IPTV 4K超高清輪播系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李建國 江蘇省廣播電視總臺

1.前言

近些年來，IPTV行業(yè)不斷發(fā)展，近兩年更是迎來爆發(fā)式增長。工信部發(fā)布公告顯示，截至2018年11月，基礎(chǔ)電信企業(yè)發(fā)展的IPTV用戶總數(shù)達(dá)1.53億戶，比上年末凈增3114萬?；谟脩魧τ诟哔|(zhì)量內(nèi)容的迫切需求以及 IPTV實際承載網(wǎng)絡(luò)的性能提升，國內(nèi)省級以上新媒體紛紛推出4K業(yè)務(wù)。江蘇IPTV 4K專區(qū)于2015年6月30日正式上線，進(jìn)行過足協(xié)杯半決賽、江蘇衛(wèi)視跨年演唱會、超級DIVA演唱會等多場4K超高清直播。為了提供更全面的4K視頻服務(wù)，給用戶帶來更好的視聽感受，發(fā)展4K輪播勢在必行。

2.總體架構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

江蘇臺IPTV 4K輪播系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，主要包含二級緩存、流播出服務(wù)器、碼流切換器、接入交換機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備。

節(jié)目平臺通過系統(tǒng)接口將輪播的素材發(fā)送至二級緩存離線存儲，輪播素材按照節(jié)目單自動遷移到播出服務(wù)器中。播出服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心，推流后疊加臺標(biāo)字幕重新編碼送到碼流切換器。碼流切換器可提供主、備、輔三路輸入，當(dāng)前信號出現(xiàn)故障時可切換到另外一路進(jìn)行應(yīng)急，切換器輸出的信號送到接入交換機(jī)，再將組播流轉(zhuǎn)發(fā)到出口交換機(jī)并推送到運(yùn)營商。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

如圖2所示，系統(tǒng)的互聯(lián)互通以交換機(jī)為核心，交互的數(shù)據(jù)分為組播流和業(yè)務(wù)管理。條件允許的情況下，碼流傳輸和業(yè)務(wù)管理宜分別采用兩臺交換機(jī)堆疊來實現(xiàn)，能夠保證組播流推送的順暢和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸效率。如果業(yè)務(wù)量不大，也可在同一組交換機(jī)中劃分不同的Vlan來區(qū)分組播流和管理數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.3 流程設(shè)計

輪播是IPTV三大主流業(yè)務(wù)（直播、點播、輪播）中，與傳統(tǒng)廣電播出模式最接近的，需要按照時間順序編排節(jié)目單，并讓節(jié)目單與流播出服務(wù)器中的素材關(guān)聯(lián)循環(huán)播出。結(jié)合實際應(yīng)用，在業(yè)務(wù)流程設(shè)計中應(yīng)包含以下幾個方面：節(jié)目編播規(guī)劃、素材導(dǎo)入、節(jié)目單編排、播出、信號監(jiān)控。

3.系統(tǒng)功能

3.1 流播出平臺

在播出鏈路設(shè)計時考慮到系統(tǒng)的安全性，關(guān)鍵設(shè)備如播控工作站、播出服務(wù)器、碼流切換器等都使用了主備機(jī)制。系統(tǒng)共使用了4臺流播出服務(wù)器，2臺一組形成主備，單臺服務(wù)器支持一路4K和兩路高清頻道的播出，在服務(wù)器上疊加臺標(biāo)字幕后經(jīng)接入交換機(jī)送到主備碼流切換器，切換后的信號就是系統(tǒng)的最終輸出信號。

3.1.1 播出服務(wù)器

在前期設(shè)備調(diào)研時我們發(fā)現(xiàn)，目前流播出服務(wù)器有推流播出和編碼播出兩種模式，其中推流模式服務(wù)器只輸出組播流，疊加臺標(biāo)、字幕需要在服務(wù)器后增加編碼器重新編碼，架構(gòu)較復(fù)雜且成本較高。推流編碼一體化模式是服務(wù)器推流后利用GPU重新編碼視音頻，疊加臺標(biāo)字幕后直接輸出完整信號，架構(gòu)簡單且操作較為便利，此次系統(tǒng)建設(shè)中我們就選用了集成度較高的推流編碼一體化服務(wù)器，設(shè)備的視音頻編碼設(shè)置如圖5所示。

圖3 流程設(shè)計

圖4 流播出平臺示意圖

目前用戶能通過多種渠道收看4K視頻，包含互聯(lián)網(wǎng)OTT、視頻網(wǎng)站、IPTV等，大多節(jié)目只是畫面分辨率達(dá)到了4K，而在色域、高動態(tài)范圍等維度還不具備4K特性。2018年10月，央視和廣東臺4K頻道開播，包含4K各項技術(shù)特性的節(jié)目會逐漸推廣。因此在系統(tǒng)實現(xiàn)時，需要具備多維度4K的播出能力。從圖5可以看出，4K較高標(biāo)清節(jié)目編碼參數(shù)更多，要根據(jù)系統(tǒng)性能、原始素材格式、終端需求進(jìn)行設(shè)置，對各項參數(shù)的分析可參考如下：

圖5 流播出平臺視音頻編碼設(shè)置

(1)分辨率

4K分辨率即4096×2160的像素分辨率，在國際電聯(lián)對于UHDTV標(biāo)準(zhǔn)的定義中，將4K電視節(jié)目的分辨率定為3840×2160，這個畫幅顯示的比例更接近16：9，符合觀眾收視習(xí)慣。

(2)幀率

標(biāo)清、高清電視節(jié)目幀率采用的是25幀，在4K節(jié)目中，會使用更高的幀率，視覺連貫性上會取得更好的效果，特別是在運(yùn)動矢量較大的場景中，如游戲、體育運(yùn)動直播等。

(3)色域

如圖6所示，高清節(jié)目和4K節(jié)目分別采用BT.709和BT.2020色域標(biāo)準(zhǔn)，顯示色彩空間有較大提升，更接近人眼所能看到的范圍。

(4)高動態(tài)范圍圖像（HDR）

HDR可以顯示畫面的更多細(xì)節(jié)，特別是當(dāng)畫面中有較為明顯的明暗對比時，可以顯示高亮或者暗部的細(xì)節(jié)。目前國際上較為通用的標(biāo)準(zhǔn)有HLG、HDR10、Dolby Vision等。

(5)視音頻編碼

圖6 HDTV、UHDTV、人眼色域?qū)Ρ?/p>

4K視頻常用的編碼方式有H.265和AVS2，音頻標(biāo)準(zhǔn)較多，有MPEG-1 Audio layer 2、AAC、AC3、E-AC3、Dolby Atmos等。

3.1.2 導(dǎo)播系統(tǒng)

導(dǎo)播系統(tǒng)是在編碼過程中，將文字、圖像、動畫、倒計時、時鐘等元素疊加到原始視頻上，使視頻同時呈現(xiàn)多種信息的應(yīng)用工具，除疊加臺標(biāo)字幕還能實現(xiàn)以下功能：

（1）組合

組合可以將任意信源組合在一起，成為一個整體。一般用來組合文本和圖像來源，并在組合上設(shè)置濾鏡的滾動效果，使文本和圖像一起滾動。

（2）計劃

可以設(shè)置信源的生效時間，分為定時、一次、每日、每周、每月等設(shè)置項。除了定時，每項又可以設(shè)置多個時間段。

（3）場景過渡

場景過渡效果是指場景切換時的效果，有剪切、淡出、滑動、幻燈、亮度擦除等效果。

3.1.3 碼流切換器

系統(tǒng)中使用的碼流切換器，具備三個輸入、一個輸出、一個管理共五個網(wǎng)口，單臺設(shè)備最多支持64個頻道的切換。設(shè)備的管理可以使用軟件，也可配置操控面板，軟件管理界面如圖7所示，能夠很直觀地顯示各信號狀態(tài)和當(dāng)前播出使用的信號，點擊相應(yīng)按鈕即可進(jìn)行信源切換。主備切換器設(shè)置為熱備模式，兩臺切換器同時工作，但只有一臺輸出組播流，其中一臺故障時可手動倒換至另外一臺。碼流切換器具備了多通道碼流切換和主備鏈路鏡像倒換功能，實現(xiàn)了播出應(yīng)急多方案一鍵切換，大大提高了值班人員的工作效率和安全播出質(zhì)量。

在設(shè)備調(diào)研和系統(tǒng)建設(shè)中，我們發(fā)現(xiàn)板卡式碼流切換器基本具備斷電旁通功能，切換器斷電時，信號中斷約30秒輸出主路信號。由于設(shè)備斷電，此時控制軟件不能對該設(shè)備進(jìn)行任何操作，若需要倒換至備切換器，需要在備切換器的控制軟件上操作，同時為了防止主備切換器同時輸出造成組播地址沖突，要切斷主切換器的輸出，因此斷電旁通功應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況及應(yīng)急操作時間決定是否啟用。

3.2 節(jié)目編排

3.2.1 基本配置

可以新建用戶及權(quán)限，對用戶進(jìn)行分部門、分類管理。不同用戶在系統(tǒng)中的權(quán)限是不一樣的，所能執(zhí)行的功能操作也是不一樣的，只有系統(tǒng)管理員才有權(quán)限進(jìn)行權(quán)限分配，并可隨時改變用戶的權(quán)限。可以根據(jù)要求新增或刪除頻道，并配置頻道的相關(guān)參數(shù)，當(dāng)節(jié)目格式與頻道設(shè)定的參數(shù)不符合時，會以紅色標(biāo)示提醒用戶。

圖7 碼流切換器管理界面

3.2.2 應(yīng)急上載

當(dāng)內(nèi)容提供平臺無法通過網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)目到輪播二級緩存時，可以將需要播出的節(jié)目用移動硬盤、U盤等存儲介質(zhì)拷貝到本地進(jìn)行上載。節(jié)目開始上傳到播出存儲時，在上載界面可以看到上傳影片的進(jìn)度，上載完成后能根據(jù)定義的多種規(guī)則，查詢素材庫中的素材。

3.2.3 節(jié)目編排

輪播頻道節(jié)目為循環(huán)復(fù)播，只需設(shè)置節(jié)目單的起始時間和結(jié)束時間，選中播出的節(jié)目素材，生成節(jié)目單即可。若節(jié)目單存在間隙或者重疊，會報警提示。

3.2.4 播出單發(fā)送

在播出單發(fā)送欄點擊發(fā)送按鈕，就會把編輯好的節(jié)目單發(fā)送出去，若頻道編排的節(jié)目單有空隙，在發(fā)送監(jiān)測的時候會報警提示。播出單向數(shù)據(jù)庫和播出服務(wù)器同時發(fā)送，可以防止播控工作站故障時無法控制素材切換。

3.3 播出控制

3.3.1 節(jié)目播出方式

支持定時播出、順序播出、手動播出、循環(huán)播出等多種切換方式，能夠合理區(qū)分在播、待播、已播節(jié)目。

3.3.2 播出控制

軟件能夠提供準(zhǔn)確的播出串聯(lián)單邏輯時間檢查功能，能對普通節(jié)目、插播節(jié)目播出時間進(jìn)行邏輯時間檢查。

3.3.3 應(yīng)急和墊片配置

提供手動切播、墊片播出等多種應(yīng)急手段，當(dāng)節(jié)目播不了、節(jié)目單有空隙、嚴(yán)重黑場等情況時，會自動切換到墊片播放，當(dāng)節(jié)目或節(jié)目單恢復(fù)正常，墊片播完后，自動恢復(fù)到原始節(jié)目進(jìn)行播放。

3.4 系統(tǒng)接口

系統(tǒng)沿用之前高標(biāo)清輪播的接口模式，內(nèi)容提供平臺主動推送節(jié)目到輪播二級緩存，F(xiàn)TP遷移完成后發(fā)送出庫通知服務(wù)，輪播系統(tǒng)接受出庫消息并解析節(jié)目元數(shù)據(jù)信息寫入播出數(shù)據(jù)庫，然后返回注冊結(jié)果，內(nèi)容提供平臺更新節(jié)目出庫狀態(tài)，流程示意如圖8所示。

（1）節(jié)目素材入庫

內(nèi)容提供平臺主動發(fā)起送播服務(wù)，傳輸相關(guān)素材至指定存儲位置。FTP遷移完成后會進(jìn)行MD5校驗，校驗出錯則會返回遷移失敗，校驗無誤則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

（2）元數(shù)據(jù)入庫

素材遷移完成后，內(nèi)容提供平臺向接口軟件發(fā)送SOAP消息，消息中包含素材的元數(shù)據(jù)信息，接口收到消息后進(jìn)行解析并向輪播數(shù)據(jù)庫寫入素材信息。

圖8 接口流程示意圖

（3）反饋執(zhí)行結(jié)果

文件遷移，元數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后，接口服務(wù)須向內(nèi)容提供平臺反饋執(zhí)行結(jié)果，平臺根據(jù)反饋結(jié)果更新流程執(zhí)行狀態(tài)。

3.5 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

圖9 數(shù)據(jù)庫熱備示意圖

根據(jù)總局安全播出62號令要求，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)采用雙機(jī)熱備的方式，并能自動切換。4K超高清輪播系統(tǒng)采用了NEC ExpressCluster X集群軟件，在數(shù)據(jù)存儲方面，軟件支持共享存儲架構(gòu)和磁盤鏡像架構(gòu)，前者需要配置磁盤陣列，適用于數(shù)據(jù)規(guī)模很大的系統(tǒng)；后者利用服務(wù)器本地磁盤作為鏡像盤，數(shù)據(jù)實時同步，適用于數(shù)據(jù)規(guī)模中、小型的系統(tǒng)。根據(jù)需要，我們選用了磁盤鏡像架構(gòu)，能夠以較少的投入保護(hù)數(shù)據(jù)，提高安全性。

3.6 應(yīng)急預(yù)案

針對播出過程中可能出現(xiàn)的問題，系統(tǒng)提供了較為完備的應(yīng)急手段，包含切換和倒換操作，應(yīng)急順序按照先切換后倒換來操作。

（1）切換

在播控軟件和切換器端都可以進(jìn)行切換操作，播控軟件中可以對每個頻道配置不同的墊片，在播節(jié)目素材有問題時可切播墊片，也可切播節(jié)目單中指定節(jié)目。切換器同時提供三路信號，當(dāng)前在播信號故障可切換至另外一路，切換順序按照主、備、輔進(jìn)行。

根據(jù)試運(yùn)行期間值班人員測試效果，使用切換器控制軟件切換應(yīng)急更為便利，主備輔信號之間切換時間在1秒左右。

（2）倒換

倒換是應(yīng)對設(shè)備級故障時的應(yīng)急操作。系統(tǒng)配置了兩臺碼流切換器，當(dāng)其中一臺故障時，可通過切換器控制軟件進(jìn)行主備切換器倒換。在項目建設(shè)期間，我們反復(fù)模擬了倒換應(yīng)急操作，期間信號卡頓，3秒左右恢復(fù)正常，針對設(shè)備級故障能在較短時間內(nèi)信號恢復(fù)正常，表現(xiàn)符合系統(tǒng)設(shè)計預(yù)期。

4.應(yīng)用情況

江蘇IPTV 4K輪播系統(tǒng)已于2018年12月下旬正式上線，目前有兩路4K頻道，荔枝影院和荔枝超清24小時不間斷播出，江蘇電信IPTV 4K用戶可搜索頻道號959、960進(jìn)行收看。2019江蘇衛(wèi)視跨年演唱會IPTV 端使用該系統(tǒng)進(jìn)行了4個多小時的4K直播，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5.結(jié)束語

系統(tǒng)播出的4K節(jié)目主要來自外采購和直播收錄，IPTV用戶配置4K機(jī)頂盒和4K電視機(jī)即可免費(fèi)收看。如何豐富節(jié)目內(nèi)容是提升用戶數(shù)和行業(yè)推廣的一個重點，開發(fā)合理的收費(fèi)模式也需要在產(chǎn)業(yè)經(jīng)營中進(jìn)一步摸索，系統(tǒng)投入產(chǎn)生規(guī)模效益才能有利于產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)、長遠(yuǎn)發(fā)展。