廖忠政

【摘要】本文通過對廣東綜藝4K超高清播出系統(tǒng)的介紹，以總體架構(gòu)、視音頻鏈路為基礎(chǔ)，對4K的應(yīng)急切換在實(shí)際播出中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)探討。

【關(guān)鍵詞】4K超高清 凈切換一致性比對 KPI

一.前言

4K超高清電視比高清電視有更高的圖像分辨率、幀率、動態(tài)范圍和更寬廣的色域，可配置更好地適應(yīng)環(huán)境，從而提供更具沉浸感及更好體驗(yàn)的音視頻服務(wù)。推進(jìn)4K超高清電視網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，根據(jù)國家新聞出版廣電總局關(guān)于規(guī)范和促進(jìn)4K超高清電視發(fā)展的規(guī)劃，我臺積極探索新模式、新業(yè)態(tài)、新服務(wù)的迫切需求。2017年年初，廣東廣播電視臺開始籌建4K超高清頻道播出系統(tǒng)，同年12月進(jìn)行試播，2018年10月16日，廣東綜藝4K超高清頻道正式開播。本文將介紹廣東綜藝4K頻道播出系統(tǒng)的架構(gòu)以及應(yīng)急切換在播出過程中的具體應(yīng)用。

二.4K超高清系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)目前實(shí)際情況，廣東綜藝4K超高清播出系統(tǒng)采用以文件化播出為主、外來直播信號播出為輔的無壓縮播出架構(gòu)，其中4K超高清節(jié)目文件采用與制作域一致的原碼率和格式，外來直播信號通過總控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)無壓縮信號播出。

1.整體框架業(yè)務(wù)范圍

播出控制系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍，對外系統(tǒng)包括總控系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、備播系統(tǒng)、編單系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)，具體如圖1。劃分成播出控制系統(tǒng)對外的業(yè)務(wù)交互和對內(nèi)的業(yè)務(wù)交互。

系統(tǒng)對外的業(yè)務(wù)交互包括：與總控系統(tǒng)是信號交互，接收總控調(diào)度過來的直播信號；與傳輸系統(tǒng)也是信號交互，將播出信號送到傳輸平臺；與備播系統(tǒng)是文件交互，接收備播系統(tǒng)傳輸過來的視頻文件和圖文文件，傳輸?shù)讲コ鲆曨l服務(wù)器；與輔助系統(tǒng)主要是日志信息交互，為故障判斷提供幫助；與編單系統(tǒng)是節(jié)目信息交互，接收編單系統(tǒng)的節(jié)目單信息，并將播后信息返回給編單系統(tǒng)；與監(jiān)管系統(tǒng)是軟件運(yùn)行的信息交互，將播出狀態(tài)、軟件運(yùn)行狀態(tài)、故障信息發(fā)送給監(jiān)管系統(tǒng)。

系統(tǒng)對內(nèi)的業(yè)務(wù)交互主要是播控軟件根據(jù)播出節(jié)目串聯(lián)單，控制視頻服務(wù)器和矩陣完成信號的切換播出。主要分為常規(guī)播出，即ALL IN ONE視頻服務(wù)器播出，還有應(yīng)急播出，即機(jī)動備份播出、墊片播出。

2.軟件架構(gòu)

廣東綜藝4K超高清播出控制系統(tǒng)、管理及監(jiān)控平臺的軟件架構(gòu)采用云架構(gòu)和微服務(wù)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循模塊化、層級化的原則，關(guān)系明確，邊界清晰。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載增加時，可平行擴(kuò)充，組件可獨(dú)立的開發(fā)、部署、管理和支持彈性伸縮?；竟δ芙M件能夠快速上線、并可以通過快速迭代升級方式完成系統(tǒng)建設(shè)，這也為我臺將來的發(fā)展升級提供可行性。

三.視音頻播出系統(tǒng)

4K超高清播出系統(tǒng)和傳統(tǒng)高清播出系統(tǒng)相比，在通話、同步及時鐘上基本相同，最大的區(qū)別在于4K視頻信號由4個3G-SDI信號組成，所以每個信號的傳輸都需要4根視頻線。還有，監(jiān)看系統(tǒng)的設(shè)備、配置和傳統(tǒng)高清系統(tǒng)差別也有很大區(qū)別。視音頻系統(tǒng)主要由視頻服務(wù)器、監(jiān)看檢測以及切換部分組成，具體如圖2所示。

1.視頻服務(wù)器

考慮到現(xiàn)今IP播出的發(fā)展趨勢，以及目前廣電4K超高清播出設(shè)備的實(shí)際情況，建議核心視頻服務(wù)器采用All in one結(jié)構(gòu)，既可滿足線路信號切換、字幕、臺標(biāo)等傳統(tǒng)播出功能，又能在基帶電纜傳輸和IP光纖傳輸之間進(jìn)行靈活選擇，具備一定彈性和靈活性。為應(yīng)對單一設(shè)備集成度過高所造成的風(fēng)險，可考慮采用同構(gòu)主備路加異構(gòu)第三備的播出模式，并建立節(jié)目素材技術(shù)審查通道和提前播通道，以提早發(fā)現(xiàn)和解決問題，將播出風(fēng)險前置。播出視頻服務(wù)器集成圖文疊加和外來信號切換功能，節(jié)省了傳統(tǒng)的切換器和鍵控器，使視音頻系統(tǒng)架構(gòu)更加簡單。視頻服務(wù)器采用主、備和第三備的方式，主備是Harmonic SpectrumX服務(wù)器，第三備采用異構(gòu)的大洋VIPS-4K服務(wù)器，提供了播出安全性。在3臺視頻服務(wù)器基礎(chǔ)之上，還配置了SONY的墊片播放器，用于循環(huán)播放墊片節(jié)目，做為應(yīng)急信號源。

2.基帶播出信號切換

系統(tǒng)配備支持凈切換的倒換設(shè)備，支持同構(gòu)主、備和異構(gòu)第三備三路4K播出信號進(jìn)行倒換，其中同構(gòu)主、備路要求支持信號中斷、黑場、靜幀、無聲等故障檢測和自動倒換，閥值可手動設(shè)置，倒換設(shè)備支持遠(yuǎn)程面板控制和斷電旁通主路功能。4X1倒換器做為整個播出系統(tǒng)的最核心設(shè)備之一，能夠支持幀精度的靜切換。

3.監(jiān)看檢測

播出信號監(jiān)看采用4K超高清多畫面分割器，支持12路4K信號，可對主、備、第三備視頻服務(wù)器的信號、總控直播信號、墊片信號、主備4X1輸出信號和PGM總輸出信號進(jìn)行畫面監(jiān)看。對于4K視音頻信號質(zhì)量（靜幀、黑場、靜音）檢測，采用3臺科利通的Fresco-Supervisio，可對12路4K信號進(jìn)行實(shí)時分析檢測，對各種信號異常情況設(shè)定閾值，超過閾值則進(jìn)行聲音報(bào)警。另外配合大洋睿御監(jiān)管系統(tǒng)，以視音頻監(jiān)控系統(tǒng)圖的形式，顯示各信號檢測點(diǎn)實(shí)時4K圖像畫面，有問題則聲光報(bào)警，便于快速定位故障點(diǎn)，值班人員進(jìn)而及時做出應(yīng)急處理。

四.應(yīng)急切換的應(yīng)用

1.一致性比對

單純使用K P I（播出質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)）進(jìn)行畫面問題自動判斷，可能存在KPI報(bào)警時間閾值過長而導(dǎo)致報(bào)警延誤?？赏ㄟ^畫面一致性比對輔助改善，提高播出系統(tǒng)的安全性。一致性比對就是在給定的延時范圍內(nèi)，比較視音頻信號的一致性，如圖3所示，用于測量主備（或多路）視頻音信號之間差異、延時、偏移，并按照設(shè)定的策略對播出系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警，并為值班的應(yīng)急處理提供幫助。

廣東綜藝4K超高清系統(tǒng)中，三條信號鏈路（主路、備路、三備）畫面內(nèi)容在正常情況下應(yīng)完全相同，使用畫面內(nèi)容自動比對技術(shù)可讓系統(tǒng)立即判斷并報(bào)出一致性比對結(jié)果，輔助操作人員快速判斷畫面是否存在問題。

如圖4所示，本系統(tǒng)使用的信號比對儀輸入端口為3G-SDI BNC接口，數(shù)量為12個，可對信號進(jìn)行視音頻指紋提取、并比對分析一致性，滿足三路Qua-Link 4K畫面的輸入需求（第四路信號為墊片，內(nèi)容與其他信號不一致，不具有比對可用性）。信號連接方式為：12路3G-SDI全部接入信號比對儀，邏輯上對同屬一路4K信號的4路SDI信號進(jìn)行標(biāo)記。比對時，將各路信號的相應(yīng)位置四分之一畫幅進(jìn)行兩兩比對，有任意四分之一畫面不同，則認(rèn)為兩路4K信號內(nèi)容不同。同理，三組4K信號可分別進(jìn)行兩兩比對，判定相互一致性。除畫面內(nèi)容的一致性外，本比對儀還可對信號延時、插幀、倒序輸入、亮度、聲音內(nèi)容的一致性做出判斷，如實(shí)際業(yè)務(wù)情況需要可及時上報(bào)相關(guān)一致性問題。

通過指紋比對技術(shù)比較多路信號的內(nèi)容一致性，通過橫向一致性比對，可用于末級主備畫面，指導(dǎo)值班人員進(jìn)行應(yīng)急切換操作；通過縱向一致性比對，用于定位完整播出鏈路上的問題點(diǎn)，協(xié)助值班人員定準(zhǔn)確定位播出故障設(shè)備，快速恢復(fù)正常播出，保證播出安全。具體如圖5所示。

2.4K凈切換

在實(shí)際播出的應(yīng)用中，本系統(tǒng)鏈路末級配置的是4臺雙路二選一倒換器，共計(jì)16個3G-SDI輸入端口，8個3G-SDI輸出端口，數(shù)量上可滿足4路4K信號的四選一需求，每臺雙路二選一倒換器自帶幀同步，支持凈切換，控制面板通過GPI實(shí)現(xiàn)4路IP信號的4路3G-SDI信號幀精度凈切換。4臺設(shè)備在接收到GPI切換指令時，都在視頻切換行處進(jìn)行切換，此時切換發(fā)生后所有信號的切換均基于同步的幀精度，即實(shí)現(xiàn)了基于Qua-Link連接的4K基帶信號的凈切換，如圖6所示。另外，由于切換面板與4臺雙路二選一倒換器的GPI連接方式為并聯(lián)，所以如果任一臺二選一設(shè)備出現(xiàn)短路故障，切換面板將無法判斷其他二選一設(shè)備的GPI控制口電位水平。對于這個問題，我們的解決辦法是在控制面板和四臺二選一倒換器間增加了單向信號限流裝置，使短路故障的電平無法影響其他二選一倒換器的GPI控制口電勢差，避免了切換設(shè)備單點(diǎn)故障對播出的影響。

3.應(yīng)急案例分析

在本播出系統(tǒng)中使用的是大洋的多畫面比對系統(tǒng)，在主、備、第三備視頻服務(wù)器之間進(jìn)行兩兩比對，輸出結(jié)果，具體如以下的邏輯表。只要比對結(jié)果不一致，說明必有故障發(fā)生，該系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)際比對的結(jié)果，輸出操作建議，并伴有圖文和聲音報(bào)警。具體如表1格。

舉一個播出中的常見故障，當(dāng)主視頻服務(wù)器出現(xiàn)靜音故障時，主與備比對，主與第三備比對，備與第三備比對，根據(jù)比對結(jié)果，得出的操作結(jié)論就是切換到備視頻服務(wù)器，具體如圖7所示，值班員根據(jù)以上的比對提示操作末端的兩個4X1切換器，倒換到備服務(wù)器播出。這種應(yīng)急處理模式思維清晰，操作簡單，有利于播出故障的準(zhǔn)確判斷和快速應(yīng)急。

五.結(jié)束語

目前，廣東綜藝4K頻道主要以硬盤為主，實(shí)現(xiàn)24小時不間斷播出，節(jié)目素材主要以臺內(nèi)制作及外購為主，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該頻道還大膽嘗試、勇于創(chuàng)新，積極聯(lián)合我臺體育部對《CBA籃球賽》、《廣州羽毛球賽》等進(jìn)行直播，取得令人滿意的效果。在應(yīng)急切換方面，希望能有效結(jié)合內(nèi)容一致性比對、信號異態(tài)檢測、節(jié)目技審等手段，經(jīng)過系統(tǒng)的綜合分析后，真正實(shí)現(xiàn)末端信號的智能應(yīng)急切換。

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