高標(biāo)清同播系統(tǒng)的建設(shè)與實(shí)現(xiàn)

李陸昊

近年來(lái)，我國(guó)高清電視的發(fā)展十分迅猛，高清節(jié)目?jī)?nèi)容逐漸增多，高清視音頻技術(shù)的成熟為傳統(tǒng)標(biāo)清電視邁向高清電視發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。在日喀則，由于地域的特殊性，高清電視的發(fā)展相對(duì)落后。由于接收終端、傳輸設(shè)備的限制，部分受眾只能收看標(biāo)清的電視節(jié)目，但人們對(duì)于高清節(jié)目的需求一直存在，并且高清電視對(duì)于藏族地區(qū)自身的宣傳和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著不可忽視的推動(dòng)作用。

日喀則廣播電視臺(tái)前期攝像及自制的新聞、專題類節(jié)目均可實(shí)現(xiàn)高標(biāo)清兼容的采集、制作，而影視類節(jié)目、廣告也能高清片源或標(biāo)清片源二選一，高清播出的先天條件已經(jīng)成熟。日喀則廣播電視臺(tái)按照廣電總局“鼓勵(lì)發(fā)展，統(tǒng)籌兼顧”的原則和規(guī)模化、集約化的要求，結(jié)合自身區(qū)域電視發(fā)展情況，克服種種技術(shù)難題和條件限制，量身打造了高標(biāo)清同播系統(tǒng)，并通過(guò)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)各縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)接收市、臺(tái)高清信號(hào)，完成區(qū)域內(nèi)高清節(jié)目傳輸全覆蓋。

1 高標(biāo)清同播方式確定

1.1 高標(biāo)清獨(dú)立播出方式

按照廣電總局的要求，高標(biāo)清同播主要使用兩種方式。第一種，建立的高清播出系統(tǒng)與標(biāo)清系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，使用獨(dú)立的高清視頻服務(wù)器、播出矩陣、切換臺(tái)、視分、幀同步、字幕機(jī)、音頻處理器等設(shè)備。標(biāo)清頻道的播出沿用以前的老系統(tǒng)。在信號(hào)末端，可以通過(guò)上下變換互為主備。高清系統(tǒng)同步播出標(biāo)清素材時(shí)，在上載入庫(kù)時(shí)上變換，或者在視頻服務(wù)器進(jìn)行上變換。方案將系統(tǒng)分為標(biāo)清系統(tǒng)和高清系統(tǒng)，對(duì)硬盤素材分別上載和播出，外來(lái)信號(hào)在播出系統(tǒng)前端進(jìn)行處理，分別進(jìn)入高清系統(tǒng)和標(biāo)清系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)同一節(jié)目單進(jìn)行同播，信號(hào)末端高清系統(tǒng)與標(biāo)清系統(tǒng)輸出互為主備，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于這種方式，技術(shù)開(kāi)發(fā)主要圍繞控制系統(tǒng)展開(kāi)，基本上不涉及復(fù)雜的核心技術(shù)，操作起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單；但是，這種方案的建設(shè)成本很高，相當(dāng)于同時(shí)建設(shè)兩個(gè)播出頻道。此種方式對(duì)于高清系統(tǒng)的過(guò)渡性支持不夠平滑，后期拓展高清頻道比較麻煩。

1.2 高清主干兼容標(biāo)清播出方式

日喀則市廣播電視臺(tái)經(jīng)過(guò)充分調(diào)研和

論證，采用第二種方式即建立一套獨(dú)立的高清播出系統(tǒng)播出，高清素材按照正常高清播出，標(biāo)清素材按照設(shè)定好的上變換策略進(jìn)行變換，系統(tǒng)鏈路只保留一條高清鏈路，向下兼容標(biāo)清，播出系統(tǒng)內(nèi)的視頻流、素材流均為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的高清信號(hào)。這種方式適應(yīng)于系統(tǒng)定位為面向高清系統(tǒng)建設(shè)，標(biāo)清信號(hào)則采用高清信號(hào)下變換的方式得到。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 高清系統(tǒng)下變換架構(gòu)圖

采用這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，信號(hào)鏈路清晰，系統(tǒng)工作流程簡(jiǎn)單，工作效率較高，更加適合于高清電視技術(shù)，全臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的推廣。

2 原有標(biāo)清節(jié)目素材的繼承問(wèn)題

2.1 標(biāo)清文件處理方式

在建設(shè)高標(biāo)清同播系統(tǒng)的同時(shí)，面臨著一個(gè)棘手的問(wèn)題，對(duì)于高清素材，視頻服務(wù)器能夠正常解碼播出信號(hào)。但臺(tái)內(nèi)目前累計(jì)了大量珍貴的歷史素材，都以標(biāo)清的格式保存。可以預(yù)計(jì)的是，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這些標(biāo)清素材都會(huì)頻繁使用。在解決標(biāo)清節(jié)目素材高清播出這個(gè)問(wèn)題上，工作人員尋求了兩種方式：第一種在制作、上載節(jié)目的時(shí)候，采用前端上變換之后再進(jìn)行入庫(kù)播出，即在播出系統(tǒng)中待播的文件均為高清文件，這樣做需要增加專門針對(duì)上變換的后臺(tái)轉(zhuǎn)碼服務(wù)器，并且上變換之后的文件容量是轉(zhuǎn)換前的數(shù)倍，這對(duì)播出的存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬都帶來(lái)了不小壓力；第二種方式即采用“軟件實(shí)時(shí)上變換”技術(shù)，在上載節(jié)目、媒資系統(tǒng)中主動(dòng)添加嵌入AFD信息標(biāo)注，所有標(biāo)清節(jié)目文件仍然按標(biāo)清格式遷移歸檔到高清播出系統(tǒng)，不作上變換，在播出時(shí)由視頻服務(wù)器內(nèi)嵌軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)上變換播出。

目前，日喀則市廣播電視臺(tái)根據(jù)自身實(shí)際情況選擇了第二種方式，這樣做能夠大大減輕標(biāo)清素材源向高清素材源過(guò)渡時(shí)用高清節(jié)目文件傳輸和遷移時(shí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。實(shí)踐證明，采用這種方式不僅節(jié)目播出質(zhì)量好，方式靈活，又大大節(jié)約了成本。

2.2 畫(huà)面幅型比格式變換方式

圖像中心上移的概念，這樣既保證了畫(huà)面基本不變形，又將以前標(biāo)清素材的字幕信息加以保留。這個(gè)過(guò)程是基于AFD的精確控制，將原有上下黑邊的4∶3圖像（下黑邊上有同期聲字幕信息）進(jìn)行上移后，再進(jìn)行（上下裁邊模式）上變換，這樣做既保留了同期聲字幕信息，又使畫(huà)面不變形，如圖3所示。

圖3 AFD延伸圖形變換

3 播出系統(tǒng)建設(shè)

在克服種種技術(shù)問(wèn)題后，我們建立了日喀則廣播電視臺(tái)高標(biāo)清同播系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為播控系統(tǒng)、總控系統(tǒng)、分控系統(tǒng)、同步校時(shí)系統(tǒng)、監(jiān)看系統(tǒng)及安全送播系統(tǒng)。播出系統(tǒng)基于SOA松散耦合的柔性架構(gòu)、開(kāi)放、通用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口，保證電視臺(tái)制作及未來(lái)新媒體的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，并且預(yù)留接口和全媒體融合平臺(tái)交互數(shù)據(jù)。整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信號(hào)架構(gòu)圖

3.1 播控系統(tǒng)

可實(shí)現(xiàn)2個(gè)頻道主、備高標(biāo)清數(shù)字信號(hào)播出，播控系統(tǒng)以播出安全穩(wěn)定為最高設(shè)計(jì)原則，采用成熟的軟件和穩(wěn)定的硬件平臺(tái)搭建出功能先進(jìn)的全硬盤播出系統(tǒng)，播控系統(tǒng)的核心設(shè)備視頻服務(wù)器采用主備方式，采用東方盛行公司的Stream RT視頻服務(wù)器，全面支持高清、標(biāo)清自適應(yīng)播出。Stream RT視頻服務(wù)器是一款多通道流媒體視頻服務(wù)器，采用CPU+GPU+多通道I/O技術(shù)，1臺(tái)視頻服務(wù)器配套的編解碼卡能支持4個(gè)頻道的高清播出（為電視臺(tái)增加頻道預(yù)留擴(kuò)充接口），所有輸出通道均帶嵌入音頻的SDI接口。當(dāng)主備播出視頻服務(wù)器的在線存儲(chǔ)空間無(wú)法存儲(chǔ)滿足電視臺(tái)播出所需的節(jié)目素材量時(shí)（如大量的高清影視劇存儲(chǔ)），除了擴(kuò)展視頻服務(wù)器在線盤陣外，我們還配置了擴(kuò)展價(jià)格較低的二級(jí)存儲(chǔ)盤陣，較大的節(jié)目存儲(chǔ)量可以有效地降低重播節(jié)目重復(fù)上載帶來(lái)的人力物力浪費(fèi)。節(jié)目上載時(shí)素材都保存在二級(jí)存儲(chǔ)中，在播控工作站打開(kāi)當(dāng)天播出節(jié)目單時(shí)，播出系統(tǒng)配置的集群化后臺(tái)服務(wù)器按照當(dāng)日節(jié)目單自動(dòng)遷移二級(jí)存儲(chǔ)內(nèi)的待播素材至視頻服務(wù)器在線存儲(chǔ)中，這樣能夠避免播出服務(wù)器一直處于既寫(xiě)入數(shù)據(jù)又讀取、解碼數(shù)據(jù)的高強(qiáng)度運(yùn)算狀態(tài)，提高播出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，應(yīng)急墊片服務(wù)器采用臺(tái)內(nèi)原有播出服務(wù)器改造，更換具有支持高清解碼通道的板卡，保障高清播出信號(hào)不中斷。

播出系統(tǒng)采用熱備的2N的播出控制方式，共設(shè)計(jì)4臺(tái)播控工作站。系統(tǒng)采用播控分離的方式，即使播控機(jī)出現(xiàn)故障，視頻服務(wù)器也會(huì)按照已提交的節(jié)目單繼續(xù)播出，控制機(jī)恢復(fù)，自動(dòng)接管任務(wù)，為安全播出又增加一道防線。視頻服務(wù)器、字幕伺服器、切換器等設(shè)備都受播出工作站的控制，同時(shí)播出工作站也能完成直播節(jié)目混合播出以及定時(shí)上鍵等。

3.2 總控系統(tǒng)

總控的設(shè)計(jì)按照32×32路的全高清方式設(shè)計(jì)，為整個(gè)頻道最終升級(jí)到高清打下基礎(chǔ)。進(jìn)入總控系統(tǒng)的信號(hào)包括CCTV1、西藏衛(wèi)視、視頻服務(wù)器信號(hào)、墊片信號(hào)以及其他臺(tái)內(nèi)外的直播、轉(zhuǎn)播信號(hào)。所有標(biāo)清的信號(hào)都經(jīng)過(guò)上變換后再進(jìn)入總控矩陣，保證臺(tái)內(nèi)播出信號(hào)都為高清。在串行數(shù)字分量系統(tǒng)中，用矩陣切換HD-SDI信號(hào)時(shí)，由于切換時(shí)的信號(hào)瞬時(shí)中斷會(huì)造成CRCC（循環(huán)沉余校驗(yàn)碼）誤差，從而影響輸出信號(hào)的定時(shí)。這種誤差會(huì)造成輸出信號(hào)的紊亂和噪波。即使進(jìn)入矩陣的信號(hào)在時(shí)間上完全一致的切換點(diǎn)位于場(chǎng)消隱期間，也仍然不能消除這種現(xiàn)象，這與模擬系統(tǒng)的情況完全不同。為避免總控系統(tǒng)調(diào)度某個(gè)直播信號(hào)出現(xiàn)上述問(wèn)題，所有進(jìn)入總控系統(tǒng)之前的信號(hào)都需要串聯(lián)幀同步器用于消除CRCC誤差，避免由切換引起圖像抖動(dòng)。

3.3 分控系統(tǒng)

分控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)頻道視音頻信號(hào)的切換、應(yīng)急、分配，傳輸，字幕的疊加、音頻的處理、解嵌等。切換器進(jìn)行了主備部署設(shè)計(jì)，主切換器和備切換器的信號(hào)源完全一致，受自動(dòng)播出系統(tǒng)控制進(jìn)行同步自動(dòng)播出。其中，選用的16×4切換器支持2路PGM輸出、2路PST輸出，其中PGM和PST的第二路均可配置為獨(dú)立的AUX輸出，支持時(shí)鐘恢復(fù)功能。在主、備切換器的下游，接入3選1應(yīng)急開(kāi)關(guān)，一旦出現(xiàn)故障可以進(jìn)行自動(dòng)切換，切換出現(xiàn)問(wèn)題可以通過(guò)baypass旁路直通。

3選1應(yīng)急開(kāi)關(guān)下游安裝數(shù)字鍵混臺(tái)標(biāo)一體機(jī)和東方盛行公司的SDI字幕伺服器配合使用，鍵混器將內(nèi)置的臺(tái)標(biāo)和字幕以下游鍵方式與主信號(hào)進(jìn)行混合，而不采用串接疊加的方法，這樣可以避免因設(shè)備串接而造成信號(hào)質(zhì)量下降，從而確保通道指標(biāo)，更為重要的是使用鍵混器可以隨時(shí)控制字幕播出的輸出與否，更加有利于安全播出。

本次播出系統(tǒng)中采用的播出字幕機(jī)能夠與節(jié)目單進(jìn)行聯(lián)動(dòng)播出，無(wú)需再進(jìn)行單獨(dú)控制，臺(tái)標(biāo)、掛角字幕、倒計(jì)時(shí)字幕、游動(dòng)字幕都能夠與音視頻節(jié)目播出自動(dòng)同步，播出字幕機(jī)無(wú)人值守，安全可靠，人為誤操作大大減少，真正將播出值班人員從以往繁重的手工字幕播出工作中解放了出來(lái)。

在鍵混器下游安裝音頻處理器，處理聲音忽大忽小的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益與手動(dòng)增益選擇，確保聲音在合適的范圍內(nèi)，并且一旦出現(xiàn)故障可以通baypass旁路保證播出信號(hào)不中斷。

3.4 同步校時(shí)系統(tǒng)

同步校時(shí)系統(tǒng)包括黑場(chǎng)同步系統(tǒng)及衛(wèi)星校時(shí)系統(tǒng)，黑場(chǎng)同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)播出系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備間的信號(hào)同步，避免切換時(shí)畫(huà)面抖動(dòng)和信號(hào)不同步情況發(fā)生，是播出系統(tǒng)必不可少的組成部分。衛(wèi)星校時(shí)系統(tǒng)滿足播出系統(tǒng)內(nèi)部和外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步的功能，時(shí)間服務(wù)器通過(guò)和衛(wèi)星連接，實(shí)時(shí)接受標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，可根據(jù)不同時(shí)區(qū)進(jìn)行時(shí)間的同步，達(dá)到和中央電視臺(tái)時(shí)間同步。

3.5 監(jiān)看系統(tǒng)

為了滿足播出信號(hào)的監(jiān)看需求，保障每個(gè)播出設(shè)備節(jié)點(diǎn)以及直播信號(hào)都能得到監(jiān)視，設(shè)計(jì)整體式電視墻，大屏液晶顯示器全高清畫(huà)質(zhì)監(jiān)看。多畫(huà)面監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用多畫(huà)面結(jié)構(gòu)，能顯示頻道標(biāo)題、時(shí)間、底圖文字等，并有音量指示，同時(shí)具有視音頻信號(hào)的質(zhì)量監(jiān)控和報(bào)警，包括視頻靜幀/黑場(chǎng)/信號(hào)丟失/視頻超標(biāo)/靜音/音頻超標(biāo)/EDH狀態(tài)錯(cuò)誤等，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別SD/HD輸入信號(hào)。

3.6 安全送播系統(tǒng)

國(guó)家廣電總局出臺(tái)相關(guān)指令，對(duì)播出的安全高度重視，在廣播電視相關(guān)信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)定級(jí)指南中，省市的播出級(jí)別都定義為三級(jí)。播出系統(tǒng)比其他業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全級(jí)別高，和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)有防護(hù)隔離措施。日喀則市廣播電視臺(tái)在過(guò)往采用過(guò)多種物理隔離方式完成文件送播。例如，在采用非編將要送播文件進(jìn)行解碼輸出，播出上載工作站進(jìn)行采集，兩者之間通過(guò)視頻線進(jìn)行連接，此種方式效率太低，對(duì)于比較緊急新聞時(shí)間局限性比較大。在標(biāo)清播出時(shí)代，日喀則市廣播電視臺(tái)還采用了專業(yè)的媒體網(wǎng)關(guān)對(duì)播出系統(tǒng)和制作系統(tǒng)、媒資系統(tǒng)等系統(tǒng)之間進(jìn)行物理隔離，但在送播高清文件時(shí)，網(wǎng)關(guān)30～60MB/s的傳輸速度劣勢(shì)就被放大，不能滿足大量高清文件送播的需求。

在建設(shè)高標(biāo)清同播系統(tǒng)時(shí)，日喀則市廣播電視臺(tái)建立了能夠應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)量的高效安全傳輸系統(tǒng)，非編網(wǎng)以及其他業(yè)務(wù)板塊和播出網(wǎng)絡(luò)板塊之間的數(shù)據(jù)交換依靠安全送播系統(tǒng)完成，安全送播系統(tǒng)具有物理隔離，又有白名單認(rèn)證、殺毒解析、私有鏈路傳輸?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)制播安全隔離，系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 安全送播系統(tǒng)

自動(dòng)技審作為安全送播系統(tǒng)軟件的一個(gè)重要組成部分，安裝在制作系統(tǒng)的送播客戶端上，主要負(fù)責(zé)對(duì)所有送播內(nèi)容進(jìn)行自動(dòng)技術(shù)審查（技審參數(shù)包括黑場(chǎng)、彩場(chǎng)、靜幀、靜音、亮度、色度等），確保節(jié)目的技術(shù)質(zhì)量，也是保證優(yōu)質(zhì)播出的第一道關(guān)口。

安全送播中采用基于高安全I(xiàn)nfiniband架構(gòu)PCIe鏈路作為高安全版塊的安全邊界，是依據(jù)等保要求的網(wǎng)絡(luò)隔離。這種解決方案的優(yōu)勢(shì)在于采用非公用的物理鏈路、采用非公用的傳輸協(xié)議，還能實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互速率在使用過(guò)程中沒(méi)有低于400 MB/s，滿足日喀則市廣播電視臺(tái)傳輸高清文件的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)廣電總局關(guān)于大力發(fā)展高清電視的指導(dǎo)精神，迎合社會(huì)發(fā)展和廣播電視技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)，也為了提高日喀則廣播電視臺(tái)的社會(huì)輿論引導(dǎo)能力，滿足人民群眾精神文明生活的需求。日喀則廣播電視臺(tái)經(jīng)過(guò)詳細(xì)考察、論證、設(shè)計(jì)建成的這套高標(biāo)清同播系統(tǒng)適用于全標(biāo)清向全高清過(guò)渡的時(shí)代，立足高清兼顧標(biāo)清。考慮到經(jīng)濟(jì)性、高效性、易用性，選擇了高清主干兼容標(biāo)清的播出方式，并利用AFD的延伸技術(shù)解決臺(tái)內(nèi)大量標(biāo)清文件的播出問(wèn)題。在建立高標(biāo)清同播系統(tǒng)時(shí)，遵循安全、穩(wěn)定、高標(biāo)清兼容的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)播出系統(tǒng)無(wú)單一崩潰點(diǎn)，并采用安全送播系統(tǒng)滿足等保要求的同時(shí)完成高清文件的送播。系統(tǒng)在建設(shè)完成后，經(jīng)過(guò)專家技術(shù)鑒定，并長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，完全達(dá)到了理想的效果。

[1]宋磊,鞠峰,李震.城市臺(tái)高標(biāo)清同播頻道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電視技術(shù),2013(5):92-94.

[2]卞德森,姜建發(fā),薛承典,等.電視高標(biāo)清同播系統(tǒng)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題和實(shí)踐情況分析[J].電視技術(shù),2017(9):118-121.

[3]劉香鳳.高標(biāo)清同播環(huán)境下的播出系統(tǒng)技術(shù)方案探析[J].數(shù)字通信世界,2015(4):6-9.

[4]黃菊蘭.電視臺(tái)高標(biāo)清同播播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].媒體時(shí)代,2015(8).