王焱 江蘇省廣播電視總臺

?

一體化IP流播出服務(wù)器功能及應(yīng)用

王焱 江蘇省廣播電視總臺

【摘 要】本文探討一體化IP流播出服務(wù)器對傳統(tǒng)播出系統(tǒng)帶來的巨大改變，在播出線運(yùn)用的應(yīng)用方案。闡述一體化播出服務(wù)器的功能實(shí)現(xiàn)，架構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】播出服務(wù)器 IP化 一體化 ALLINONE

一、前言

筆者寫下這篇文章的原因非常簡單，在業(yè)界呼喊擁抱互聯(lián)網(wǎng)，三網(wǎng)融合的口號下，作為廣電播出行業(yè)從業(yè)十幾年的技術(shù)人員，我成為首批樂視電視的用戶，一開始的時候樂視電視除了點(diǎn)播功能以外提供了8個輪播頻道，涵蓋體育，電影，電視劇等方面，從觀賞感覺上來說，這是最類似我們傳統(tǒng)播出的業(yè)務(wù)，不到一個月時間，這8個頻道變?yōu)?6個，很快變成幾十個，現(xiàn)在是一百幾十個的規(guī)模。這樣的擴(kuò)張速度讓業(yè)內(nèi)感到窒息，因?yàn)閷鹘y(tǒng)的播出系統(tǒng)來說，新添加一個頻道，需要構(gòu)建新的播出系統(tǒng)，相關(guān)聯(lián)的工作涉及存儲，播出服務(wù)器，切換臺等周邊選型，軟硬件聯(lián)調(diào)，測試，對一個技術(shù)能力較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)來說，新增4個頻道的播出系統(tǒng)，在設(shè)備全部到位的情況下，需要2，3個月的時間。如此巨大的差距，說明了在對播出工作的思維方式，實(shí)現(xiàn)方法的認(rèn)知上互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)廣電有著極大的差距。

二、傳統(tǒng)播出系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1　傳統(tǒng)播出系統(tǒng)圖

圖1是傳統(tǒng)播出的典型系統(tǒng)圖。傳統(tǒng)的播出系統(tǒng)比較復(fù)雜，一般采用專業(yè)設(shè)備，每一個設(shè)備完成一項(xiàng)工作，播出服務(wù)器完成素材的解碼工作，切換臺完成節(jié)目源之間的切換工作，字幕機(jī)，臺標(biāo)機(jī)完成圖文包裝工作。為了保證安全性，還需要層層備份，因此增加了跳線，倒換器等設(shè)備，整個鏈路中為了避免單一崩潰點(diǎn)，還需要再額外增加設(shè)備。建造這樣的系統(tǒng)，由于鏈路上的設(shè)備分屬不同廠商，聯(lián)調(diào)比較復(fù)雜，需考慮軟件控制的匹配，更重要的是系統(tǒng)應(yīng)急效率較低，在鏈路中任何設(shè)備出現(xiàn)故障，需要按不同的應(yīng)急流程進(jìn)行應(yīng)急處理。在故障發(fā)生時，往往需要根據(jù)故障現(xiàn)象判斷故障發(fā)生的原因和環(huán)節(jié)，做出不同處理，這樣的操作需要花費(fèi)時間判斷，值班人員想要以較快的速度處理問題面臨著很大的挑戰(zhàn)。

三、一體化播出系統(tǒng)

圖2是典型的一體化播出系統(tǒng)圖。一體化播出系統(tǒng)的組成相對簡單。使用PC通用設(shè)備（如高性能服務(wù)器）充當(dāng)一體化播出服務(wù)器完成信號輸出，字幕臺標(biāo)時鐘的疊加等基本播出功能，只需通過控制軟件對服務(wù)器進(jìn)行控制， 就可以按需求進(jìn)行信號的輸出。系統(tǒng)使用一主一備雙鏈路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)非常簡單，崩潰點(diǎn)反而變少。一旦主鏈路硬件故障發(fā)生故障，切換到備鏈路即可。應(yīng)急流程簡單高效，這樣的系統(tǒng)搭建非常迅速，在設(shè)備到位的情況下只需要簡單完成軟件的配置和調(diào)試，即可投入工作。關(guān)鍵設(shè)備就是本文題目提到的一體化播出服務(wù)器。運(yùn)用一體化播出服務(wù)器，可以大大簡化系統(tǒng)，也使系統(tǒng)的擴(kuò)容更新變得更加簡單，一體化播出服務(wù)器可以替代一系列傳統(tǒng)硬件設(shè)備。

圖3是一體化服務(wù)器替代傳統(tǒng)設(shè)備的示意圖。一體化播出服務(wù)器完成了以往由播出服務(wù)器，字幕機(jī)，切換矩陣，鍵混，臺標(biāo)以及上下變換器完成的所有工作，大大降低了成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。

四、一體化播出服務(wù)器

圖2　一體化播出系統(tǒng)

一體化播出服務(wù)器是應(yīng)用 All in One 設(shè)計(jì)理念、采用純 IT 技術(shù)架構(gòu)、融合GPU加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有廣泛的兼容性、穩(wěn)定性，靈活的擴(kuò)展性、以及模塊化的視頻服務(wù)器系統(tǒng)，具備豐富的輸入輸出模式、強(qiáng)大的格式處理及兼容能力，炫麗的 CG 特效合成能力，部署方便且配置靈活。將圖文、切換、臺標(biāo)等功能進(jìn)行了一體化集成及控制，具備完成頻道簡單播出的功能。系統(tǒng)采用軟件編解碼，支持多路信號的輸入，支持SDI信號，IP信號的輸出。

圖3　一體化服務(wù)器替代傳統(tǒng)設(shè)備

圖4　一體化播出服務(wù)器

一體化播出服務(wù)器核心由IT化的高穩(wěn)定服務(wù)器加專業(yè)板卡構(gòu)成，成熟的IT服務(wù)器能滿足24小時不間斷使用的要求。近年來硬件的提升和發(fā)展，以及編解碼算法的優(yōu)化使得通過軟件計(jì)算完全可以達(dá)到原有硬件設(shè)備的功能和要求。

4.1一體化播出服務(wù)器功能特點(diǎn)

一體化播出服務(wù)器具有以下功能特點(diǎn)：

高可靠性

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，降低系統(tǒng)隱患節(jié)點(diǎn)

（2）基于軟件編解碼，具備良好的視音頻文件格式兼容

（3）提高系統(tǒng)維護(hù)效率，降低系統(tǒng)系統(tǒng)維護(hù)風(fēng)險

（4）支持多路高、標(biāo)清播出

靈活擴(kuò)展性

（1）系統(tǒng)冗余、網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲容量可依據(jù)用戶需求擴(kuò)展；

（2）模塊化視音頻I/O端口設(shè)計(jì)，提高視音頻I/O靈活擴(kuò)展；

（3）數(shù)據(jù)、音頻和視頻格式擴(kuò)展時，可以很方便地添加到原系統(tǒng)中；

（4）獨(dú)立雙圖文設(shè)計(jì)，可同時疊加臺標(biāo)、時鐘。

良好的系統(tǒng)兼容性

（1）支持：MPEG2 I 幀、Mpeg2 IBP longGOP、H.264、H.265、ProRes；

（2）DNxHD、DVCPRO HD視音頻格式；

（3）支持多種封裝格式MXF、MPEG、mov等；

（4）支持VDCP LOUTH協(xié)議接口。

圖5　一體化服務(wù)器工作原理

圖6　IP化多屏合一

多功能，高性能

（1）支持本地節(jié)目單模式，提供開放接口，自動接受播出節(jié)目單，播出控制系統(tǒng)中斷后播出信號不中斷；

（2）高性能異步和多線程處理模式、配合 GPU 加速處理可實(shí)時調(diào)整圖層之間的合成混合模式，能夠同時播出多個動態(tài)圖層，每個圖層可播出 Video、Image、CG 等，通過混合切換器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖文播出效果；

（3）支持外來直播 Live 信號播出，能夠通過輸入 I/ O 卡實(shí)時輸入 SDI 信號并進(jìn)行延時可調(diào)的實(shí)時播出，能夠?qū)崿F(xiàn) SDI 輸入信號與文件之間的無縫切換播出，并支持在Live信號上進(jìn)行CG 特效的圖文播出；

（4）實(shí)時特效調(diào)整，所有的播出圖層可以實(shí)時通過控制命令實(shí)現(xiàn)效果的調(diào)整如：調(diào)節(jié)亮度、對比度、飽和度等，調(diào)整圖層之間的混合模式、移動方式、裁剪、伸縮、切換效果、調(diào)節(jié)音量等，能夠?qū)崿F(xiàn)DVE特效播出、畫中畫、馬賽克屏、包裝播出。

4.2一體化播出服務(wù)器功能實(shí)現(xiàn)

播出一體化出服務(wù)器的出現(xiàn)基于IT硬件設(shè)備的高速發(fā)展，通過服務(wù)器的計(jì)算能力完成高清視音頻的編解碼功能，主要包含編解碼處理單元，圖文處理單元，切換單元，輸入輸出單元幾部分，分別完成視音頻解碼，圖像渲染處理疊加，信號切換等功能。一體化服務(wù)器工作原理見圖5。

和相關(guān)的傳統(tǒng)設(shè)備相比，由于一切功能都基于軟件運(yùn)算，因此功能非常強(qiáng)大，提供更加靈活的諸如上/下變化，疊加圖文，IP輸出等功能，同時系統(tǒng)的兼容性更加出色，輸入輸出接口更加靈活多樣，可以滿足各種需求。

內(nèi)置的存儲已經(jīng)具備RAID容錯的功能，系統(tǒng)具有更高的擴(kuò)展性和安全性，但穩(wěn)定性有待驗(yàn)證，雖然現(xiàn)在高性能服務(wù)器在IT應(yīng)用上可以滿足大數(shù)據(jù)量的長時間不間斷運(yùn)算，但從理論上來說，高度集成化設(shè)備的穩(wěn)定性尚不如單一化硬件設(shè)備的穩(wěn)定性。

4.3信號IP化

關(guān)于電視信號IP化的業(yè)務(wù)討論，業(yè)界已經(jīng)很熱烈。筆者認(rèn)為不是技術(shù)革新要求廣電信號IP化，而是業(yè)務(wù)需求要求信號IP化。對于成熟的數(shù)字視頻傳輸技術(shù)，信號的穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)毋庸置疑，但是現(xiàn)在收視終端正在向多元化發(fā)展，電視機(jī)、電腦及手機(jī)承載相同的收視業(yè)務(wù)，甚至電視業(yè)務(wù)是在萎縮的，手機(jī)收視正在蓬勃發(fā)展。這種終端多元化，多屏合一的趨勢決定了IP化的必然結(jié)果。業(yè)務(wù)代表了受眾的需求，廣電需要解決的問題就是快速向IP化的無縫過渡，只有實(shí)現(xiàn)了IP化，才能完成多屏的推送，才能完成雙向互動，使得電視行業(yè)保持活力。那么首先，播出服務(wù)器必須具備輸出IP信號的能力。在早期，服務(wù)器需要兼容SDI和IP的輸入輸出，一旦整體建成體系化的IP網(wǎng)絡(luò)，全I(xiàn)P化的送播播出也是指日可待的。

IP化最大的意義在于適應(yīng)超高清發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)在我們談到高清已經(jīng)不是1080p至少應(yīng)達(dá)到4K級別，也就是3840*2160像素，我們可以粗略計(jì)算下，按10bit量化的4：2：2數(shù)字信號，碼率高達(dá)8.3Gbps，而目前的3G-SDI支持3Gbps的傳輸速率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到4K信號傳輸?shù)囊蟆，F(xiàn)在采用SDI傳輸超高清信號的做法是將超高清信號拆分成4路1080p高清信號進(jìn)行傳輸，但這樣的做法會造成系統(tǒng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而采用IP的方式可以使用單根網(wǎng)線或光纖進(jìn)行超高清信號的傳輸，只要傳輸總碼率不超過帶寬，在同一根網(wǎng)線或者光纖上可以同時雙向傳輸各種不同的信號，包括不同碼率和格式，可以傳輸視頻信號，時鐘信號，同步信號，文件等內(nèi)容。正因?yàn)槿绱?，IP架構(gòu)具有極大的便利性和靈活性。

但是從技術(shù)的角度上來說，IP信號并不是無懈可擊，還存在不少待解決，待優(yōu)化的問題：

（1）同步

同步在電視中心系統(tǒng)中是非常重要的，以太網(wǎng)本身的同步協(xié)議精度可以達(dá)到Ms級別，并不能滿足電視機(jī)構(gòu)對同步的緊密要求。目前，新的SMPTE 2059協(xié)議采用“最優(yōu)主時鐘算法”可以將精度控制在μs ，力爭解決同步問題。

（2）延時

延時也是電視系統(tǒng)中非常重要的指標(biāo)，隨著傳輸鏈路長度的增加，延時是不可避免的?，F(xiàn)在SDI傳輸方式產(chǎn)生的延時極小，能夠被電視系統(tǒng)接受，但I(xiàn)P傳輸由于壓縮編碼的特性，延時明顯高于SDI，這不但是由傳輸協(xié)議造成的，還跟硬件設(shè)備有關(guān)系。不管是協(xié)議還是硬件設(shè)備，都需要針對廣電信號的特點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，降低延時量，才能達(dá)到廣電的要求。

圖7　一體化服務(wù)器運(yùn)用場景

五、實(shí)際運(yùn)用場景

在我臺正在構(gòu)建的播出系統(tǒng)中，我們嘗試搭建了一體化IP播出服務(wù)器的運(yùn)用場景，一體化服務(wù)器運(yùn)用場景見圖7。由于對一體化服務(wù)器性能以及安全性尚沒有完全的把握，我們沒有貿(mào)然使用一體化服務(wù)器完成頻道播出工作，而是使用該類型的服務(wù)器構(gòu)造了一個最小備份播出系統(tǒng)。用途為提供第二級的備用信號，完善播出系統(tǒng)的容錯性。該服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫調(diào)用相應(yīng)頻道節(jié)目單，素材遷移刪除工作均由內(nèi)容服務(wù)平臺執(zhí)行相應(yīng)策略完成，一體化服務(wù)器按照串聯(lián)單安排，受播控工作站的指令控制，在本地素材線路信號之間自動切換。系統(tǒng)接入SDI演播室線路信號，中央臺衛(wèi)星信號，以及其他IP平臺的節(jié)目流，在服務(wù)器內(nèi)部利用制作好的CG模板完成臺標(biāo)，時鐘，字幕等圖文元素的疊加。直接輸出IP節(jié)目流至IP矩陣完成IP分發(fā)，并采用了IP轉(zhuǎn)SDI設(shè)備完成了頻道應(yīng)急系統(tǒng)的需求。

這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）為播出服務(wù)器提供異構(gòu)備份

原有的系統(tǒng)主備鏈路采用了同一品牌的播出服務(wù)器，在文件兼容性上有著明顯缺陷，一旦文件格式播出服務(wù)器不能識別，整個系統(tǒng)不能提供其他解決辦法。使用一體化播出服務(wù)器后，由于本身軟件解碼的特性，文件兼容性較好，且與原有服務(wù)器不屬一個品牌，屬于易購備份，無疑提高了系統(tǒng)的備份級別。

（2）成本低，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷

一體化服務(wù)器代替了一般播出系統(tǒng)中大量的周邊設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，成本降低。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，我們采用了自動讀取節(jié)目單，按照既定策略進(jìn)行素材遷移和刪除的方式，基本不需要人工進(jìn)行干預(yù)。

（3）進(jìn)行IP化嘗試

我臺總控系統(tǒng)已經(jīng)配備IP矩陣，為播出端及早的提供IP播出信號，可以滿足更多層面的需要。目前設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在不影響原系統(tǒng)播出業(yè)務(wù)的同時，率先進(jìn)行了IP化嘗試。

六、小結(jié)

電視信號的IP化，電視播出系統(tǒng)的一體化是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，直接關(guān)系到電視行業(yè)的發(fā)展之路。在對安全穩(wěn)定性要求最高的播出環(huán)節(jié)，是否能引入IP化播出，一體化播出，是非常關(guān)鍵的一環(huán)。面對新的技術(shù)，我們應(yīng)該勇于嘗試，在實(shí)踐中驗(yàn)證設(shè)備的可靠，方案的可行，力爭盡早推進(jìn)電視播出信號IP化，完成擁抱互聯(lián)網(wǎng)的第一步。希望通過此文拋磚引玉引發(fā)更多人對一體化IP播出設(shè)備的興趣和研究，增加更多的實(shí)際應(yīng)用場景，以實(shí)際應(yīng)用促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和完善。