体育赛事的5G+VR 电视制播技术分析

高 宇

（北京广播电视台，北京 100022）

0 引言

计算机仿真技术的发展让VR 全景视频成为观众进行新型赛事体验的渠道。观众不仅可以观看更具空间效果和立体效果的视频，还能在仿真空间下体验虚拟的现实场景，沉浸式地体验运动的乐趣。在2016 年的里约奥运会播出平台中，NBC、CBC及BBC 等电视台就已经推出了体育赛事的VR 观看客户端，甚至在进行转播时，专门设计了针对整个赛事流程的VR 组件，实现了对某些体育项目的VR全景播放，大大提高了观众的临场体验感。同时，伴随VR 技术的发展和用户数量的不断扩大，很多移动智能终端和社交媒体平台都推出了VR 视频的播放功能，以适应越来越多的VR 视频内容的发布和观看需求。VR 全景视频的制作和传输需要更先进的移动通信技术的支持，5G 技术的网络能力能够充分满足VR 视频制作和传输的业务场景。

1 5G 技术对VR 内容生产的主要作用

1.1 为用户的观看提供强大的宽带支持

5G 通信技术可以提供超过1 Gb·s-1的带宽，从而满足每个用户的VR 视频观看需求和体验。理论上来说，在1 km2内，5G 技术条件下的宽带速度能够满足几万名用户的高清VR 视频观看需求。如果视频的码率较低，则可以支持更多用户的观看需要。

1.2 减少用户观看视频的时空限制

尽管目前VR 视频的主要观看场景仍然较为固定，但随着网络的发展和移动智能终端功能的完善，在乘车、运动等碎片化的时间中，用户有了越来越多的VR 视频观看需求。传统网络在行驶的车辆、偏远的高山等地信号较差，无法满足VR 视频的传输和观看，甚至普通视频的观看也会出现卡顿和延迟[1]。5G 网络的高移动性能够有效解决网络信号和网速的问题，从而有效满足不同时空中用户的视频观看需求。

1.3 保障高码率VR 视频的直播采集

VR 视频的采集需要使用专门的VR 摄像机。在传统的VR 视频制作中，为了保障视频的高画质和高码率，一般采用转播车进行视直播采集的保障。伴随着5G 的发展和相关配套技术产品的使用，高码率的VR 视频采集可以通过移动摄像机、无人机等设备经5G 网络进行数据传输，而且5G 网络的高移动性和带宽支持能够保障视频采集和传输的流畅性。这让现代体育赛事的VR 视频采集和传输变得更加快捷，也大大降低了直播的成本，提高了视频直播的灵活性。

2 5G+VR 电视制播技术的系统设计

我国的5G技术作为一项重要的国家发展战略，技术水平位居世界前列。根据工业和信息化部发布的《2021 年通信业统计公报》，截至2021 年年底，我国的5G 基站超过142 万个，覆盖了90%以上的城区和40%以上的乡镇，用户规模达到4.5 亿。5G技术的进步和基础设施建设的推进，给我国体育赛事电视制播技术的更新发展提供了有利条件[2]。中央广播电视总台CCTV 进行了多次5G 环境下的VR 视频信号的采集、数据的传输以及远程制作的试验，对5G+VR 在技术适配和业务流程方面进行了针对性的探究和完善。2021 年，作为第十四届全国运动会（以下简称全运会）官方合作伙伴，中国电信在5G+云网技术的支撑下，能够为观众提供“自由视角观赛、多视角观赛以及VR 直播观赛”3 种观赛模式。中国移动基于5G+AI+VR 等新技术，量身定制包括自由视角、VR 直播、多视角三种智慧观赛模式，在第十四届全国运动会期间提供了7 场比赛直播。本文将以此次体育赛事为例，系统阐述5G+VR 电视制播技术的系统方案设计。

2.1 前期准备

第十四届全国运动会的VR 制作虽然已经有不少参考，但仍处于探索和优化阶段。因此，前期进行了充分的方案设计准备工作。其中，主要是对5G+VR 视频制播的方式进行了设计。技术团队首先了解了本次运动会的比赛场馆和项目。本次赛事共计有陕西奥体中心体育馆、韩城西安交大基础教育园区体育馆、商洛市体育馆等53 个场馆。主会场为陕西省奥体中心体育馆，位于陕西奥体中心南区，全运会的开闭幕式都在这里举行。由于疫情防控和其他因素，第十四届全运会场馆较多，且场馆和赛事多样，要实现全景式的VR 视频呈现难度较高，因此只能采用小型化和灵活度较高的移动设备进行数据采集单元的覆盖。

在全运会开始之前，为了保障赛事的实时转播，通信运营商搭建了多个5G 基站，覆盖了主要的比赛场馆和重点区域。中国移动和中国电信的VR 视频技术小组把VR 摄像机与5G 网络接入、绑定，组成了多个移动的VR 采集单位，实现了信号源部分的高效采集。同时，为了满足多个场馆赛事的直播需求，将VR 视频的切换、编辑及编码推流系统集中设置在陕西国际体育之窗的赛事指挥中心，从而保障赛事的VR 视频直播能够集中进行切换和编辑制作。全运会赛事指挥中心在国内大型赛会转播中也是第一次实现在广播电视中心搭建融媒体指挥调度中心，第一次大规模使用4K/8K 技术进行直播，第一次大规模使用云计算技术、5G 技术进行转播。

2.2 系统方案设计

整个系统包括信号的回传、制作协议的转换以及直播推流等多个模块。整个系统是以压缩的视频流为核心的IP 化架构。

2.2.1 VR 信号采集回传

信号采集回传是拍摄工作的主要任务。为了能够灵活地在多个大型体育场馆中实现尽可能多的视频信号拍摄和传递，所采用的摄像机主要是便于携带的一体式VR 全景摄像机。这种摄像机相比于组合的独立摄像机在体积和重量上都更具优势，而且能够一次性完成针对所有镜头的参数调校。相机内部的陀螺仪能够有效确保画面的稳定性，内置的拼接和变化模块还能高效地完成高清视频的输出。

2.2.2 流媒体转发服务器

一体式的VR 拍摄设备既能满足VR 视频制作和观看的专业需求，也能面向一般的视频制作和观看需要，因此其内置的编码模块虽然可以进行高效率视频编码（High Efficiency Video Coding，HEVC）压缩，但输出的视频流还是实时消息传输协 议（Real Time Messaging Protocol，RTMP）或 者基于HTTP 的自适应码率流媒体传输（HTTP Live Streaming，HLS）协议。对于广电媒体制作机构来说，通过网络完成高质量视频的回传，通常采用的是用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP），因此需要在后方专门为视频流的中转配置一套具有流媒体转发功能的服务器，来实现从RTMP 协议到UDP 协议的转换。

2.2.3 制作协议转换服务器

在本次协议转换服务器的制作中，为了实现在千兆级别的转换机上进行高码率内容的制作，VR切换制作系统设计采用的是网络设备接口（Network Device Interface，NDI）协议。在制作协议转换服务器上安装的VLC 串流软件从流媒体服务器获取UDP 单播流，然后将其转化成NDI 流信号[3]。

2.2.4 VR 切换制作

VR 切换制作方面采用的是切换设备。这种设备采用的是一种面向局域网进行视频信号传输的开放性协议，对局域网的要求更低，视频传输的质量更高，还能有效提升信号传输效率，也减少了布线工作的难度和强度，实现切换制作系统的快速部署，在使用中更加灵活。VR 前景视频的分辨率一般是2 ∶1 的画幅比例，为了能够与广电制作系统兼容，VR 摄像机可以采用16 ∶9 的画幅进行高清视频的输出，然后在播放器端完成画幅的调整。当前NDI协议已经能够支持超高清的4K 信号传输，来降低信号传输的延时，并保证VR 视频信号的清晰度。

2.2.5 编码推流发布

NDI 切换制作系统输出的4×3G SDI 信号接入专用的编码器设备。编码器压缩编码输出UDP 组播流，通过专线网送到赛事指挥中心的新媒体内容集成发布平台完成信号的分发。新媒体客户端以及第三方直播平台从新媒体集成发布平台拉流，获取VR 直播信号。

2.3 核心设备选择

2.3.1 采集端摄像机的选择

在视频采集板块，所需要的核心设备是VR 摄像机。为了方便部署和视频采集，制播系统方案设计主要选择的是一体化的全景摄像机。目前，随着VR 视频的发展和市场需求的扩大，VR 全景摄像机的品牌和种类繁多，功能和性能也各不相同。但适合体育赛事转播需求的VR 摄像机有着更高的技术指标要求。为了方便前期调试和后期制作的统一处理，摄像机的镜头结构需要等距同心镶嵌，镜头的感光元件也需要是同一品牌的集成。为了适应比赛中的运动需求，摄像机还需要有强大的防抖功能，拍摄视角也需要进行多样的变化。在内置软件和功能方面，要具备多镜头联动协调曝光功能，以保证高光比环境下镜头间的曝光呈线性递增或递减，同时支持直方图实时监看，从而让曝光指数能够迅速实现数据化呈现[4]。

2.3.2 制作端的IP 化视频流切换台

制作端的核心设备是IP 化视频流切换台，其中包含VR 视频制作中多机位切换的关键技术。采用NDI 视频流制作协议，可以同时融合广电技术和新媒体技术的需求，满足4×3G-SDI 的4K 基带信号和IP 化的NDI 流信号的混合处理，保障电视和新媒体的VR 视频直播需求。全运会的VR 切换系统架构包括了支持4×3G-SDI 基带信号输入的I/O 模块、监看大屏、交换机以及NDI 切换台。这一切换系统满足了体育赛事制播的多样功能需求，比如画面的分割、字幕的添加以及图文的包装等。

3 5G+VR 电视制播技术的应用

在第十四届全运会期间，并非所有的比赛都采取了5G+VR 电视制播技术。主要对一些适合利用VR 摄像机拍摄和观众比较关注的赛事进行VR 全景直播，如乒乓球、跳水、游泳等项目。在跳水比赛项目中，VR 摄像机的位置设定与传统的摄像机机位设定有很大的差异，需要让摄像机尽量靠近比赛区域，这样才能让受众在观看VR 视频时产生更强的临场感[5]。因此，技术团队在泳池的观众席和泳池边各设置了一台VR 摄像机，呈现跳水比赛区域的俯视全景视角和近距离观察比赛现场的近景视角。特别是近景视角的设置，结合VR 眼镜等观看设备，可以让观众有更强的现场观看感。

在VR 视频的点播制作方面，采集端使用的是超高清VR 摄影机采集的全景画面，利用编码服务器对视频信号进行IP 化的视频流压缩，通过CPE 等5G 终端设备把视频流传输至视频流切换台，然后进行适合新媒体平台的调色、包装、字幕制作等程序，最终把信号传输到新媒体平台进行播出。这些视频的内容比较丰富，包括了比赛的实况、赛事的花絮等短片，通过全运会的短视频平台线上播出。

4 结语

信息技术革命让互联网和移动智能终端深入到现代社会的方方面面，并形成了多样化的新媒体形态，对传统的广播电视媒体造成了强大的冲击。新媒体在内容制作、观看方式等方面都更能满足现代受众的多样化需求。在5G 技术和VR 技术持续发展的背景下，VR 视频的制作和播放日益成为体育赛事电视制播技术的发展方向。在5G网络支持下，VR 视频制作能够同时满足电视端和新媒体端的播放需求，对传统媒体的现代化发展具有重要的推动意义。在我国，以中央电视台为代表的电视制播平台已经逐步加快了对VR 制作体系的研究和探索，并对5G+VR 的制播技术进行了有益的尝试，这为未来体育赛事的更加快捷、高效的制作和更加灵活新颖的播放积累了丰富的经验。5G 技术不是现代通信技术的终点，未来，更加快速稳定的技术会继续出现，VR视频制作和播放相关的技术与产品也将更加丰富。作为电视工作者，要不断关注和尝试新技术的应用，为赛事转播带来更流畅的观看和交互体验。