第二十四届冬季奥林匹克运动会于2022年2月4日至2月20日举行，本次冬奥会共涉及北京、延庆、张家口三个赛区，京张客运专线是一条连接这三大赛区的城际高速铁路，不仅是此届冬奥会的重要交通保障设施，也是中国第一条采用自主研发的北斗卫星导航系统、设计速度350公里/小时的智能化高速铁路。
“科技冬奥”是2022年北京冬奥会的主要特色，基础设施建设、人工智能、转播技术等多个业务领域围绕该主题，在各个方面进行相应的研发及应用测试。为了更好地达成“坐着高铁看冬奥”这个美好愿景，冬奥组委、中央广播电视总台（以下简称“总台”）、中国国家铁路集团有限公司（以下简称“国铁集团”）、中车长春轨道客车股份有限公司以及通信运营商联合在京张高铁上搭建基于5G网络的超高清演播室，全球首次实现了在350公里时速高铁列车上的超高清节目直播制作。
本文主要介绍了高铁5G超高清演播室基本情况，详细阐述了视频系统技术架构及其核心技术优势，并对5G超高清演播室在节目中的应用模式进行解析。
一、高铁5G超高清演播室
作为2022年北京冬奥会重点交通配套工程，CR400BF-C型智能动车组搭载更先进控制平台和全新外观设计，以智能、抗高寒和服务奥运为最大特色，是中国高铁历史上第一次根据线路需求特别“定制”的高速列车，搭载了全球首个高铁5G超高清移动演播室。
总台联合国铁集团以及中国移动、中国联通两家运营商，在北京北动车段以及京张沿线（北京北—太子城区段）开展5G信号覆盖、车地回传能力和车内无线网络传输性能等相关测试，同时进行演播室系统预搭建联调，包括4K信号推流、景观机位和游动机位IP化接入、视音频对接及灯光调试等。按照各方讨论协调，最终决定对CR400BF-C-5162动车组8号车厢进行改造，完成演播室布景及导播区搭建工作。
整节车厢长约8m、宽约3m，可分为18m²的演播区和6m²的导控区两大部分，8号车厢导控区两侧分别为视频、传输系统和音频、动力系统，车头车尾景观机位各一，游机可在1~7车厢移动。
1. 高铁5G超高清演播室视频系统
项目建设初期，演播室视频技术团队拟计划建设以NDI编码传输以及实时制作技术为核心的IP化超高清演播室，演播室系统分为：视频系统、内部通话系统、音频系统及传输系统。因高铁车厢环境的特殊性、高铁列车供电模式及供电标准等限制因素，该系统的设计建造必须严格满足高铁运行安全，同时必须兼顾总台播出安全。经多次实地踏勘后，综合考虑包括车厢大小空间、车辆电磁兼容管理、节目制作需求等在内的多方面因素，最终技术团队以功能全面、轻量化、灵活性为核心进行演播室相关系统的搭建。
高铁5G超高清演播室视频系统由主备融媒体切换台、超高清便携摄像机构成，可以满足2022年冬奥会、冬残奥会期间在高铁上进行高清/超高清节目的录播和直播制作需求。系统可接入3路固定机位信号、1路游机信号和2路景观机位信号，共计6路信号源，游机和景观机位通过车载网络由UDP或SRT协议传输给切换台。
游机信号传输至切换台后，由切换台解嵌出游机的话筒信号输出至调音台，再由调音台混合高铁5G演播室现场音频信号后，分别输出给视频主备切换台，最终切换台将制作好的PGM信号输出给5G背包回传至总台进行制作和播出。
视频系统能够接入4路HD/UHD信号，同时可以接收RTMP、UDP或SRT等网络协议信号，且主备切换台可以通过NDI协议实现输入输出信号的互通，输出支持HD/4K信号。系统可实现基带信号及IP信号混合切换制作，同时也可在高清和超高清制作模式间进行快速切换。
高铁5G演播室视频切换制作输出的高清信号，通过5G传输系统回传至总台新媒体集成发布平台，可依据节目需求进行网络直播，或提供给总台演播室作为外来信号使用/收录。高清制作系统具备主备直播链路，可同时输出主备两路PGM经背包回传至总台新媒体集成发布平台，或者依据节目需求回传其中任意一路机位信号。
高铁5G演播室视频系统输出的一路4K超高清信号，通过5G传输系统回传至集成发布平台，之后可由总台超高清演播室进行收录、编辑和播出。
2. 高铁5G超高清演播室技术优势
由于冬奥专列5162动车组8号车厢物理空间有限，高铁5G超高清演播室视频系统从一开始在设计概念上就有别于传统演播室，再加上动车用电安全要求，使得我们技术团队需要在最大程度保留演播室功能的基础上简化设备。
NDI作为一种开放式传输协议，能够通过IP网络进行超低延时、无损传输以及交互控制，其在标准千兆网络上的卓越性能可支持构建功能极其多样的轻量化IP视频系统，通过IP相互识别和通信，能够实时编码、传输和接收多路高质量、低延迟、帧精确的视频流和音频流。
与此同时，将SDI或HDMI视频源编码成UDP/SRT流，通过有线网络或无线WiFi网络进行传输，接入切换台将UDP/SRT流转码成NDI流，即可与基带信号混合切换制作。如此，满足车头车尾景观机位信号的远距离调用，减少布线成本和部署时间，很好地满足高铁5G超高清演播室多机位视频制作需求，所以我们最终选择以4K NDI融媒体切换台为核心搭建演播室视频系统，使5G超高清演播室拥有轻量化、灵活性、稳定性等技术优势。
（1）轻量化
视频系统具备轻量化特点，包含2套主备融媒体切换台（2U机架式）、4台超高清便携摄像机（3个固定机位、1个游机机位）、2路景观机位。融媒体切换台可接入4路HD/UHD基带信号，同时可接收IP流信号，即可通过高铁车载网络接收多个广播级质量信号，支持基带信号及IP信号混合切换制作，效率高、可移动化、功能全面。
（2）灵活性
京张城际铁路全线长约174公里，时速350公里的列车意味着高铁运行的单程时间是固定的且时长很短，同时总台多个频道和新媒体平台均提出节目制作需求，考虑到高铁5G超高清演播室使用率，为确保最大密度地承接节目制作，视频系统设计要在集成、应用、维护、功能拓展等方面具备更加简单、灵活的特性。
因此我们设计系统时，优先考虑其灵活部署和应变能力，使得系统具备快速切换多种制播链路模式的功能，涵盖4K/HD制播应用场景，灵活适配新闻类、科技类、体育类等不同类型节目需求，使系统适用于总台各频道及新媒体平台4K/HD节目制作。
（3）稳定性
视频系统融媒体切换台核心渲染运算处理采用VT板卡处理，几乎不占用PC端资源（如CPU、内存、显卡GPU等），由于采用硬件板卡的渲染处理，其提供的全部功能可以无限制条件使用。同时，切换台支持视频信号动态调取低码代理码率技术，只有当信号切换到PGM母线时，才会无缝自动切换到FULL NDI全码码率，真正实现大规模NDI IP信号的集中调取使用，支持大规模复杂NDI IP节目制作扩容，最大程度降低对PC系统的资源占用，提供高级别、安全、稳定的节目制作环境。
二、高铁5G超高清演播室节目应用解析
1. “瑞雪迎春”冬奥列车首发
2022年1月6日，北京冬奥列车暨高铁5G超高清演播室在京张高铁清河站上线，“瑞雪迎春”涂装的北京冬奥列车首发，在“清河—太子城—崇礼—太子城—怀来—清河”运行3个多小时内，高铁5G超高清演播室正式启用，先后完成了CGTN“特别节目——搭乘北京冬奥列车，一览总台5G超高清演播室”直播、体育频道4K节目收录制作，以及央视新闻特别节目《开往冬奥的列车》直播。
首发当日，3档节目制作需求各不相同，根据首发路线及时间表，上述节目依照CGTN、体育、央视新闻的顺序接力完成直、录播，按照列车运行站点分为3个时段制作。
其中，按照CGTN特别节目要求，我们将前方切换制作后输出的PGM信号和车头景观机位信号回传至总台高清演播室，进行前后方联动制作，该节目从采集端到制作端、再到播出端的制播链路均为高清信号；按照体育节目要求，我们将前方演播室输出4K PGM信号回传至总台超高清演播室进行收录、制作、播出，节目从采集端到制作端，再到播出端的制播链路均为超高清信号；央视新闻则是在新媒体端直播高清节目。
因此，在3个多小时内，高铁5G演播室视频系统需要由高清制作模式切换至超高清制作模式，然后再切换回高清制作模式，两次系统制作模式调整时长极短，需要频繁且快速地在HD/4K间进行切换，对视频系统灵活性及稳定性有极高要求。
为确保“瑞雪迎春”复兴号首发当日的相关节目播出安全，总台技术团队自2021年12月起就积极与各部门沟通，严格按照总台直播信号制作标准，从安全播出角度制定详细的工作方案和应急方案。
视频系统提前与各相关工种进行测试与联调，配合3档节目工作人员进行彩排和演练，反复核对各个节目直播制作流程及衔接间系统切换步骤，对系统关键环节都设置了备份链路，依照制定好的详细工作流程和应急方案，在不同终端、大小屏间实现了冬奥专列首发相关内容互融贯通，实现了技术创新与节目应用的完美融合。
2. 高铁5G演播室全类型节目应用
高铁5G超高清演播室正式上线投入使用后，陆续接到总台CGTN、新闻频道、体育频道、综合频道多档节目拍摄意向，针对新闻类、科技类、体育类、生活类等不同类型节目特点，视频系统能够灵活调整技术方案以适配不同的制作需求。系统在保证高效、稳定的同时具备一定的扩展能力，将在北京冬奥会和冬残奥会期间为总台多个频道和新媒体平台提供多样化的融媒体内容生产技术服务。
文章来源：现代电视技术
