吳世佳

（海口廣播電視臺，海南 ?？?570126）

0 引言

隨著20 世紀80 年代末電視由模擬向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）在電視系統(tǒng)中幾乎無處不在，隨之而來的是電視行業(yè)最繁榮的時期。2010 年后，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)（Information Technology，IT）的蓬勃發(fā)展，4K、8K 超高清技術(shù)的出現(xiàn)及基于網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）網(wǎng)絡(luò)的傳輸標準日益完善，電視系統(tǒng)傳統(tǒng)的SDI 技術(shù)架構(gòu)在帶寬、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、資源的靈活配置等方面顯得越來越力不從心。而面向互聯(lián)網(wǎng)的IP 技術(shù)、虛擬化技術(shù)、云技術(shù)以海量的帶寬、算力、存儲資源池、靈活的業(yè)務(wù)部署方式以及多樣的兼容性為電視播出系統(tǒng)的架構(gòu)提供了新的思路。

電視系統(tǒng)傳統(tǒng)的SDI 架構(gòu)具有延遲低、無壓縮、低抖動、基于幀的切換以及設(shè)備連接簡單等優(yōu)點，但其在建設(shè)成本、帶寬、傳送距離及智能化等方面相較于日益成熟的IP 技術(shù)架構(gòu)處于劣勢。面向互聯(lián)網(wǎng)的IP 技術(shù)具有海量的帶寬、多樣的兼容性、高可擴展性、靈活的數(shù)據(jù)交換方式以及布線簡單等特點。目前，信號IP 壓縮編碼方式及基于IP 網(wǎng)絡(luò)的傳輸標準日益成熟、完善。2022 年，北京冬奧會實現(xiàn)了全球首次“云上奧運”，是電視轉(zhuǎn)播的一次重大技術(shù)進步。因此，電視播出系統(tǒng)架構(gòu)從SDI 向全IP 架構(gòu)轉(zhuǎn)變，全IP 架構(gòu)電視播出和IP 化的云播出共存，將是電視播出系統(tǒng)架構(gòu)的趨勢。本文將對電視播出系統(tǒng)架構(gòu)的過去、現(xiàn)在、未來進行說明分析，引出大家對今后電視播出系統(tǒng)架構(gòu)選擇的更深層次的思考。

1 電視播出系統(tǒng)架構(gòu)的過去——傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)

SDI 架構(gòu)是電視人的老朋友。隨著20 世紀80 年代末電視由模擬向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，它在電視系統(tǒng)中幾乎無處不在，成為當(dāng)時電視播出系統(tǒng)的典型架構(gòu)。SDI 是基于電影和電視工程師協(xié)會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）串行鏈路標準，通過75 Ω 同軸電纜傳輸未壓縮的數(shù)字視頻的一種實時傳輸系統(tǒng)[1]。由于SDI 接口中傳輸?shù)氖菬o壓縮的串行數(shù)字信號，因此壓縮數(shù)字信號要進入SDI 系統(tǒng)，必須經(jīng)過解壓才能進入。SDI 接口可簡單地分為SD-SDI（270 Mb·s-1，SMPTE 259M）、HD-SDI（1.485 Gb·s-1，SMPTE 292M）、3G-SDI（2.97 Gb·s-1，SMPTE 424M）、12G-SDI（12 Gb·s-1，SMPTE ST-2082）。SDI 的優(yōu)點在于使用同軸電纜進行未壓縮的原始視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸，真實呈現(xiàn)畫質(zhì)無損的視頻內(nèi)容，保證圖像的實時性?，F(xiàn)行SDI 接口標準的對比如表1 所示。

表1 現(xiàn)行SDI 接口標準對比

一個傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)高標清同播的電視播出系統(tǒng)如圖1 所示，切換臺是核心，播出控制機通過控制切換臺切換播出服務(wù)器信號、總控矩陣信號、中國中央電視臺（China Central Television，CCTV）衛(wèi)星或同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）信號，墊片信號等信號源，輸出節(jié)目信號（Program，PGM）通過帶等響度功能二選一開關(guān)給主備高清編碼器后，經(jīng)復(fù)用器送下游傳輸單位。切換臺Clean 口信號經(jīng)下變換器，做標清同播，同時切換臺還負責(zé)上臺標、上鍵的工作。PGM、預(yù)置（Preset，PST）、CLEAN 等信號通過視分分配去多畫面系統(tǒng)。技術(shù)人員通過多畫面對系統(tǒng)中不同點信號進行實時監(jiān)看，就可以準確地判斷系統(tǒng)故障所在，從而快速地解決電視播出遇到的問題。這種傳統(tǒng)HD-SDI 架構(gòu)的電視播出系統(tǒng)具有以下特點：實時傳輸視頻信號，保證圖像的實時性；固有的近乎即插即用功能使得系統(tǒng)的建設(shè)更加輕松、安全；電纜和設(shè)備的可靠性高，使得整個系統(tǒng)具有相當(dāng)高的可靠性；測量和系統(tǒng)診斷工具成熟，系統(tǒng)出現(xiàn)致命故障的風(fēng)險極低。SDI 就是憑借這些優(yōu)秀的特性，引領(lǐng)電視播出系統(tǒng)架構(gòu)數(shù)十載。

圖1 傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)高標清同播系統(tǒng)圖

2 電視播出系統(tǒng)架構(gòu)的現(xiàn)在——SDI與IP 的融合

隨著我國廣播電視全面進入4K/8K 時代，SDI已逐漸不能滿足4K/8K 化制播所要求的高幀率、高碼率、寬色域等帶來的低延遲、高帶寬的要求。同時，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)設(shè)備的不斷成熟，新媒體的不斷拓展、高清化網(wǎng)絡(luò)制播的發(fā)展，以SDI 為基礎(chǔ)架構(gòu)的制播體系已難以滿足廣播電視中心未來技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)擴展的需求。實現(xiàn)制播架構(gòu)的IP化，將IP技術(shù)與SDI技術(shù)相互融合，勢在必行[2]。SMPTE ST 2022 及其后續(xù)SMPTE ST 2110 系列標準的相繼發(fā)布，直接加速了SDI 與IP 技術(shù)的融合。

過去SDI over IP 的解決方案中，僅把以太網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)的傳輸通道來使用，并未對SDI 信號封裝做處理。SMPTE ST 2022 系列標準詳細定義了SDI在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腎P 網(wǎng)絡(luò)高碼率媒體信號傳輸、IP網(wǎng)絡(luò)恒定/可變碼率MPEG TS 流單向傳輸、IP 網(wǎng)絡(luò)實時視頻/音頻前向糾錯等SDI 信號的IP 化傳輸標準。其中最重要的SMPTE ST 2022-6 標準依據(jù)實時傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）、精確時鐘同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）[3]、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)分組管理協(xié)議等協(xié)議構(gòu)成元數(shù)據(jù)，定義了SDI 信號的IP 封裝格式。基于SMPTE ST 2022 系列標準，就可以不僅僅只能通過同軸電纜發(fā)送或接收高碼率SDI 視頻信號了。

隨后，SMPTE 發(fā)布了ST 2110 系列標準，對SMPTE ST 2022-6 標準的不足進行了補充。兩者最大的差別在于：SMPTE ST 2022-6 標準只是單純地對SDI 信號進行IP 封裝，對于視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)未進行區(qū)分；而SMPTE ST 2110 標準則是把SDI信號中的視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)單獨封裝后分別進行傳輸[4]。

SMPTE ST 2110 標準與SMPTE ST 2022-6 標準對于SDI 信號數(shù)據(jù)不同的封裝方式導(dǎo)致兩者在系統(tǒng)設(shè)計思路上存在根本性的不同。采用SMPTE ST 2022-6 標準建設(shè)的系統(tǒng)，其IP 流都是經(jīng)過壓縮的，當(dāng)需要單獨處理視頻、音頻或者輔助數(shù)據(jù)的時候，需要對流進行解嵌，處理完成后再進行加嵌。

而采用SMPTE ST 2110 標準建設(shè)的系統(tǒng)，由于其視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)流單獨封裝、分別傳輸，當(dāng)需要單獨處理視頻、音頻或者輔助數(shù)據(jù)的時候，可以直接對相應(yīng)的流進行處理，免去了SMPTE ST 2022-6 系統(tǒng)中對流解嵌再加嵌的過程。這樣不僅提升了系統(tǒng)的可擴展性，而且增加了系統(tǒng)帶寬的彈性。由于SMPTE ST 2110 系統(tǒng)中分別傳輸了3 種不同的流，相較于SMPTE ST 2022-6 系統(tǒng)的單一流，ST 2110 系統(tǒng)中視頻、音頻流之間的同步就難得多。因此SMPTE ST 2110 系統(tǒng)采用PTP 作為整個系統(tǒng)的同步信號，采用RTP 時間戳進行音頻、視頻流自身的同步，采用網(wǎng)絡(luò)時鐘協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）進行音頻、視頻流之間的同步，這也是SMPTE ST 2110-10 標準比較核心的內(nèi)容。一個典型的SDI 和IP 融合的電視播出系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 SDI 與IP 互為主備的電視播出系統(tǒng)圖

通過圖2 不難看出，傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)和IP 架構(gòu)播出系統(tǒng)最大的不同在于：播出系統(tǒng)中信號格式不同，SDI 架構(gòu)播出系統(tǒng)中信號為基帶信號，而IP 架構(gòu)播出系統(tǒng)中信號為SMPTE ST2110 IP 流信號[5]；切換方式不同，SDI 架構(gòu)播出系統(tǒng)采用RS-232/RS-442接口控制切換臺輸出SDI 信號，IP 架構(gòu)播出系統(tǒng)運用Internet 組管理協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP）Join/Leave 方式實現(xiàn)信號靜凈切換；同步方式不同，SDI 架構(gòu)播出系統(tǒng)采用BB 信號作為系統(tǒng)同步信號，IP 架構(gòu)播出系統(tǒng)則采用PTP、NTP、RTP 時間戳等作為視頻、音頻流及系統(tǒng)的同步；播出控制方式不同，SDI 架構(gòu)播出系統(tǒng)采用RS-232/RS-422 接口進行播出控制，IP 架構(gòu)播出系統(tǒng)采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、IGMP 等協(xié)議進行播出控制。

當(dāng)下SDI 和IP 融合的電視播出系統(tǒng)中，大多采取SDI 架構(gòu)和IP 架構(gòu)互為備份的冗余設(shè)計，這樣設(shè)計的目的在于，應(yīng)用新技術(shù)的同時能保證安全播出的底線。傳統(tǒng)的SDI 架構(gòu)部分保留了基帶矩陣，使用播出控制機運用RS-232/RS-442 接口控制切換臺輸出SDI 信號，在這一部分系統(tǒng)架構(gòu)中，基帶信號、BB 信號、RS-232/RS-422、通用輸入（General Purpose Input，GPI）這些SDI 架構(gòu)播出系統(tǒng)中的要素依然存在。IP 架構(gòu)部分則引入了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)關(guān)（Internet Protocol Gateway，IPG）、SDN 交 換 機和PTP 同步，外來基帶信號通過IPG 網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為IP架構(gòu)系統(tǒng)所需要的IP 流進入系統(tǒng)，而需要播出的節(jié)目素材則通過視頻服務(wù)器直接以IP 流的方式輸出，切換方式采用IGMP Join/Leave 進行播出信號的靜凈切換。

3 電視播出系統(tǒng)架構(gòu)的未來——全IP化的云播出

安全是電視播出的生命線，因此當(dāng)下大部分IP架構(gòu)電視播出系統(tǒng)采用SDI 與IP 互為備份的方式，在應(yīng)用新技術(shù)的同時能保證播出的安全。隨著IP技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的日益成熟，全IP 架構(gòu)的電視播出系統(tǒng)必然是大勢所趨。但隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)直播、網(wǎng)絡(luò)點播已經(jīng)對傳統(tǒng)的電視行業(yè)造成了巨大沖擊，若只是單純地把IP 技術(shù)運用到廣電行業(yè)、廣播電視中心，仍然將業(yè)務(wù)停留在傳統(tǒng)大屏，忽視互聯(lián)網(wǎng)端、移動端，顯然不僅無法滿足其業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，而且對廣播電視中心的生存也會構(gòu)成威脅。為滿足互聯(lián)網(wǎng)端、移動端的需求，“云”提供了一個不錯的選擇。2022 年，北京冬奧會成功實現(xiàn)了全球首次“云上奧運”，實現(xiàn)了“云轉(zhuǎn)播”，為電視播出系統(tǒng)的架構(gòu)提供了新的思路。

傳統(tǒng)的電視轉(zhuǎn)播中，轉(zhuǎn)播車、攝像機、光纖或者衛(wèi)星傳輸鏈路是必不可少的要素。而云上轉(zhuǎn)播將設(shè)備功能軟件化，提供虛擬化的視頻處理及基于IP 網(wǎng)絡(luò)的流信號。一些中小型轉(zhuǎn)播媒體不需要轉(zhuǎn)播現(xiàn)場，就可以遠程接收、轉(zhuǎn)播賽事內(nèi)容并可以進行特效視頻、內(nèi)容集錦制作及精彩回放等。云上轉(zhuǎn)播借助云技術(shù)的高帶寬、低延遲、高并發(fā)的特點，提供全景觀看的電影特效式畫面及高自由視角觀賽特效，對于體育賽事中運動員的精彩瞬間進行360°全方位自由觀看視角捕捉，為觀眾帶來更加多樣的節(jié)目觀看方式和更加豐富的沉浸式觀看體驗，這是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)播技術(shù)無法實現(xiàn)的。

云上轉(zhuǎn)播利用虛擬化的計算資源及存儲資源池，實現(xiàn)制播的云化、遠程化，極大地降低現(xiàn)場轉(zhuǎn)播負載。節(jié)目轉(zhuǎn)播現(xiàn)場除攝像設(shè)備以外，所有導(dǎo)、切制作均可以在云端完成。通過云轉(zhuǎn)播平臺，工作人員只需要筆記本電腦，就可以實現(xiàn)多路信號的云上切換。節(jié)目制作人員在咖啡店、家里或者其他任何地方，都可以借助云端提供的虛擬化視頻處理功能完成節(jié)目的制作。目前，不論是廣播級的攝像機還是手機等非專業(yè)攝像設(shè)備，都能在云轉(zhuǎn)播系統(tǒng)前端發(fā)揮應(yīng)有的作用。通過“云轉(zhuǎn)播”，觀眾可以看到多路轉(zhuǎn)播信號，實現(xiàn)多維視角觀看。相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)播只能觀看一路信號，云轉(zhuǎn)播有著更加良好的觀看體驗。阿里體育公有云播出的應(yīng)用案例如圖3所示。

圖3 阿里體育公有云播出架構(gòu)

圖3 是阿里體育使用公有云進行播出的成功案例，其云播具有以下特點：用于阿里體育版權(quán)的一些低成本體育賽事的轉(zhuǎn)播、輪播，部署在阿里云，真實公有云租賃環(huán)境，PGM 采用RTMP 點對點協(xié)議，直播信源也采用RTMP，RTMP 流均經(jīng)過流媒體服務(wù)器，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，具備相對完整的云管控功能（后頁為Web 界面），支持公有云快速部署。

盡管2022 年冬奧會實現(xiàn)了全球首次“云上奧運”，實現(xiàn)了“云轉(zhuǎn)播”，并且給觀眾帶來隨時隨地的、全新視角的沉浸式視覺體驗，但云播出在許多關(guān)鍵性問題上也面臨諸多挑戰(zhàn)。

私有云環(huán)境下，云播出面臨的挑戰(zhàn)包括無壓縮IP ST 2110 信號兼容性（碼流指標包括PIT、流量整形、PTP 同步指標等），網(wǎng)絡(luò)媒體開放規(guī)范（Networked Media Open Specification，NMOS）功能及兼容性，ST 2110 信號監(jiān)測與信號故障應(yīng)急，系統(tǒng)中IP 流可觀測性以及軟件運行狀態(tài)監(jiān)測。

公有云環(huán)境下，云播出面臨的挑戰(zhàn)包括網(wǎng)絡(luò)安全（EBU-R143），節(jié)目單、文件同步的安全傳輸以及時效性保證（支持異構(gòu)第三方），低延遲要求，公網(wǎng)下信號的安全、可靠傳輸，軟件運行監(jiān)控以及信號監(jiān)測（信號實時性、故障應(yīng)急）。

上述關(guān)鍵性問題使得云播出在當(dāng)下應(yīng)用場景限于電視播出系統(tǒng)第三備、第四備、災(zāi)備，輕量級播出及互聯(lián)網(wǎng)運營。

4 結(jié)語

本文詳細介紹了電視播出系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在和未來，總結(jié)了云播出技術(shù)在一些關(guān)鍵性問題上面臨的挑戰(zhàn)。盡管面臨挑戰(zhàn)，隨著廣播電視技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，全IP 化的云播出仍是電視播出系統(tǒng)架構(gòu)一個很好的選擇。