST 2110）， 它是由美国电 影与电视工程师学会发布的一套通过IP 传输媒体内 容的标准，包括视频、音频和元数据，旨在确保在信 号制作和分发过程中获得高质量和灵活性。

SMPTE ST 2110 标准包含许多部分，从解决如 何处理未压缩的视频流和音频流到映射元数据。笔 者以福克斯WTTG/WDCA 电视台为例，梳理基 于ST 2110 标准搭建电视台进行超高清制作遇到的 问题及解决方案。2019 年初，福克斯电视台与设备 制造商、系统设计师和技术专家召开联合会议确定 了初步建设方案。方案明确了完全基于ST 2110 标 准进行制作和传输的可行性，而不是沿用原有混合 SDI/IP 标准进行制作和传输，福克斯电视台在全美 共拥有和运行28 个媒体制作机构，WTTG/WDCA 项目是其中之一，在首都华盛顿特区完成部署搭建 工作。

1. 按照ST 2110 标准部署设施

按照方案设计要求，所有ST 2110 标准设备间的 信号路由通过网络交换机执行，并且最大限度使用 ST 2110 接口。如果某些设备尚未配备原生基于IP 的 ST 2110 输入和输出接口，则明确指定了SDI 到IP 和 IP 到SDI 的接口转换器。这样可以按照ST 2110 实 时传输协议（RTP）流进行封装和分发，并可对具有 SDI 输入端的设备进行去封装操作。此外，福克斯电 视台的方案结合了SMPTE ST 2022-7 标准，创建了 两个完全一样、具备冗余的RTP 媒体网络，分别用 蓝色和红色标注设备和线缆，而用紫色标注第三个网 络，用于支持音频组件。福克斯WTTG/WDCA 电 视台是美国第一个基于ST 2110 技术完全从头开始建 造的本地电视源设施。

2. 比较SDI 和ST 2110 标准的差异

基于SDI 标准的设施使用同轴电缆传输串行数字 信号，而基于IP 的设施设备使用光纤传输IP 信号。 因此，在信号流、系统监控和故障排除方面存在较大 技术差异。SDI 信号路径通常按照规划设计图进行布 线，每个设备的输出端连接下一个设备的输入端，采 用矩阵路由交换机、配线架和菊链方式连接器。而在 ST 2110 标准设施中，所有设备都通过线缆直接连接 到网络路由器和转播设备控制器上，从而确定信号的 路由和终端。当需要在信号流中添加或移除设备时， 技术维护人员可以使用同类基于IP 网络关联的工具 进行系统监控和故障排除，不需要任何形式的常规修 补和切换。

3. 系统路由器

搭建ST 2110 标准系统通常使用市面采购的IP 网络路由器实现路由功能，在福克斯WTTG/WDCA 项目中，技术人员单独选择了特殊订购的路由器，以 支持未来4K 超高清制作的数据速率，满足承载ST 2110 标准的有效负载。WTTG/WDCA 系统大约有 500 个物理端点，支持约700 个带冗余的视频流、800 个带冗余的音频流和300 个带冗余的辅助数据流。在 网络拓扑结构的核心，两个主干路由器分别用红色和 蓝色标注，用于支持带冗余的媒体流，而叶交换机用 作聚合交换低带宽的音频流。

4. 转播控制系统

转播控制系统（BCS）管理并控制着数据源到 端点之间的路由，从路由器控制面板或自动化系 统接收到指令后，触发路由交换机。随后与接收 方进行通信，触发接收方向需要连接的发送方发 出“加入”命令（JOIN）。当组播订阅建立后， 通过网络路由协议将组播流量从发送方分发至接 收方。

5. 制作控制室设备和演播室摄像机

视频制作设备的选择受到两个方面的影响。第一， 采购的制作设备必须基于ST 2110 标准；第二，其他 福克斯电视台对于使用相同制作自动化和字幕系统的 意愿。由于WTTG/WDCA 项目明确规定了60 个输 入端的标准，因此制作切换器需要大量的内部带宽， 并进行固件升级。这样可以增加缓冲区防止偶尔出现 的数据爆发产生的带宽和空间压力。演播室摄像机也 需要进行固件升级，从而实现与ST 2110 标准的合规 性和兼容性。

6. 主控设备

新方案设计完成时，主控设备方面主要有三个问 题。第一，由制作商提供的符合ST 2110 标准的主控 开关很少，因此，设计方案中取消了物理切换器，使 用专用图形处理器完成电视字幕和视频效果的键控操 作，从而取代虚拟切换器；第二，福克斯电视台各分 支机构的主控系统有统一标准，福克斯电视台在全美 管理运行着28 个分支制作机构。这些制作机构的主 控摄入和播出系统采用了标准化设计，只能使用SDI I/O 接口，不是ST 2110 I/O 接口；第三，封闭式字 幕处理设备并不兼容原生ST 2110 I/O 标准，因此福 克斯不得不购买24 台价格昂贵的处理器才能实现精 准的字幕定位。

7. 音频设计

该项目采用了基于ST 2110 标准的音频制作控 制台，可以在不转换为其他常用音频格式的情况 下在本地重新将音频流进行路由分发。音频设备 通过1 千兆以太网接口直接与音频聚合叶交换机 连接。

8. PTP 定时和同步

在媒体网络架构设计中执行锁定到卫星信号的冗 余精确时间协议（PTP）主时钟。正确的PTP 设计对 于确保ST 2110 系统中各种RTP 视频流、音频流和 辅助数据流精确同步至关重要。

9. 工作人员培训

由于新标准采用了大量新设备，设计团队为电视 台使用人员制定了一个系统的操作培训计划，从基本 的TCP/IP 协议到各种网络课程，帮助工作人员解决 在IP 化转型中遇到的各种技术问题。随着ST 2110 系统投入试运行，路由器控制、网络硬件和其他设施 设备的供应商技术人员也会进驻现场，提供设备操作 和维护的专业指导。2019 年初，福克斯与设备商联 合启动方案设计，2021 年年中，完成设备搭建与传 输测试。截至2022 年初，按照SMPTE ST 2110 标准 搭建的基于IP 的媒体制作系统已连续6 个多月平稳 运行。

10. 制作方式发生转变

与原来的数字分量串行接口SDI 或SMPTE 2022 标准相比，SMPTE ST 2110 标准的一个独特方面是它 允许分布式信号制作工作流。分布式信号制作是与原 有捆绑式制作方式相对应，捆绑式制作方式如SDI、 SMPTE ST 2022、NDI 标准，将视频、音频和元数据 组件绑定到单个流中，作为文件包进行路由传输。 分布式制作标准SMPTE ST 2110 与捆绑式制作 方式不同，单独管理视频、音频和元数据元素，并且 通过不同的工作流进行路由传输。单独的媒体元素可 以由专业的制作团队和设备单独处理，信号制作的所 有媒体元素最终都汇聚在同一个目的地。ST 2110 的 制作方式可以极大提高制作公司的灵活性，同时保证 信号制作画面质量。

11. 从SDI 向ST 2110 的发展趋势

从福克斯电视台到国际赛事，各国转播商逐渐采 用SMPTE ST 2110 标准，通过合并SDI 的某些组件 来简化过渡产生的影响。例如，转播商新购置的转播 卡车已经开始部署ST 2110 标准的摄像机和转播设备， 同时仍与基于SDI 标准的老式转播车和制作设备合并 使用。在信号传输带宽不理想的条件下，能够将视频 和音频信号压缩到100Mbps 的NDI 标准仍然十分重 要，因为，ST 2110 标准需要能够支持10Gbps 以上带 宽的IP 网络。根据信号制作成本、无损压缩标准和 设施设备要求，采用ST 2110 标准制作高清视频的带 宽要求约为2Gbps~3Gbps，这意味着ST 2110 标准并 不适用于通过互联网进行远程制作的情况，因为基于 互联网进行远程制作对带宽的要求要低得多。

按照目前发展趋势来看，SMPTE ST 2110 标准 未来可能会取代SDI，但目前很多信号制作仍需要 通过互联网进行低延迟和低带宽的视频流传输，尤 其是基于云存储的视频制作平台。由于制作的灵活 性和高效率，越来越多的转播商都已经向IP 转型， 这种转型为内容创新打开了更多机会的大门。未来 10 年，全球的转播机构和媒体公司会将SMPTE ST 2110、NDI、SRT 等多个标准结合在一起，采用基 于IP 的制作工作流，完成国际大型体育赛事的超高 清信号制作。

四 超高清体育直播面临的挑战

1. 基础设施成本

超高清信号无疑增强了观众的观赛体验，但 是转播商在制作具有高动态范围的实时4K 超高 清信号时还面临基础设施比较昂贵的成本压力。 设备处理能力和信号带宽要求都是传输链的每个 步骤中要解决的问题。此外，超高清信号的内容 分发也需要一个强大的端到端解决方案，该解决 方案需要管理整个分发网络的不同需求，使协同 合作公司能够接收到 4K 超高清内容并进行相应 的处理。

2. 提供多种信号格式

转播商需要提供多种高动态范围格式和各种方 法来制作超高清信号，从而平衡各类用户的不同需 求，通常使用一个完整的工具包来解决。目前各类 运营商和转播商都在加快观众内容个性化的推进， 因此需要确保以不同视频格式制作的本地内容和广 告仍然可以顺利插入4K 超高清体育赛事转播信号 源中。

3. 用户体验管理

超高清标准的核心竞争力在于它能带给观众身临 其境的视听体验，尤其是观看现场体育赛事直播。可 以说，超高清标准具有改变体育娱乐市场游戏规则的 巨大潜力。随着下一代音频和视频标准的确定，比如 杜比视界和杜比全景声，视频制作加工和信号传输系 统需要具备相对应的能力来处理和传输超高清信号， 从而将个性化的节目内容发送给最终用户。另一个需 要注意的问题是用户的观看体验与终端设备有关。对 于音频体验，运营商需要为使用旧式接收器的消费者 进行转码，使客户原有设备能够处理转码后音频信号。 对于视频信号，如果用户终端设备与特定超高清分辨 率不兼容，则视频编码过程中也需要考虑相应的解决 方案。

4. 内容个性化

运营商为客户提供有针对性的、更加个性化、具 有区域特征的内容，有助于提高观众的参与度。观 众参与度是内容提供商和广告商日益关注的焦点，市 场证据表明，通过营销、内容和广告针对特定观众量 身定制的内容策略是与观众建立有意义关系的有效方 式。这种方式可以提高客户忠诚度，同时提高观众的 满意度。

从2012 年伦敦奥运会开始，奥林匹克转播服务 公司和日本放送协会已经合作开发8K 奥运转播信号 超过10 年。从目前的发展趋势看，4K 超高清标准已 经非常成熟，4K 标准信号用于现场转播的优质内容 格式已经成为主流选择。支持8K 电视制作的技术正 在迅速增加，8K 标准从特定的高端转播案例逐渐过 渡到主流选择只是时间和成本的问题，最终它将成为 越来越多持权转播商的合理选择。

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