基于5G+4K 超高清直播的廣播電視工程技術

張宏斌

（鄭州廣播電視臺，河南 鄭州 450000）

0 引言

在當今的廣播電視工程領域，5G 網絡與4K超高清技術的結合已成為一項重大的技術革新，對廣播電視制作、傳輸和接收過程的影響不容忽視。本文針對基于5G+4K 超高清直播的廣播電視工程技術進行深入探討，旨在解析5G 網絡與4K 超高清技術融合背后的工程原理及其對廣播電視行業帶來的深刻變革。5G 以其高帶寬、低延遲的特性，為4K 超高清視頻的實時傳輸奠定了堅實的網絡基礎。4K 即分辨率為3 840×2 160 像素的視頻技術，以其4 倍于傳統高清視頻的清晰度，為觀眾帶來了更為細膩和生動的視覺體驗。

1 5G+4K 超高清直播發展趨勢

5G 作為最新一代移動通信技術，其顯著特征包括高數據速率、低時延、大容量、廣連接和高可靠性，為高帶寬、高數據量的4K 超高清視頻傳輸提供了理想的通信環境。4K 分辨率，即3 840×2 160 像素，提供了比1 080p 標準更高的清晰度，使得視頻內容更為細膩、色彩更為鮮明。在5G 網絡的支持下，4K 直播不僅能夠實現高效的視頻數據傳輸，還能保證視頻播放的連續性和穩定性，從而提供無與倫比的視覺體驗。5G+4K 超高清直播技術在廣播電視工程中的應用已經顯示出多個發展趨勢，可提供高清晰度的視頻畫面，使內容更加清晰[1]。網絡基礎設施的優化升級，包括5G 基站的密集部署和高帶寬網絡的覆蓋擴大，都是實現高效4K 直播的前提。高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding，HEVC）也在不斷發展，以適應4K 視頻傳輸對數據壓縮和解壓縮效率的高要求。這些技術進步使得4K 視頻能夠在5G 網絡中實現高效、低延遲的傳輸，從而支持實時直播。5G+4K 技術在廣播電視領域的應用促進了端到端生態系統的建設。從視頻內容的采集、編輯、編碼到傳輸、分發和顯示，每個環節都需要相應的技術支持和創新。例如，4K 攝像機和編輯軟件的升級、基于云計算的視頻處理平臺的發展，以及更為先進的4K 顯示技術，都是這一生態系統不可或缺的組成部分，為廣播電視行業的商業模式創新開辟了新路徑。

2 5G+4K 超高清直播的廣播電視工程技術

2.1 5G

5G 是第五代移動通信技術，核心特征包括更高的數據傳輸速率、更低的延遲、更大的網絡容量和更廣的連接性。這些特性對于支持4K 超高清視頻直播的需求至關重要。5G 的高速數據傳輸能力可達到10 Gb·s-1以上。這意味著相比于4G，其下載和上傳速度提高了數十倍，從而為4K 視頻內容的實時傳輸提供了強大的支持。圖1 為5G+4K 超高清現場直播系統架構。5G 網絡的低延遲特性，即端到端的延遲時間低至1 ms，保證了直播過程的實時性和流暢性，對于保持直播視頻的連貫性和減少畫面卡頓現象至關重要[2]。5G 的大容量特性，即能夠支持更多設備的同時連接，對于廣播電視行業的直播活動來說意味著可以在更大范圍內、更多場合進行高質量直播，無論是大型體育賽事、音樂會還是其他重大活動，都可以實現高效的視頻傳輸。5G 網絡的廣連接性使得城市中心到偏遠地區都可以享受到高質量的直播服務，對于擴大廣播電視節目的受眾范圍、提高節目覆蓋率具有重要意義。5G 在廣播電視工程技術中的應用還體現在其對多種新興技術的支持上，如邊緣計算、云計算和物聯網等。邊緣計算的應用可以實現在網絡邊緣進行數據處理，從而減少數據傳輸到中心服務器的需求，降低延遲，加快響應速度，對于直播視頻的快速處理和傳輸至關重要。

圖1 5G+4K 超高清現場直播系統架構

2.2 4K

4K 亦稱超高清，具有3 840×2 160 像素的分辨率，是傳統1 080 p 高清分辨率的4 倍。這一顯著提升的分辨率不僅帶來了更加細膩和清晰的圖像，還極大地改善了視覺體驗的豐富性和沉浸感。4K技術的重要性在于它所提供的高像素密度，這使得圖像在更大尺寸的顯示屏上仍能保持其清晰度，對于大屏幕的廣播電視直播尤為關鍵。4K 技術的應用不僅限于提高圖像分辨率，還涉及色彩深度和動態范圍的改善。4K 標準支持更高的色彩深度，可達10 位或更多，這意味著它能展示更豐富的顏色范圍，從而提升圖像的整體色彩表現，提供更加清晰的視頻畫面[3]。此外，與高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）技術的結合進一步加強了4K 圖像的對比度，使得色彩更加鮮明，細節在高光和陰影區域更加清晰可辨。這些技術的融合，為廣播電視行業提供了前所未有的圖像質量，極大地改善了觀眾的視覺體驗。4K 技術的實施也伴隨著一系列的技術挑戰，特別是在其與5G 網絡結合用于直播時，對數據傳輸能力的要求極高。因為4K 視頻相較于傳統高清視頻，需要更大的數據帶寬來進行實時傳輸。這一挑戰在5G 網絡的高帶寬和低延遲特性下得到了部分解決，但仍需優化編碼和壓縮技術來適應不同網絡條件下的直播需求。

2.3 視頻信息采集與制作

視頻信息的采集涉及高分辨率圖像的捕獲，這在4K 技術中尤為關鍵。4K 分辨率要求采集設備具備高度精細的圖像捕獲能力。為此，采用高性能的4K 攝像機是必要的。這些攝像機不僅能捕獲具有更高清晰度的畫面，還能在不同光照和運動條件下保持圖像質量。視頻信息采集與制作地關鍵內容如表1 所示。編輯過程需要支持4K 分辨率，這意味著編輯軟件和硬件設備必須能夠處理大量的數據和復雜的圖像處理任務。色彩校正、剪輯和視覺效果的添加在4K 視頻制作中尤為重要，因為高分辨率的畫面能夠展現更多細節，對制作的精度要求更高。合成環節則涉及多個視頻源的融合，要求技術處理能夠在保持每個視頻源質量的同時，實現無縫的整合。編碼環節是制作過程的關鍵，特別是對于直播內容而言。HEVC 是處理4K 視頻的標準，能夠在保證視頻質量的同時，大幅度壓縮數據量，對于直播傳輸至關重要[4]。在5G 環境下，視頻信息的采集與制作還需考慮網絡傳輸的特性。5G 網絡的高帶寬和低延遲特性使得從采集現場到制作室的實時數據傳輸成為可能。

表1 視頻信息采集與制作關鍵內容

2.4 編碼設備的應用

在5G+4K 超高清直播環境下，編碼設備不僅需支持高分辨率視頻的處理，還需適應5G 網絡的高速傳輸特性。這要求編碼設備具備高效的壓縮能力，以減少傳輸數據量，同時保持視頻質量。HEVC 作為目前廣泛應用于4K 視頻的編碼標準，相比于先前的H.264/AVC 標準，以大約一半的比特率傳輸同等質量的視頻。這種高壓縮比對于4K 超高清視頻的傳輸至關重要，因為4K 視頻的數據量巨大，未經壓縮的視頻數據無法在現有網絡環境下高效傳輸，會影響設備利用率，難以滿足播放需求[5]。HEVC 編碼通過改進的編碼結構、增強的內部預測和更有效的熵編碼等技術實現了這一高壓縮效率。此外，編碼設備還需支持寬色域和HDR 視頻的處理，這些都是4K 視頻質量提升的關鍵因素。在5G 網絡環境中，編碼設備的作用不限于視頻數據壓縮。由于5G 網絡的特性，如低延遲和高可靠性，編碼設備還需優化視頻數據的傳輸過程，以適應網絡條件的變化。

3 結語

隨著5G+4K 技術組合的普及和成熟，廣播電視行業將迎來更高效的生產方式和更豐富的節目內容，將促進相關行業如網絡通信、電視制作設備制造等的發展，推動整個產業鏈的創新和升級。這項研究不僅為理解和應用5G+4K 技術提供了理論基礎和技術指導，也為廣播電視行業的未來發展趨勢提供了深刻的洞察。本文深入分析了這一技術組合的工程原理、應用挑戰和行業影響，展示了5G 和4K 超高清技術在改進和創新廣播電視工程技術方面的巨大潛力和價值。