浅析8K超高清播出与分发业务的拼接显示

为促进我国新一代信息技术产业和文化产业整体实力提升，开展超高清视频落地推广和8K节目个性化的运营需求，根据《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022年）》，通过前期对8K超高清电视节目播出的实验探索和经验积累，中央广播电视总台于2022年1月正式开播运行了8K超高清电视公共服务平台，这对构建总台8K超高清产业体系高质量发展具有重大意义。

总台复兴路办公区8K超高清播出与分发系统作为落实推动8K超高清电视产业链发展的关键部署，实现了8K超高清电视节目播出的系统性创新和实践性探索。随着现代数字化媒体科技的深入发展，拼接显示自身也实现了网络化、内容化、可视化、智能化等综合性应用的逐步升级。

为了完善播出调度指挥、强化应急措施手段、提高视音频监看水平，更有效地将8K超高清播出与分发系统信号链路和网络设备的监测报警信息进行集中展现，总台在8K电视播出机房通过搭建整面拼接大屏幕墙，集中展示8K超高清播出与分发业务的实时监测监看状态，不仅为系统应急提供了准确可靠的依据，而且全面提升了节目安全播出的效率和质量。

一、集中监看拼接显示简述

在8K超高清播出与分发系统，集中监看的目标是通过综合管控与技术应用，对信号链路和IT架构的运行情况进行集中监视，实现系统故障与异常的实时发现与通知。当前广电行业领域大多采用拼接显示和多画面分割作为电视信号集中监看的重要工具。

拼接显示通过信息综合汇聚，集中展示视音频、数据和图像等信号，由多组显示单元组合，通过拼接控制器控制各个显示单元，依据算法排列，重新组合、任意划分，每个显示单元不仅可以显示一个信号窗口画面，也可以只显示整个画面的一部分，全部显示单元组合在一起构成一幅完整的画面。多画面分割兼顾各种设备发生的信号，采用图像压缩和数字化处理的方法，把几个画面按一定比例压缩在一个显示单元的屏幕，画面越多清晰度越低。

目前，从专业性角度来看多画面分割更趋于稳定，相比多画面分割而言，拼接显示可以具有超高清晰度、大视角、任意组合等特点，都有助于完善整个系统的预警机制，提升系统资源利用率。

考虑到节目视频信号接入多样性、节目表现形式、以及设备在节目播出安全方面等需求，8K超高清播出与分发系统采用了拼接大屏幕来进行各级信号的集中监看，实际拼接显示场景如图1所示。

二、拼接显示整体设计

由于在8K超高清电视节目播出信号传输监看过程中，日常监测显示的信息量非常大，需要选择弹性结构拼接、构成逻辑显示、结合实际需求、遵循科学的设计原则，坚持高标准、严要求，突出适用性、经济性和创新性的特点。

1. 系统需求分析

伴随着广播电视技术的加速发展，嵌入式硬件拼接、多屏图像处理、信号切换等电视屏幕墙相关技术的发展和完美整合，根据8K超高清播出与分发系统选择合适拼接方式，满足系统的总体结构要求，按需建设，合理布局。

针对实时动态的视音频信号和网络信号，拼接画面显示效果要能够达到超高清节目画面显示需求，实现12G SDI信号、HDMI 2.0信号的输入，模块化结构设计，灵活配置，具备8K超高清源码信号的大屏幕拼接显示。

拼接显示系统设计需要充分考虑整个系统运行的安全策略和机制，合理冗余配置，均衡调整负载，保证设备不间断长期连续运行，在不影响系统运转的情况下进行可行性检测，提高人员的决策效率。拼接显示系统在兼顾良好性能和质量的基础上，需要考虑经济性和节能性，支持二次性能开发，具备增加新设备和新功能的能力，方便扩容，支持可视化综合管控。

2. 显示单元构建设计

拼接显示的全部输入信号通过拼接控制器处理后分配输出至每个显示单元，显示画面可以跨越显示单元边界，各路信号均以窗口的形式显示在大屏幕墙上。系统拼接大屏幕墙的24个显示单元采用LED2显示屏进行集中监看，每一个显示单元可支持4K@60Hz超高清信号的输入，LED的色谱特性使得显示单元具有更好的色彩表现范围和色彩饱和度，可以实现逐帧亮度调节，通过数字化控制，色温恒定，屏幕亮度和色彩均匀性更好。

除此之外，每个输出显示单元都有足够带宽，在多个显示单元设备上显示多个实时信号窗口，拼接多个显示单元，传输多路信号，实时高分辨率数字化图像和视频信号处理，达到高清晰、无延时、连续流畅、不丢帧。

整个拼接大屏幕物理架构宽度10.738米，高度2.307米，如图2所示，包括3×8个60寸的显示单元，由8K超高清IP集成分发（左侧3×2）、综合监控管理（中间3×3）和8K超高清电视播出（右侧3×3）三部分业务板块组成。

3. 信号窗口布局设计

基于自定义的高性能结构，拼接显示信号窗口整体布局合理规范，界面友好直观，更新速度快，显示灵活，对视音频信号采集优化，完美实现图像画面在拼接显示上的分割、融合。

为了能够充分利用大屏幕墙的空间占用，保证信号窗口功能性区分，对各个显示单元进行合理的拼接和划分，设置的拼接信号窗口布局如图3所示，拼接大屏幕左侧的6个信号窗口用于8K超高清IP集成分发，中间的信号窗口用于综合监控管理，右侧的10个信号窗口用于总台8K超高清电视播出的各路信号监看。

4. 拼接大屏幕与操作台工位结构设计

由于人眼观看大屏幕有一定的视觉范围，在进行拼接显示系统设计的时候，考虑到播出工作人员的视角覆盖面，为了满足人员更高的可视度，同时能兼顾人员播出控制操作，对拼接大屏幕和操作台工位进行了合理规划设计，当操作台工位的显示屏放倒至水平20°时，工作人员坐姿可以看到整个拼接大屏幕；当操作台工位的显示屏保持直角时，工作人员站立依然可以保持良好的集中监看视角，如图4所示。

三、拼接控制实现方式

拼接控制器作为8K超高清播出与分发系统集中监看拼接显示的核心设备，实现了控制功能增强、接口类型丰富、软件平台化，信息汇聚、监控、发布及处理直观灵活，具备集成性、先进性和智能化等特点。

1. 拼接控制技术应用

在图像和视频处理方面，拼接控制器对输入信号进行了无压缩4:2:2帧处理和无级缩放算法，使图像细节清晰可见，拼接画面显示同步流畅，高速运动画面也会连续不卡顿。

拼接控制应用了边缘融合技术，让一组拼接画面实现边缘重叠，通过融合促使重叠处的亮度与整个拼接大屏幕保持一致，显示出一幅无缝隙、超大、分辨率超高且更加明亮的画面，通过垂直同步技术对LED显示屏上下两个屏幕间画面的横向撕裂进行补偿，使整个大屏在显示横向快速移动画面时能够实现拼接屏间图像和画面完全同步，无撕裂现象，特别是对8K源码信号的拼接显示处理效果更为突出。拼接控制的技术应用还包括多相位滤波技术，即使图像缩放后，屏幕显示画面依然清晰、色彩完整，配合LED显示屏可获得更好的应用效果。

在音频处理方面，拼接控制器可以实现内嵌音频与视频同步切换，以音柱形式在信号窗口显示，音频设置与视频窗口一起保存为音视频混合场景，随需调用。

2. 拼接控制信号处理

拼接控制设备的集成度高有助于系统建设，智能化强有助于运行管理。拼接控制器通过对拼接视频的特优化算法，综合智能化处理8K超高清信号，还原了画面色彩、保留了图像细节。音频信号传输，灵活完成随路音频同步切换、多路混音输出等处理，达到系统音频信号的完好呈现。通过智能选择信号源窗口，针对不同信号源，实现信号类型的广泛兼容，快速完成拼接显示。

拼接控制器的输入端包括12G SDI信号和4K HDMI信号，用于8K超高清播出与分发系统的节目播出和专业终端解码设备集中监看，还有HD HDMI信号用于拼接大屏幕综合监控管理显示和集成分发流调度监测状况显示。经过专业化拼接信号处理，拼接控制器通过24路4K HDMI信号输出至拼接大屏幕显示单元进行集中监看。

3. 拼接控制管理

拼接显示的控制管理是由软件统一实现，控制软件通过并入一体化管控体系中进行统一管理，用来实现拼接大屏幕墙画面设定，显示内容的集成可视化预案编辑处理，综合操控多种显示源，采用专业分布式B/S架构的控制方式，在软件界面对信号源进行灵活的多方位管理，界面以二维图形显示设备运行状态，进行实时检测，便于异常情况的及时排查处理。

四、关键业务实施

1. 系统特性介绍

跟随广电技术的IP化整体发展趋势，系统的IP化特性，8K视音频信号需要有IP功能性设备的支撑和调度，才能实现优质的节目信号传输。目前，总台8K超高清电视播出业务共配置了3组相互独立、完全异构的ALL IN ONE 8K视频服务器，负责MXF封装格式文件素材的解码播出、标准的8K外来信号的选切播出和叠加台标、图文包装等功能。

IP信号调度矩阵作为一个交换机属性设备，在8K超高清电视播出系统内的视音频信号采用基于SMPTE ST 2110-20/30/40及SMPTE ST 2022-7标准的无压缩IP信号，系统内的无压缩信号以IP信号调度矩阵为核心，通过符合规范标准的组播流方式进行调度，根据总台统一的组播地址规划分配不同的IP地址，为不同的业务需求提供对应的通信服务。

2. 8K信号码率监看优化

在拼接显示进行集中监看时，需要保证所显示的系统内8K信号的清晰度和真实性，若要获取所有8K信号的IP源码，会极大消耗系统资源，这就必须考虑综合成本，所以在兼顾更多的源码信号监看的同时，还需要在对应相同8K设备配置与源码信号一致性的低码率代理信号进行无损传输，才能更经济有效地保障信号异态时的监看显示准确无误。

系统业务平台通过对相应的源码信号和低码率代理信号进行策略分配，汇聚输入拼接控制器，拼接控制器再将拼接大屏幕的所有输入信号完成处理，通过HDMI方式传输送至各显示单元，进而实现系统各路信号的大屏幕集中监看。

3. 拼接显示核心业务

系统的业务关联性展示，是拼接显示的重点属性，各路信号通过功能性设备输出进行集中监看，拼接显示信号业务拓扑如图5所示，系统综合显示信息极大地满足了可视化需求，保障了8K超高清电视节目播出和IP流调度集成分发运行的安全、稳定、可靠。

（1）8K超高清电视播出

总台8K超高清电视播出部分包括3个播出通道用于8K节目的播出运行，其节目源主要有外来8K直播信号和本地8K素材文件，这些信号经过8K视频服务器的处理和解码，由IP调度矩阵进行地址调度分配，再将信号传给画面分割器进行多画分，以此提高了信号的传输效率。

画面分割器传输给拼接控制器的信号有4路12G SDI源码信号和6路HDMI 2.0的源信号作为频道日常业务信号监看，还有1路8K源码末级SDI信号，作为特殊场景需要时调用，如图6所示，此画面由9块显示单元拼接而成，整个画面分辨率可以达到9倍4K超高清的效果，即9×3840×2160像素，是8K分辨率（7680×4320）的2.25倍像素，极大提高了8K超高清节目拼接显示效果。

（2）综合监控管理

综合监控管理的大屏幕拼接监控展示信号则是由监控管理工作站通过HDMI方式送给拼接控制器，主要负责整个系统内各资源池的设备及链路问题报警，频道各通道应急倒换信息报警，以及在网络拓扑架构下的分区域各类报警信息展示。

（3）8K超高清IP集成分发

8K超高清IP集成分发业务主要是对多路8K AVS3节目流调度分发，将不同的UDP组播流分别调配给对应的终端用户，并且进行集中管控和实时监测，实现8K超高清电视节目的个性化播出及终端解码播放。平台中专业解码设备输出的特定流调度信号通过HDMI方式传输给拼接控制器进行大屏幕拼接显示。除此之外，系统内一体机端以HDMI方式将一路信号传输给拼接控制器进行拼接显示，主要用来集中监看全国各地解码终端设备状态、分发IP调度状态、抽帧画面比对、单据接收、分发告警事件统计等信息。

五、结语

随着超高清信号时代的到来，在节目安全播出过程中，通过拼接显示进行集中监看，既有助于精准判断故障信息，又能让问题发掘统筹兼顾，通过合理、有效的现代科学技术手段，进一步提高集中监看水平。

传统意义上更大的屏幕总是意味着PPI分辨率的下降，但是技术的持续革新发展不仅推动了行业迭代升级，也正在改变一些传统规律，8K超高清带给人们沉浸式的空前视觉享受、先进的显示与信息处理、更好的传输应用与效果展现，然而更高的数据通量，对设计构建的冗余、稳定和可靠也都提出了更多的挑战，对行业新标准的开发与适用，更是一场技术的变革。