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8K超高清采集制作系统和工作流程分析

8K超高清采集制作系统和工作流程分析

8K超高清采集制作系统和工作流程分析

导语:8K电视节目制作尚处于初级发展阶段,其包括图像采集、记录、后期制作与显示多个生产环节。本文将围绕以8K GV HQX 编解码为核心的拍摄制作系统,探讨已在日本应用的8K内容采集、制作方法和工作流程,为开展8K制作工艺研究和应用实践提供参考。

(作者:中央广播电视总台 孙红)

  引言

  面向东京2020年夏季奥运会的需求,2018年日本NHK开通了8K频道,每天提供8K超高清节目内容,尽管8K影像技术已经在安防、医疗、虚拟现实、农业、艺术等相关行业有所应用,但是,8K广播影视节目制作仍处于初级发展、高端制作阶段。

  8K超高清具有高分辨率、宽色域、高动态范围、高量化比特的特点,其基本技术参数为分辨率7680×4302、色域BT.2020、HDR、量化位深10bit、帧率50、逐行扫描,色度取样可选RGB 4:4:4、YCbCr 4:2:2,无压缩基带数据量达到48Gbps,更高质量的8K图像参数可提升为量化位深12bit、帧率100p,呈现的画面明暗层次、色彩层次和数据传输量都会倍增。8K超高清不仅是技术参数的提升,更是全新的图像观感和视觉体验。

  8K研究与应用是以不断推进的超高清技术为核心,辅助高质量图像增强技术、数字广播技术和测试测量技术,数字广播图像处理/监控系统、设备不断推出与完善,实现了超高清图像采集、显示,实现了8K设备测试、测量和节目制作系统的解决方案。

  8K图像拍摄采集

  1.1 8K摄像机类型

  在图像采集方面,8K超高清摄影机/摄像机按照成像靶面不同,可分为三片1.25英寸、单片Super35mm和单片全画幅成像器件三种类型。

  如图1所示,8K摄像机AH-4801-E/G、AB-4815、8C-B60A 均采用单片S35mm CMOS成像器件,分辨率7680×4320,物理像素达到3300万。可配置多种规格的PL卡口镜头。

  AH-4801具有小型轻量的特点,支持帧率120p、60p,HDRHLG曲线,色度采样RGB 4:4:4,量化处理 12比特。可连接摄像机控制单元使用。

  8K摄像机系统AB-4815,体积小,重量轻,支持帧率120p/60p/50p,色域ITU-R BT.2020/REC.709,SDR/HDR/LOG Gamma曲线,色度采样RGB4:4:4 / 4:2:2,数字处理14比特位深,AB-4815可同时输出12G-SDI和U-SDI,实时输出8K/4K/HD信号,满足录制、监看等需求。配置全高清寻像器DF-3516,搭载小型1920×1080 OLED显示屏,支持HDR显示,具有峰值、放大2倍等辅助显示功能,通过取景器界面,可操作控制摄像机。使用摄像机遥控器RB-4816可以进行远程操作。适用于体育比赛、综艺活动、监控等应用场景。

  8K 摄像机8C-B60A是一款可以直接拍摄记录、直接4路12G SDI输出的8K摄录一体机。支持色域ITU-R BT.2020/REC.709,SDR/HDR曲线,色度采样4:2:2,帧率50p,量化10比特。本机内置SSD硬盘,可记录、播放8K图像片段。为8K现场拍摄、远程展示等应用提供极大方便。

  1.2 现场拍摄工作流程

  现场拍摄录制系统通常由摄像机、基站、视频切换台、记录服务器等设备组成,选择以下机型可使得系统构成相对简化。采用AB-4815摄像机系统的现场拍摄方案:

  AB-4815摄像机系统是实现8K现场拍摄较简单的方案,摄像机控制器可设置参数、调整光圈等遥控操作,直接输出4路12G SDI信号,可直接接入12G-SDI端口显示设备,或通过转换器连接HDMI端口显示设备;可接入8K录像机实现SSD硬盘存储8K数据内容;可接入其他8K设备进行数据处理、传输等操作。其中VC-8429是目前使用较普遍的12G-SDI/HDMI2.0端口信号转换设备。8K摄像机AB-4815系统现场工作流程如图2所示。

 

  采用8C-B60A摄像机系统的现场拍摄方案:

  8C-B60A拍摄录制系统可灵活方便地进行拍摄和本机SSD记录,并可本机播放在8K显示器上呈现,根据显示设备的端口类型,直接接入12G-SDI端口显示设备,或采用VC-8429完成12G-SDI×4通道到HDMI2.0×4通道的转换,在显示器显示,或采用SSD录像机输出U-SDI光信号接入显示器显示。8K摄像机8C-B60A系统现场工作流程如图3所示。

  8K摄像机8C-B60A周边设备还包括8K变换器、SSD录像机、数据转换盒、显示器等。在现阶段设备连接具有多种不同标准的信号接口的情况下,转换器起到了关键作用。

  8K变换器SC-8219将12G-SDIx4通道信号转换为适于8K电视机端口的3G-SDI×16通道信号。8K固态硬盘录像机HR-7518配备Quad Link 12G-SDI输入/输出,以及U-SDI输出,支持SSD存储硬盘MM-210/-1,其2TB规格可录制8K内容40分钟, 4TB规格可录制8K内容80分钟。

  8K 显示设备通常有12G-SDI×4、HDMI 2.0 ×4、HDMI 2.1×1、3G-SDI×16、U-SDI×1几种接口类型。多数8K电视机采用HDMI接口方案,8K监视器采用12G-SDI接口方案,还有其他接口方案,如55英寸8K液晶显示器DM-3814,分辨率7680×4320像素(兼容60Hz),采用3G-SDI×16视频端口,DM-3815采用视频专用端口U-SDI。

  8K视频记录和转换

  8K超高数据量需要进行压缩后再记录,目前可采用记录服务器记录4×XAVC 4K编码数据,组成一个8K文件;或采用8KProRes编码数据记录。以8K GV HQX编码压缩文件为基础进行记录和处理的系统如图4所示。

  该系统采用8K固态硬盘录像机HR-7518和8K摄像机8C-B60A内置SSD硬盘记录,其8K素材文件可通过数据转换盒、或8K录像机转换为8K GV HQX压缩文件上传到后期非编系统,目前支持8K GV HQX压缩文件制作的系统包括HDWS-8K (EDIUS),DaVinci Resolve 15 ,Adobe Premiere Pro。通过8K录像机HR-7518可直接接入投影设备播映。

  HR-7518支持GV HQX编码进行压缩记录,还可进行Dual Green双绿信号压缩记录和非压缩记录,完成从Dual Green方式8K到全分辨率、全规格的8K记录和播放,支持视频格式:8K RGB 4:4:4 59.94p,8K RGB 4:4:4 119.88p,8K YCbCr 4 :2 :2 50p,8K YCbCr 4 :2 :2 59.94p,8K YCbCr 4 :2 :2 119.88p。HR-7518-A是支持120p格式记录的机型。视频输入/输出端口为12G-SDI×4通道、U-SDIx1通道(符合ARIB STD-B58标准)、3G-SDI×8通道和数据传输端口USB3.0。支持记录最大32通道非压缩24bit音频。录像机配置固态硬盘双卡槽,为记录期间替换存储介质提供方便。

  数据转换传输盒HB-7517通过2条SAS 6Gbps电缆连接,在电脑上专用GUI操作,可将SSD硬盘MM-210/-1录制的8K视音频数据文件高速传输到后期制作非编工作站中,进行8K编辑制作。SSD存储视频格式/记录时间与HQX编码码率关系如表1所列。

  系统变换设备可对应8K目前多种格式、多种接口规格的需求。接口转换器SC-8221可以将8K 120p/60p RGB 4:4:4 12bit信号格式转换为8K60p YCbCr 4:2:2,实现8K U-SDI光输入到12G-SDI×4通道输出的转换。接口变换器SC-8220与SC-8221互为逆变换。

  交叉格式转换器SC-8219同时支持8K60p YCbCr 4:2:2、8K Dual Green、4K、HD各类图像信号输入/输出,实现相互间格式上变换与下变换处理,8K/4K/HD分别对应12G-SDIx4通道、3G-SDI×4通道、HD-SDI信号端口。支持32通道音频、映射、下混功能。SC-8219输入/输出互转信号格式如表2所列。

  接口转换器VC-8429主要面对8K 4通道12G-SDI转换为4通道HDMI2.0的需求,输入信号2-sample interleave division格式7680×4320 YCbCr 4:2:2 10bit,输出HDMI格式7680×4320 RGB 4:4:4 8bit、7680×4320 YCbCr 4:2:2 12bit、7680×4320 YCbCr 4:2:0 8bit。

  8K内容导入编辑

  采用8K编辑系统HDWS-8K、Adobe Premiere Pro系统等进行编辑制作,可处理50p、60p、120p8K文件内容,还可导入系统Davinci Resolve 15进行色彩空间和影调调整。制作工作效率与系统硬件配置、软件优化、素材文件的码率相关,如8KEDIUS编辑系统硬件配置建议不低于至强E5v4处理器24核,48线程,64GB RAM,6.0TB本地存储(1.0TB SSD×8 / RAID-50), NVIDIA P6000用于8K预览,P2000用于GUI。8K 60p图像主要压缩编码格式视频数据如表3所列。

  3.1 50p/60p8K内容导入编辑

  以SSD硬盘为介质,前期拍摄可采用摄录一体机本地记录、硬盘录像机记录两种方式,存储8K 50p/60p素材文件。当采用8K摄像机AH-4801时,连接控制单元AC-4813输出12G-SDI×4通道信号,提供给SSD硬盘录像机HR-7518记录,文件记录格式为分辨率7680×4320、60P、YCbCr 4:2:2。通过数据转换盒HB-7517,可将SSD 硬盘MM-210摄取的文件格式,转换为Grass Valley HQX Codec AVI格式输出,上传到后期制作系统非编工作站。上传持续时间是内容时长的二分之一。

  3.2 120p8K内容导入编辑

  以SSD硬盘为介质,前期拍摄可采用硬盘录像机可记录存储8K 120p素材文件。当使用AH-4801摄像机时,控制单元AC-4813输出U-SDI信号,提供给SSD硬盘录像机HR-7518,在SSD硬盘上记录120p 8K内容,文件记录格式为分辨率7680×4320、120p、RGB 4:4:4。通过数据转换盒HB-7517,可将SSD 硬盘MM-210摄取的120p8K文件格式,转换为HQX Codec AVI格式输出,上传到后期制作非编工作站HDWS-8K。由于数据量很大,上传持续时间是原始录制时间的100倍。

  8K扩展应用

  4.1 8K多媒体扫描转换系统

  在室内外大屏展示、4K/高清多信息共同展示等情况下,需要实时处理8K、2K分辨率多个尺寸视频图像的处理器。

  8K多媒体扫描转换系统MC-2086可从一幅8K图像中可切割出一个4K分辨率画面和一个HD分辨率画面分别输出,实现8K超高分辨率图像的拓展应用。该系统具有图像旋转、点对点显示、键合成、淡入淡出切换、音频等功能,通过采用独立缩放算法、视频检测兼容IP转换算法,进行10比特运算处理,通过网线连接PC、平板电脑,可登录服务器界面进行操作控制。8K多媒体扫描转换系统如图5所示。

  MC-2086配置插槽式输入输出接口,最多可插入16块板卡,支持32个视频通道,支持VGA/DVI/SDI/HDMI多种接口类型。

  系统中采用了变换器SC-8219将8K信号12G-SDI×4通道转换为3G-SDI×16通道,输入到多视频处理系统,输出3G-SDI×4通道的4K画面信号、3G-SDI的高清画面信号用于显示,或分别输入到4K、HD系统使用。

  4.2 现场拍摄8K视频服务器慢动作回放

  8K视频服务器SR-8428/8438具有慢动作回放功能,内置2块8TB SSD硬盘组,支持8K 240p格式4小时同时连续循环记录与播放,以及8K 60p 格式8小时录制同时连续循环记录与播放,支持Grass Valley HQX编码格式,通过遥控器远程控制,实现可调节慢动作播放,能够在录制期间创建组合片段注册、编辑、删除及多个片段的播放列表,同时输出4K和HD下转换图像。现场拍摄慢动作重播流程如图6所示。

  系统中采用摄像机AH-4801-E,通过SNAP 12光缆与摄像控制单元 AC-4813连接,经过转换器SC-8221将U-SDI信号转换为12G-SDI×4通道信号,通过8K视频服务器进行记录,可同时输出12G-SDI×4通道8K信号,以及下转换为4K3G-SDI×4通道、高清HD-SDI重放输出。提供给系统信号输出和图像监看、波形监测使用。

  结束语

  随着8K超高清技术的发展和8K内容需求的扩大,8K技术系统和制作方法、制作手段将会不断丰富和完善,而硬件系统性能的提升,将更有利于加快8K大数据量处理速度,提高8K节目制作效率,为制作更多更好的高品质节目提供必要、充分的技术条件。

  本文受国家重点研发项目课题《大色域/双高清视频信号的获取、编/解码及数字压缩等原理》(2016YFB0401904)资助。

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