電視臺高清播出系統(tǒng)設(shè)計

包洲浩

（泰順縣融媒體中心（廣播電視臺），浙江 溫州 325500）

0 引 言

電視是受眾獲取時事信息的重要途徑，具有學習以及娛樂的綜合性功能。受眾通過不同的電視節(jié)目可以拓展視野，還可以陶冶情操。但在網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的時代，依托于數(shù)據(jù)傳播方式的轉(zhuǎn)變以及短視頻平臺的出現(xiàn)，更多長而復雜的信息被不斷壓縮，改變了長期以來電視為主要傳播媒介的態(tài)勢，降低了電視節(jié)目的收視率，導致各電視臺市場占有率下降。在市場競爭逐漸加劇的今天，電視臺應加大投入，構(gòu)建高清播出系統(tǒng)，以重新吸引受眾，為重新占領(lǐng)市場做好必要的準備。

1 電視臺高清播出系統(tǒng)的設(shè)計原則

1.1 標準性

在電磁以及信號專業(yè)領(lǐng)域快速發(fā)展的今天，電視臺轉(zhuǎn)播信號從傳統(tǒng)的模擬信號逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)字信號。與模擬信號相比，數(shù)字信號具有較強的抗干擾性能，同時支持的帶寬得到有效提升，可支持幀率更高的硬件解碼系統(tǒng)，能夠提升信號傳播的穩(wěn)定性，避免延遲、卡頓等降低觀賞者觀看體驗的現(xiàn)象。電視臺高清系統(tǒng)的傳輸碼率采用10 bit、4 ∶2 ∶2、50P的格式進行取樣和編碼，帶寬許用下限為8 Gb·s-1，發(fā)射傳輸頻率需嚴格受限在40 ～870 MHz[1]，保證在國家無線電電波規(guī)定范圍內(nèi)進行設(shè)計和改造工作，為廣大用戶提供良好的觀看體驗。

1.2 安全性

安全性是電視臺高清播出系統(tǒng)設(shè)計的紅線原則。作為受眾獲取國內(nèi)時事信息的重要渠道，電視節(jié)目難免會傳播與國內(nèi)發(fā)展戰(zhàn)略相關(guān)的信息，因此在設(shè)計高清播出系統(tǒng)時，除非必要服務信息以外，都需進行加密。采用H.130 幀結(jié)構(gòu)第一個八比特共享不加密，可使幀排列信號、比特率分配信號不加密[2]。在設(shè)計電視臺高清播出系統(tǒng)時，應進行密碼輸入型設(shè)計，依托于國家的無線傳輸系統(tǒng)和有線信息傳輸系統(tǒng)傳播電視信號，到各個用戶終端時實現(xiàn)自行解密以及自行解碼工作，確保數(shù)據(jù)傳播過程的整體安全，提升傳播效率的同時，為國內(nèi)電視信息節(jié)目筑牢安全防護網(wǎng)[3]。

1.3 實用性

電視臺高清播出系統(tǒng)設(shè)計時應以實用性為主要目標。高清分辨率不僅僅是分辨率的提升，同時也是HD（高分辨率）、HDR（高動態(tài)范圍）、WCG（寬色域）、SSA（全景聲）多重功能的結(jié)合[4]。往往高分辨率、高刷新率的電視節(jié)目播出系統(tǒng)需要大量的資金投入，但受限于電視更新周期較長以及超高分辨率（8K 及以上）顯示器市場占有率并不高的綜合性因素，以超清畫質(zhì)為標準進行優(yōu)化設(shè)計即可滿足絕大多數(shù)家庭對畫面感以及流暢度的基本需求，同時也避免資源浪費，提升資源利用率。

1.4 可控性

播出服務器視頻文件格式采用MXF OP1a標準、嵌入式音頻。系統(tǒng)支持高標清素材混播，完整支持活動圖像格式描述符（Active Format Description，AFD），可根據(jù)MXF 文件中的AFD 信息將標清文件進行幅型變化后以高清格式播出，支持文件播放和直播。由于直播是對主持人對直播現(xiàn)場把控能力以及信號同頻傳輸性能的綜合性考驗，所以在對電視臺高清播出系統(tǒng)設(shè)計時，應提前進行可控模塊的有效植入。一旦在直播過程中主持人失誤或直播現(xiàn)場出現(xiàn)巨大變動情況，電視臺可及時進行后臺介入，讓整個節(jié)目播出過程切切實實在工作人員的把控范圍內(nèi)，降低節(jié)目播出風險，將節(jié)目效果提升至更高水平。

1.5 高兼容性

為了保證國家無線電波傳輸環(huán)境的總體穩(wěn)定安全，以有線電視以及衛(wèi)星收臺的傳統(tǒng)電視信號獲取模式逐漸退出了歷史舞臺，光貓以及電視盒子等占地小、傳輸不受限的信號接收端逐漸占領(lǐng)市場。通過電視盒子與電視臺高清播出系統(tǒng)的有效接入，用戶可通過遙控設(shè)備對電視臺直播信號進行切換與選擇，為用戶提供了更大的選擇空間，將自主選擇權(quán)重新移交給客戶。但這一模式的轉(zhuǎn)變不僅是對電視盒子性能的綜合性考驗，同時也是對系統(tǒng)設(shè)計人員的考驗。如何將信號傳輸端并入網(wǎng)絡(luò)接收端，也是工程人員不得不面對的問題。將直播從數(shù)字信號無損切換至網(wǎng)絡(luò)信號，也考驗電視臺與當?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)部門的協(xié)同性。因此，設(shè)計電視臺高清播出系統(tǒng)時，應同時召集相關(guān)部門技術(shù)人員以及信號設(shè)計工程師進行協(xié)同性設(shè)計，通過方案優(yōu)化以及信號模擬方式，選擇適應現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的兼容性信號模式，提升電視信號的普及范圍，提升電視信號的普及率以及市場占有率。

2 電視臺高清播出系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃

2.1 視頻服務器選型設(shè)計

哈雷服務器制造供應商具有多年生產(chǎn)高清電視轉(zhuǎn)播信號系統(tǒng)的經(jīng)驗，所以在視頻服務器選型時，優(yōu)先選擇哈雷品牌。以哈雷公司2021 年最新推出的7000 系列型號為例，服務器通道共有4 個具有同時解碼和編碼功能的通道，其中3 個可用于頻道信號的綜合性輸出，剩余單個通道可進行信號采集以及節(jié)目視頻的提前播放候?qū)?。服務器采用全過程硬件解碼方式，實現(xiàn)通道上下分層性解碼，保證數(shù)字信號的優(yōu)良兼容特性。哈雷服務器作為業(yè)界先驅(qū)者，創(chuàng)新性地采用Linux 系統(tǒng)進行嵌入操作，將系統(tǒng)受到病毒攻擊風險的概率降到最低；自身配備了兩個上行速度達到千兆及以上的網(wǎng)絡(luò)接口，支持全過程簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）。

播出服務器視頻文件格式采用MXF OPla標準，音頻與視頻圖像相互嵌入，支持超高動態(tài)分辨率視頻的播出與解碼，這對于捕捉速度較高的科技設(shè)備或動物視頻營造了良好的播出環(huán)境。服務器設(shè)計時應完美支持AFD，可根據(jù)固有的MXF 文件中的AFD信息進行幅型轉(zhuǎn)變后以超高清格式播出。服務器運行前，應檢查四通道協(xié)同固態(tài)存儲設(shè)備的運行情況，若一臺損壞則不影響整體使用，整體容量應保證50 Mb·s-1碼率視頻連續(xù)不斷播放500 小時以上。

2.2 數(shù)據(jù)服務器設(shè)計

數(shù)據(jù)服務器是整個高清播出系統(tǒng)的核心部分，可對所有播出素材進行系統(tǒng)管理以及播出權(quán)限的動態(tài)設(shè)定，對于安全性以及抗攻擊特性要求較高[5]。數(shù)據(jù)庫中的素材包括媒體文件的描述文件、電視信號的故事板文件以及增強剪輯決策表的SBF 文件，而數(shù)據(jù)庫中的用戶信息包括用戶的認證情況、用戶權(quán)限以及用戶操作記錄文件。在對數(shù)據(jù)服務器進行匹配型設(shè)計時，往往采用雙數(shù)服務器數(shù)量，利用PlusWell 等熱備軟件作為重點引導集群熱備軟件，實現(xiàn)主副服務器之間的協(xié)同性同步。為了保證數(shù)據(jù)服務器的總體安全，采用2020 版本的SQL Server專業(yè)版數(shù)據(jù)庫，其穩(wěn)定性以及可靠性得到了業(yè)界的廣泛認可。數(shù)據(jù)服務器正常工作時，SQL 主數(shù)據(jù)庫處于活動狀態(tài)，備用SQL 數(shù)據(jù)庫處于待機狀態(tài)。當主機發(fā)生故障，備用數(shù)據(jù)庫可在短時間內(nèi)直接啟動，接管主機工作，以較高的反應速度來保證高清播放系統(tǒng)的持續(xù)運行。

2.3 媒體處理中心設(shè)計

設(shè)計高清播放系統(tǒng)時，建議將媒體處理中心內(nèi)容管理服務器數(shù)量設(shè)定在兩臺以上，技審服務器數(shù)量設(shè)置在六臺以上，以起到對技術(shù)操作動態(tài)監(jiān)控的效果。內(nèi)容管理服務器主要負責接收用戶下發(fā)的任務指令管理素材數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，技術(shù)審查服務器負責數(shù)據(jù)和操作規(guī)程的整體審查、遷移以及轉(zhuǎn)碼工作。技審規(guī)程是保證節(jié)目質(zhì)量以及節(jié)目優(yōu)質(zhì)播出的第一入口，其可支持精確到每一幀節(jié)目文件的自動技術(shù)審查，同時可設(shè)定支持多任務的報警閾值，以實現(xiàn)動態(tài)對文件格式的綜合性檢驗。技審不但能實現(xiàn)高達六倍速的快速檢查，同時還能有效辨別高清電視播出的界面是否存在黑場、彩條等技術(shù)性故障，從而保證播出效果。媒體處理中心中的轉(zhuǎn)碼服務由專用轉(zhuǎn)碼軟件操作，可通過將多元化素材統(tǒng)一打包為MXF 格式，通過遷移調(diào)度管理以及分發(fā)指令存儲在多個指定儲存區(qū)域，實現(xiàn)遷移前后數(shù)據(jù)的完整性以及一致性，保證所有素材在二級陣列、主視頻服務器、副視頻服務器等服務器內(nèi)部的正確性。為了提升對高清電視節(jié)目的任務處理效率，媒體處理中心設(shè)計可采用中央集群式切片化任務處理機制，將大的整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分為一個個數(shù)據(jù)碎片，進行分散性處理，在輸出前進行拼湊合并，保證總體的運行速度處于較高運行區(qū)間。

2.4 接口服務器設(shè)計

在對接口服務器進行設(shè)計時，應秉承接口多功能使用場景為主要設(shè)計理念，接口服務器應同時兼容自動調(diào)度模塊、播出軟件數(shù)據(jù)調(diào)度模塊、互聯(lián)網(wǎng)服務器模塊、素材導入模塊以及媒體處理調(diào)度模塊[6]。工作人員可通過接口服務器對視頻制作網(wǎng)以及播出網(wǎng)進行兩端化終端管理，實現(xiàn)對成品素材的自動化技術(shù)審查以及轉(zhuǎn)碼工作，最終形成播出版本到達2級陣列結(jié)構(gòu)等候人工審核。若高清播出系統(tǒng)遇到緊急情況，可越過2 級陣列等候系統(tǒng)直接送抵視頻服務器，可根據(jù)技術(shù)人員的播出意愿進行動態(tài)調(diào)整。

2.5 大數(shù)據(jù)交互中心設(shè)計

大數(shù)據(jù)交互中心設(shè)計的主要目的是建立網(wǎng)間安全傳輸系統(tǒng)，保障素材分布式上載的總體安全性。利用USB 鏈路模式對非安全網(wǎng)絡(luò)以及安全網(wǎng)連接，最后為編輯人提供高速數(shù)據(jù)素材上載區(qū)，將質(zhì)量更高的視頻以高速、低損耗狀態(tài)傳輸至系統(tǒng)內(nèi)部安全網(wǎng)中，確保所有數(shù)據(jù)的安全可靠。由于大數(shù)據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)極易遭受網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊，所以在設(shè)計時應采用與國內(nèi)外知名殺毒軟件深度合作方式以及針對性地開辟白名單通過性戰(zhàn)略，打造出環(huán)環(huán)相扣的整體安全網(wǎng)，為筑牢筑實數(shù)據(jù)安全網(wǎng)提供必要的技術(shù)性基礎(chǔ)，同時對文件名稱以及文件格式進行系統(tǒng)性與全局性監(jiān)控，以較高事態(tài)感知能力來確保數(shù)據(jù)名稱與數(shù)據(jù)格式的相互適同性。

2.6 二級陣列設(shè)計

選用企業(yè)級NAS 分布儲存設(shè)備進行二級陣列構(gòu)建，節(jié)點采用NAS 頭與儲存單元并行分離設(shè)計，其中NAS 頭為主備熱冗余配置，可通過附加節(jié)點模式進行綜合拓展。節(jié)點內(nèi)部設(shè)置多臺交換機進行高速連接，每一個數(shù)據(jù)儲存盤陣列相互獨立，可通過播出系統(tǒng)進行遷移性寫入和讀出的雙讀雙寫功能，實現(xiàn)對儲存硬盤陣的無縫銜接，確保在危險出現(xiàn)時前端業(yè)務不受到任何影響，將數(shù)據(jù)丟失的風險降低至最低。設(shè)定系統(tǒng)最低物理配置容量為108 TB，有效儲存空間應在72 TB 及以上。以高清電視節(jié)目的正片播放速度來看，50 Mb·s-1最大上行速度的高清視頻需3 300 小時的不間斷播放，才能將物理配置空間完全填充滿，這為存儲設(shè)備提供了較大的儲存空間以及儲存閾值。

3 結(jié) 語

由于電視節(jié)目具有娛樂性與教育性，因此電視逐漸變成了生活中不可缺少的設(shè)備。但近年來視頻行業(yè)發(fā)展迅速，依托于互聯(lián)網(wǎng)的便捷性的便攜設(shè)備擠占了電視節(jié)目空間。為了重回市場，電視臺應加大投入，加快建設(shè)電視臺高清播出系統(tǒng)，通過保證信號傳輸同步性、高兼容性以及可控性，為廣大用戶提供多元化選擇途徑，以加快數(shù)字信號建設(shè)，為實現(xiàn)電視行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展提供技術(shù)性保障。