8K超高清AVS3编码压缩平台的设计与实现

8K超高清AVS3编码压缩平台是中央广播电视总台8K超高清频道进网入户和在“百城千屏”公共大屏落地播出的重要支撑系统之一。本文主要介绍了该平台的设计与实现，并基于该平台的建设情况进行了关键技术应用和创新的总结与探讨。

作者：中央广播电视总台 李岩 许春蕾
来源：选自2022年第5期《现代电视技术》

一、超高清视频的特点

根据国际电信联盟（ITU）发布的超高清标准建议，将屏幕的物理分辨率达到4K及其以上的显示称为超高清。人们对视觉体验的极致追求是超高清技术发展的源动力，随着人们对于视觉感受的要求不断提高，视频信号在呈现需求上由“情景再现”转变为“逼真还原”，超高清视频技术得以飞速发展。超高清信号具有如下特点：

1. 高分辨率

8K超高清视频像素高达3300多万，分辨率为7680×4320，是4K超高清视频（3840×2160像素）的4倍，是高清视频（1920×1080 像素）的16倍。如图1所示。

2. 宽色域

超高清信号的色域范围相对高清信号有大幅提升。宽色域和高色深总是相伴而行，高清色深采用8bit，超高清色深采用10bit；高清信号采用Rec.709色域标准，超高清信号遵循Rec.2020色域标准。以CIE 1931色彩空间（人眼可见颜色范围）作为参照，Rec.709色彩空间仅覆盖了CIE 1931色彩空间的35.9%，Rec.2020作为目前显示设备中最大的色彩空间，覆盖了CIE 1931色彩空间的75.8%（如图2所示）。

这就是说，超高清信号可以重现的色彩范围远远超过了高清信号，可再现色域范围大幅提升带来的是更加鲜艳逼真的视觉体验。

3. 高动态范围

超高清信号的动态范围相对高清信号也发生了巨大变化。与传统的高清标准动态范围SDR（Standard Dynamic Range）相比，超高清信号所使用的高动态范围HDR（ High Dynamic Range）大幅度提高了电视系统的亮度、对比度以及彩色还原能力（如图3所示）。

标准动态范围SDR能显示的亮度范围为1000:1，高动态范围HDR能显示的亮度范围为100000:1，高动态范围表现在画面上就是能够同时获得更多暗部与高亮的细节信息，使得画面呈现更多、更丰富的图像层次, 带来更接近人眼的视觉感受。

高帧率也是超高清信号的一个重要特点。总的来说，8K超高清视频像素的提升使画面看起来更加细腻；宽色域、高色深、高动态范围使得人们能够获得色彩更鲜艳、更逼真的视觉体验；帧率的提高使得运动图像更加平滑，没有闪烁感。以上特点使超高清成为未来电视发展的必然趋势。

二、视频压缩及AVS3编码技术

1. 为什么要进行编码压缩

如何在一定的带宽占用下，获得尽可能高的视频质量，或者在相同视频质量的前提下，占用尽可能少的带宽，一直以来都是业内人士不得不思考的问题，压缩编码技术也就应运而生。所谓视频编码就是通过压缩技术，去除信号中时间相关性和空间相关性带来的冗余信息，在尽可能保证视觉效果的前提下减少传输视频数据率，接收端的解码设备按照解码算法恢复原始信号中的冗余信息进而复原压缩前信号。

通过编解码技术的发展历程（如图4所示），可以看出编解码技术标准从一家独大逐渐演化为百家争鸣。

视频技术的发展从标清到高清到4K再到现在的8K超高清，为用户带来日益清晰逼真的画质体验同时，也使获得这些极致体验所依赖的视频分辨率、帧率、色域、动态范围等指标成倍扩展，视频的数据量呈现井喷的态势，但传输的带宽资源有限，使得8K超高清信号的传输成为一大难题。

2. 为什么选择AVS3编码标准

8K超高清视频信号的信息量是4K超高清视频的4倍，如继续沿用上一代视频编码技术，压缩节目流带宽也将相应地扩大4倍，这将对广播电视节目的实时分发传输带来极大的压力，因此急需更高效的编码压缩技术解决8K超高清节目的编码需求。

AVS3编码技术是我国自主标准AVS系列编码标准的第三代技术，整体沿用混合编码框架，包括块划分、帧内预测、帧间预测、变换量化、熵编码、环路滤波等模块。相较于AVS2，AVS3在保留部分编码工具的同时，针对不同模块引入了一些新的编码工具，并采用了更灵活的块划分结构、更精细的预测模式、更具适应性的变换核，显著提升了编码效率。可根据可用传送信道的实际情况进行压缩码率控制，降低计算复杂度，在可面向广电机房部署的主流计算资源设备上形成解决方案，成为8K超高清视频编码的首选。

三、系统设计与实现

8K超高清AVS3编码压缩平台是“8K超高清视频制播关键技术和应用推广公共服务平台”项目的分平台之一，该平台的作用在于采用我国自主产权的AVS3编码压缩标准将8K超高清频道播出信号进行编码压缩后，通过传输网络传输至下游。该平台由8K超高清AVS3编码器、解码器以及其他确保系统功能实现和验证的附属设备组成（如图5所示）。

该平台实现对8K超高清主频道和8K超高清个性化频道的编码压缩。压缩码流面向家庭用户终端和“百城千屏”公共大屏终端呈现。

1. 编码压缩与信号接引

8K超高清AVS3编码压缩平台支持多路8K超高清节目的编码压缩。该系统包含多个独立的AVS3编码通道，用以满足面向家庭用户分发的8K超高清主频道以及面向各公共大屏分发的8K超高清个性化频道的压缩编码。

编码器输入的视频信号格式为：分辨率7680×4320，帧率50P，HLG/Rec.2020。编码器采用AVS3编码标准，视频编码遵循《信息技术智能媒体编码第2部分：视频》（T/AI 109.2—2020），对8K超高清信号采用基准10位档（profile）、10.0.60级（level）压缩编码，视频编码码率不超过120Mbps。

该系统采用异构设计，选用两个不同品牌的8K超高清编码器作为系统的主要设备，用以规避8K超高清编码器在初期阶段的安全播出隐患。由于两个品牌的编码器现阶段均不能支持光纤端口（100G）直连输入，在信号接入编码器前需要先进行转换，该转换由信源交换机完成。播出系统输出的IP信号（SMPTE ST 2110标准）通过光纤进入信源转换交换机，经转换后分别接入8K超高清AVS3编码器，即每台编码器的两组输入信号分别来自两台信源转换交换机的信号输出，构成输入备份，由编码器进行SMPTE ST 2022-7的选择。

2. 输出码流调度分发

编码器编码后的TS/IP信号分别进入主备IP信号调度矩阵进行调度分发，每台8K超高清AVS3编码器有2个IP输出端口，两个端口输出信号内容一致，输出端口1的信号接入主IP信号调度矩阵， 输出端口2的信号接入备IP信号调度矩阵。

系统输出码流通过IP信号调度矩阵分发至台内有线电视、国干网和“百城千屏”集成调度平台。送往国干网的信号分阶段按照不同省市面向全国家庭用户分发；送往“百城千屏”集成调度平台的信号经过平台处理后送至光缆运营商，最终面向全国各省市超高清公共大屏进行分发。

送至下游的信号通过IP信号调度矩阵根据各下游所需信号的内容差异进行端口访问控制，用来控制端口进出的数据，包括限制网络流量，允许特定设备访问，指定转发特定端口数据包等。为了保证内网的安全，通过安全策略来保障相关用户只能访问特定的网络资源。输出码流采用静态组播方式，对下游采取只推流策略，入口方向不允许进入任何数据，最大限度保障网络安全。

3. 解码及监看监听

系统配备了8K超高清AVS3解码器，从IP信号调度矩阵接引各编码器输出的TS/IP信号，并进行指定网卡和地址的解码，可根据监看需求通过选择解码器输入信号组播地址，来实现对编码器信号的灵活解码监看。解码器输出4×12G-SDI基带信号，通过8K信号分配及处理设备分别输出4×12G-SDI信号与HDMI2.1信号，4×12G-SDI信号用于设备侧监听监看，HDMI2.1信号用于8K超高清大屏展示。

4. 系统控制与管理

系统内信源交换机、8K超高清AVS3编码器、主备IP信号调度矩阵及8K超高清AVS3解码器的控制端口均连接至控制信号汇聚矩阵，可以通过系统配置终端来实现统一管理控制。

四、关键技术应用和创新

1. 全IP系统架构

8K超高清AVS3编码压缩平台立足于总台的8K超高清信号业务应用，突破了传统的SDI信号架构，采用了全IP构架模式。系统信源采用SMPTE ST 2110标准封装传输，系统信号均按照TS/IP流方式进行调度分发，充分立足于8K超高清信号应用实际，具备很强的实用性和前瞻性。

在播出信号的接引方面不再受限于传统基带系统的4×12G SDI信号绑定并行传输的方式，而是采用SMPTE ST 2110标准封装的IP方式传输无压缩的8K信号。SMPTE ST 2110标准让音频、视频和辅助数据流可以分开传输并实现同步，在终端重新进行汇聚，这就保证了IP流中的每个组成部分既能保持独立，又能实现同步。

8K超高清信号由4路4K信号拼接而成，拼接方式选择“SQD”方式，即四等分分割，四画幅分别为左上、右上、左下、右下。通过IP光纤方式连接，接口带宽设定为100G。

在数据带宽方面，1路2160p@50视频信号按SMPTE ST 2110-20标准进行封装，带宽为8754.9Mbps，1路采样频率为48kHz的音频信号（包含8声道）按SMPTE ST 2110-30标准进行封装，带宽为9.7Mbps。由于辅助数据带宽极小，对于8K超高清IP信号传输带宽计算影响可以忽略不计。

1路50p 8K超高清信号，带宽计算为：4×8754.9Mbps+4×9.7Mbps=35058.4Mbps，总计约为34.3Gbps。所以现阶段对于8K超高清50p信号，单一100G链路可以承载2路8K超高清信号。

这样的设计节约了系统接口，简化了系统链路，具有传统SDI方式难以比拟的高灵活性、低成本和广泛可用性，在8K这种大带宽系统的规划和实践应用中，使业务流程更合理，运行维护更便捷。

2. AVS3视频编码技术的应用

8K超高清AVS3编码压缩平台采用了我国自主产权的AVS3编码压缩标准。该标准是为8K超高清视频信号编码压缩“量身定制”的，该技术的出现极大平衡了高画质视频重建及高效率视频压缩，初步解决了8K超高清视频大信息量及新一代编码算法极高复杂度的实时编码难题。此次8K超高清AVS3编码压缩平台的成功搭建是对该技术先进性的进一步验证，全面推进了AVS3编解码标准落地应用，将有效推动AVS3编码技术在8K超高清商用场景进一步应用。

3. SMPTE ST 2022-7提升了系统安全性

播出域送出2组8K超高清播出信号，分别送入8K超高清编码压缩平台主备信源交换机，经交换机进行接口转换处理后输入8K超高清AVS3编码器。每台编码器的两组输入信号分别来自两台信源转换交换机的信号输出，构成SMPTE ST 2022-7输入备份，由编码器进行选择。

SMPTE ST 2022-7标准与传统的主备路概念不同，两个传输流之间是一种互补关系。具有相同内容的两个数据流在不同的链路中传输，这两个流具有相同的RTP包头和RTP有效负载信息，在接收端（本系统是编码器），分析收到的两个数据流，进行数据包级别的无缝切换，最终获得重组后的数据流，重组后的流具有和输入流相同的RTP包头和RTP有效负载信息，如图6所示。

2022-7A流和2022-7B流同时都在激活状态，假如2022-7A流发生丢包，则使用2022-7B流传送的数据包，反之亦然。于是重建流中可能出现第一个数据包来自2022-7A流、第二个数据包来自2022-7B流、第三个数据包来自2022-7A流的情况。单一链路丢包和信号路由的切换不会造成输出信号的中断。由链路倒换进化到数据包倒换，传统基带系统无法做到的无缝切换终于在IP系统中得以实现。这样的设计使最终获得的数据流更加稳定可靠，有效地提升了系统的安全性。

4. 时间戳的携带和提取

8K超高清AVS3编码压缩平台送往“百城千屏” 集成调度平台的信号经过平台处理后，通过光缆运营商专线传输至全国各城市超高清公共大屏进行分发。公共场所的大屏，在有的情况下不宜播放声音，但是观众有观看大屏节目时听到同步音频的需求。在这种情况下，独立传输一路个性化音频让观众通过自身携带的便利设备如手机等进行同步收听成为一个很好的解决方案。

由于大屏位置不同、不同传输网络的延时不同，造成解码视频播放延时不同，在节目传输码流中添加时间戳，通过大屏解码终端提取后上传至中心平台，经过中心平台识别，便可向用户推送和用户所在大屏视频播放一致的个性化音频，确保用户可以获得声画同步的观看体验。观看公共大屏的用户可以通过手机扫码方式进入“百城千屏随身听”小程序，获取到8K超高清大屏实时的节目音频信息。

在此平台中，8K超高清AVS3编码器通过系统PTP来获取时间戳，通过PES_private_data来传输Time stamp信息，由超高清公共大屏终端解码器进行提取后上报。

5. 全新空间媒体传播矩阵的构建

8K超高清AVS3编码压缩平台的节目信号除了进入家庭用户通过电视频道传播的方式外，还在全国多省市上百块超高清大屏上同步播出，这种电视频道加地标大屏的融合方式，构建了全新的空间媒体传播矩阵，建立了新的传播体系，将进一步带动超高清产业发展，推动超高清技术成熟落地。

五、结束语

中央广播电视总台8K超高清频道开播暨“百城千屏”公共大屏项目于2022年1月24日正式启动。业界人士认为，这是推进我国8K超高清技术应用探索和跨越式发展的重要一步，标志着中国在超高清技术的应用探索方面走在了世界第一方阵。2022年2月4日，多个8K超高清大屏对北京冬奥会开幕式进行了实时直播，观众伫立在大屏前，将开幕式的流光溢彩和局部细节尽收眼底，获得了亲临现场的视觉体验，享受到无与伦比的奥林匹克盛会。