周進 張虎

摘 要 4K等高分辨率素材正成為影視動畫后期制作的主流，4K等高分辨率的優(yōu)勢不言而喻，但對存儲速度、容量以及穩(wěn)定性的要求達到前所未有的高度。本文提出基于大魚集群存儲系統(tǒng)的4K高分辨率后期制作網(wǎng)存儲方案，結(jié)合客戶度高速SSD緩存，能夠通過性價比最好的解決方案達到的4K等高分辨率后期制作的要求。

關(guān)鍵詞 存儲 4K 視頻圖像 后期制作

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.03.016

Abstract 4K high-resolution material is becoming the mainstream film and television post-production animation， 4K resolution and other advantages of self-evident， but the memory speed， capacity， and stability required to achieve an unprecedented height. This paper presents a high-resolution 4K post production network based storage solutions fish clustered storage systems， combined with customer-degree high-speed SSD caching， through cost-effective solutions to achieve the best resolution 4K post-production and other requirements.

Key words store； 4K； video； post-production

當前，隨著用戶需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，4K正在逐漸替代高清成為影視動畫制作的主流技術(shù)。4K技術(shù)的優(yōu)勢不言而喻，提供了接近膠片的畫質(zhì)；更高的畫面層次感以及更豐富的細節(jié)表現(xiàn)，大大提升了用戶觀賞體驗。但4K視頻生產(chǎn)卻使得IT基礎(chǔ)架構(gòu)面臨了巨大的挑戰(zhàn)，首當其沖的便是存儲子系統(tǒng)。由于影視動畫視頻生產(chǎn)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)處理，從前期的視頻拍攝或動畫制作，到后期的合成、編輯和發(fā)布，整個流程圍繞著視頻圖像數(shù)據(jù)的存儲而展開。因此，存儲系統(tǒng)是整個IT基礎(chǔ)設(shè)施的核心，特別是在4K環(huán)境下，級數(shù)增長的視頻圖像數(shù)據(jù)更讓存儲系統(tǒng)成為影響影視動畫生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。

1 4K視頻圖像制作的存儲需求

眾所周知，4K視頻圖像生產(chǎn)的核心問題是巨大的數(shù)據(jù)量。以前期拍攝為例，無壓縮的4K視頻圖像數(shù)據(jù)量可超過300MB/s，某些特殊場景需要更高的幀率，數(shù)據(jù)量則可能達到GB/s。一個電影的制作過程中，累計的數(shù)據(jù)量可能達到幾百TB。對于大型的4K視頻圖像制作機構(gòu)，通常有大量的歷史數(shù)據(jù)，并且通常有多個項目同時進行，配置PB級的存儲設(shè)備才可能有效保證視頻生產(chǎn)正常進行。因此，容量及其擴展能力是4K視頻圖像生產(chǎn)環(huán)境中非常重要的存儲需求。

與此同時，4K后期制作對存儲性能的要求極其嚴苛，4倍于高清的碼率，各種復雜的特效，通常需要多層編輯，導致存儲帶寬需求數(shù)倍增長，對于一些場景，使用萬兆接口的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備都可能無法滿足編輯的帶寬需求；另一方面，在網(wǎng)絡(luò)化的制作環(huán)境中，多個編輯節(jié)點，多種業(yè)務(wù)共享存儲資源，并發(fā)地訪問存儲系統(tǒng)，對存儲子系統(tǒng)的最大輸出性能和擴展能力都提出了極高的要求。另外，值得特別指出的是，視頻圖像編輯不但要求極高的存儲帶寬，還對存儲訪問延遲有特殊要求，不但要滿足視頻編輯中的低延遲要求，還需要延遲的表現(xiàn)穩(wěn)定，否則，可能出現(xiàn)卡頓、丟幀等情況，極大影響編輯人員的工作體驗。

現(xiàn)代視頻圖像生產(chǎn)更加呈現(xiàn)工業(yè)化的特征，擁有更大的制作團隊，更詳細的業(yè)務(wù)分工，強調(diào)生產(chǎn)流程中各個環(huán)節(jié)的緊密協(xié)作與交互，因此，在IT基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計時，有必要構(gòu)建基于共享存儲系統(tǒng)的視頻制作網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同的業(yè)務(wù)之間、不同節(jié)點之間高度共享，加速數(shù)據(jù)在不同業(yè)務(wù)間的流轉(zhuǎn)速度，提升整個視頻生產(chǎn)效率。同時，保證共享存儲系統(tǒng)的可靠性和可用性也極為重要，否則，共享存儲系統(tǒng)的故障將造成整個視頻圖像生產(chǎn)的中斷，并可能造成重要視頻圖像素材的損失。

綜上所述，在4K視頻圖像生產(chǎn)中，存儲系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)可歸納為：（1）極高的性能要求：穩(wěn)定的高帶寬和低延遲；（2）具有高可擴展能力：按需擴展的海量存儲系統(tǒng)；（3）數(shù)據(jù)的安全共享：支持多種平臺、業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)共享，高可靠/高可用數(shù)據(jù)存儲。

2 現(xiàn)有存儲方案及分析

為了應(yīng)對上述4K視頻圖像制作中的存儲需求，人們嘗試了多種存儲方案，但就目前的實際應(yīng)用效果來看，還未能找到一種滿足上述所有存儲要求、切實可行的存儲方案。比較常見的幾種方案均存在著各種問題：

2.1 單機存儲方案

在小型的制作環(huán)境中，單個編輯機配置內(nèi)置高速SSD或者直連磁盤陣列的方式比較常見，當前的高端SSD設(shè)備的讀寫性能可以滿足4K制作的需求，但是SSD價格昂貴，容量有限，制作時常受限于容量，會有頻繁的數(shù)據(jù)導入/導出的操作，嚴重影響制作效率。高速磁盤陣列可以做到較大容量，但是性能有限。無論采用哪種方式，單機存儲方案都只能支持單機操作，數(shù)據(jù)共享十分困難，另一方面，存儲空間受限于存儲架構(gòu)，難以擴展，無法支持大規(guī)模的工業(yè)化視頻圖像生產(chǎn)。更為嚴重的潛在問題是，SSD和磁盤陣列損壞可能造成難以彌補的數(shù)據(jù)丟失，制作的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的安全性都存在很大問題。

2.2 傳統(tǒng)高端存儲方案

傳統(tǒng)高端存儲系統(tǒng)（SAN/NAS）具有一定程度的容量和性能的擴展能力，并切實實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效共享，在高清時代是行之有效的視頻制作網(wǎng)存儲解決方案，然而，4K環(huán)境下，傳統(tǒng)存儲設(shè)備的缺點也暴露無遺：

首先，單機存儲性能受限于網(wǎng)絡(luò)接口速度，傳統(tǒng)的千兆網(wǎng)絡(luò)、2G/4G光纖接口都幾乎無法滿足4K視頻圖像編輯的需求。其次，當采用更高速度的存儲網(wǎng)絡(luò)，如萬兆、8G/16G光纖接口時，雖然可以滿足單機的性能需求，但傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)受限于體系架構(gòu)，在性能上擴展能力極其有限，因而無法支持大規(guī)模的4K視頻圖像制作。

其次，雖然數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)共享，但是受限于接口速率，幾乎無法進行在線編輯，只能將素材下載到配置有高速單機存儲設(shè)備的編輯機上進行編輯，并在制作完成后將結(jié)果上傳至中心存儲，中心存儲設(shè)備的作用退化成簡單共享存儲，數(shù)據(jù)共享效率低下，無法有效開展協(xié)同作業(yè)。另一些4K視頻制作流程中使用了低碼率的代理碼進行實時編輯，并根據(jù)編輯結(jié)果下載4K最終結(jié)果視頻，這樣雖然避免了4K所造成的性能壓力，實現(xiàn)了實時編輯，但犧牲了編輯質(zhì)量，是一個不得已的折衷方案。

最后，在4K視頻圖像制作網(wǎng)的規(guī)模一定的情況，通過升級硬件設(shè)備，傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)也可以滿足上述既定的存儲需求，但是，整個存儲系統(tǒng)的擁有成本難以控制，系統(tǒng)擴展也十分困難。

2.3 分布式存儲方案

分布式存儲系統(tǒng)以良好的可擴展能力著稱，整個存儲系統(tǒng)的聚合存儲性能和容量均可在線擴展。相對于傳統(tǒng)高端存儲方案，可以有效解決海量數(shù)據(jù)不斷增長所帶來的容量問題。而且，對于普通高清制作，當前網(wǎng)絡(luò)接口也可以做到以較低成本實現(xiàn)存儲系統(tǒng)聚合帶寬的在線擴展，可以很好滿足普通高清制作網(wǎng)的需求。但對于4K視頻圖像制作，它與傳統(tǒng)存儲面臨同樣的單機存儲性能問題，同時，分布式存儲系統(tǒng)的訪問延遲也更難控制，很難達到4K制作時所要求的穩(wěn)定的超高帶寬和低延遲。

3 大魚集群存儲系統(tǒng)方案

針對4K視頻制作的存儲需求以及當前幾種存儲方案的問題，北京電影學院數(shù)字合成與大數(shù)據(jù)實驗室進行了充分研究，并提出了基于大魚集群存儲系統(tǒng)的4K視頻圖像制作網(wǎng)絡(luò)存儲方案。

大魚集群存儲系統(tǒng)是構(gòu)建于通用硬件之上的高性能、高可靠、高可擴展的新型分布式存儲系統(tǒng)，其核心是大魚分布式文件系統(tǒng)軟件（DayuFS），用戶可以采用通用服務(wù)器、普通的SATA/SAS硬盤以及主流以太網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建媲美傳統(tǒng)企業(yè)級存儲產(chǎn)品的海量存儲系統(tǒng)。DayuFS的基本原理是以軟件方式整合物理集群中多個獨立節(jié)點上的存儲資源，組成具有單一文件系統(tǒng)映像的存儲空間；并通過良好設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分布策略，保證系統(tǒng)性能的高可擴展性，支持存儲容量/性能的在線擴展。同時，DayuFS中采用多副本的方式保證數(shù)據(jù)的高可用性，任意單一節(jié)點失效均不會導致數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)服務(wù)的正常運行。

DayuFS主要面向海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用而設(shè)計，致力于解決此類應(yīng)用數(shù)據(jù)中存儲量巨大、I/O吞吐率高、數(shù)據(jù)增長迅速、構(gòu)建成本高、管理復雜等傳統(tǒng)存儲所面臨的棘手問題。非常適合數(shù)據(jù)量巨大、存儲I/O帶寬要求極高、數(shù)據(jù)增長迅速的4K視頻圖像制作領(lǐng)域，同時，DayuFS還針對其它分布式文件系統(tǒng)存在的單機訪問性能問題，設(shè)計并實現(xiàn)了客戶端SSD緩存，并依據(jù)此特性提出了4K視頻圖像制作網(wǎng)絡(luò)平臺的解決方案，有效應(yīng)對了相關(guān)存儲需求。方案結(jié)構(gòu)圖如圖1：

方案中采用大魚集群存儲系統(tǒng)作為中心存儲系統(tǒng)，通過萬兆互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)向所有的編輯工作站提供文件共享存儲服務(wù)。編輯機上安裝有DayuFS的客戶端軟件，通過客戶端，編輯機可以訪問大魚集群存儲系統(tǒng)的所有文件數(shù)據(jù)，訪問的方式與本地文件系統(tǒng)一致，上層的編輯和制作軟件無需做任何修改，就可以直接與DayuFS對接。DayuFS的客戶端上還可以配置了一塊或者多塊高速SSD設(shè)備作為客戶端磁盤緩存，多塊SSD的聚合存儲性能應(yīng)保證可以滿足該節(jié)點上視頻制作的需求。采用此配置可有效解決其它分布式文件系統(tǒng)所存在單機訪問性能問題。

相對于其它現(xiàn)有的4K視頻制作存儲方案，基于大魚集群存儲系統(tǒng)的方案具有明顯的優(yōu)勢：

3.1 高效安全的數(shù)據(jù)共享

DayuFS實現(xiàn)了全局統(tǒng)一的單一文件系統(tǒng)影響，在未作限制的情況下，從任何客戶端訪問DayuFS，均能看到全局統(tǒng)一的文件系統(tǒng)視圖，因此可以高效實現(xiàn)不同客戶端之間的數(shù)據(jù)共享，同時，DayuFS提供了不同的操作系統(tǒng)平臺上的客戶端軟件，包括Linux、Windows、MacOS，支持各操作系統(tǒng)的大多數(shù)主流發(fā)行版，非常適合視頻制作環(huán)境中各種平臺設(shè)備共存的情況。有利于4K視頻圖像制作中不同業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享和流轉(zhuǎn)。

另一方面，在大型視頻圖像制作環(huán)境中，為了視頻生產(chǎn)的安全，不同項目、不同業(yè)務(wù)之間數(shù)據(jù)隔離也很有必要。DayuFS提供了多租戶功能，系統(tǒng)支持多個租戶，租戶之間數(shù)據(jù)完全隔離，互不可見，杜絕多用戶環(huán)境下可能存在的非授權(quán)數(shù)據(jù)訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享。DayuFS還支持通用的NAS協(xié)議，如NFS、CIFS以及FTP，可以很方便地為臨時用戶、特殊設(shè)備提供訪問DayuFS的途徑。

3.2 穩(wěn)定的高性能表現(xiàn)

DayuFS支持在客戶端使用一個或者多個SSD設(shè)備作為磁盤緩存，與內(nèi)存構(gòu)成客戶端多級緩存機制，擴展緩存容量，減少網(wǎng)絡(luò)通信，提升訪問性能。由于編輯作業(yè)的特征，其數(shù)據(jù)的局部性較強，非常適合應(yīng)用緩存提升性能，然后4K視頻圖像的數(shù)據(jù)量巨大，無法在內(nèi)存中有效緩存，反而降低數(shù)據(jù)訪問效率。使用本地的SSD緩存，可以將一次編輯的大部分數(shù)據(jù)均緩存于本地，讓大多數(shù)數(shù)據(jù)讀操作均不通過網(wǎng)絡(luò)，本地完成，有效保證了極高的讀帶寬和低延遲。對于寫操作，同時利用SSD作為寫緩沖，使用異步寫操作來提升訪問性能。為上層應(yīng)用提供非常穩(wěn)定的高讀寫帶寬和低訪問延遲。

另一方面，DayuFS所提供的客戶端軟件與DayuFS服務(wù)端之間采用高效的私有數(shù)據(jù)交互協(xié)議，可以大幅度降低網(wǎng)絡(luò)通信開銷，進一步提升數(shù)據(jù)訪問效率。

3.3 容量/性能高可擴展

DayuFS最重要的設(shè)計目標即為高可擴展性，采用了松耦合的高可擴展架構(gòu)，將元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分離存儲、分別管理，元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點均可獨立按需擴展。DayuFS軟件確保并發(fā)訪問請求被均衡地分散到多個節(jié)點處理，因此，增加新的存儲節(jié)點，可在增加容量的同時，使得性能也可隨節(jié)點數(shù)目近似線性增長?？梢暂p松構(gòu)建存儲容量PB級，聚合存儲帶寬達幾十GB/s的海量存儲系統(tǒng)。

另一方面，由于SSD緩存的應(yīng)用，在4K編輯時大幅降低了服務(wù)端壓力，有效提升了DayuFS所能支持的客戶端數(shù)量，從而進一步提高了系統(tǒng)的可擴展能力。

3.4 擁有成本優(yōu)勢明顯

DayuFS的設(shè)計目標是應(yīng)用普通的硬件設(shè)備替代傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)中昂貴的專有硬件，因此整個系統(tǒng)的構(gòu)建成本低廉，并且由于具有按需擴展的能力，無需一次性購買未來的所有存儲容量，可以按需購買，從而降低了用戶的構(gòu)建成本。同時，對于4K編輯合成等后期制作應(yīng)用，SSD的使用大大降低服務(wù)器端的壓力，減少了對服務(wù)器端節(jié)點數(shù)目的要求，從而進一步降低了成本。

4 總結(jié)

通過上述對大魚集群存儲系統(tǒng)方案的分析，可以看到，對于4K視頻圖像制作來說，該方案能以較低的成本，提供海量的存儲空間，并能保證并發(fā)編輯時的極高性能需求，為4K視頻圖像制作節(jié)點提供高效、安全的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。另一方面，這種方案也為更高分辨率的視頻圖像制作網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建提供了思路。

參考文獻

[1] 周進，崔賢.影視動畫非線性編輯技術(shù)教程.清華大學出版社，2010.

[2] 周進.影視動畫數(shù)字合成技術(shù)教程.清華大學出版社，2010.

[3] （美）布林克曼.數(shù)字合成的科學與藝術(shù).清華大學出版社，2011.