夏旭

摘要：隨著《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2019-2022年）》的發(fā)布與實施，為進一步實施“4K先行、兼顧8K”的行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，提升超高清電視播出系統(tǒng)的建設(shè)運行效率，有必要對12G SDI技術(shù)進行深入探究。文章基于12G SDI技術(shù)設(shè)計了超高清電視播出系統(tǒng)架構(gòu)，分析了系統(tǒng)功能配置及實現(xiàn)情況，并從信號源接入轉(zhuǎn)換、視頻播放存儲、播出控制、延時播出、高標清同播等方面展開了論述，希望能夠為超高清電視播出系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：12G SDI技術(shù)；超高清；電視播出系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.007

中圖分類號：TN 949.17? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-03

近年來我國經(jīng)濟快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)格局升級迭代趨勢明朗，各種先進的技術(shù)手段不斷涌現(xiàn)，為各行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展注入了活力。電視視頻行業(yè)受到滋養(yǎng)和驅(qū)動，同樣步入了高質(zhì)量發(fā)展新階段，如何優(yōu)化電視視頻畫質(zhì)，實現(xiàn)12G SDI技術(shù)的融合應用，成為諸多電視視頻制作者關(guān)注的焦點。

1? ?基于12G SDI技術(shù)的超高清電視播出

系統(tǒng)架構(gòu)

4K超高清電視播出系統(tǒng)建設(shè)之初，采用4線3G SDI接口傳輸信號，雖然能夠保證畫質(zhì)的優(yōu)化提升，但是容易造成設(shè)備系統(tǒng)冗余問題，12G SDI就是在這種背景下產(chǎn)生的。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，12G SDI接線方式更簡單，可以將4根線纜整合為1根，系統(tǒng)部署更加簡潔，傳輸速率更高。為滿足新時期用戶對電視播出畫質(zhì)的高要求，需要借助12G SDI技術(shù)進行新播出系統(tǒng)的搭建。本文中設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)主要包含3個層級，即資源層、服務(wù)層和應用層。其中，資源層包含各種網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備、存儲物理設(shè)備、數(shù)據(jù)庫物理設(shè)備等，是整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)；服務(wù)層主要負責管理各功能算法，提供時鐘服務(wù)、日志服務(wù)等，系統(tǒng)設(shè)計人員可以在此編寫各功能板塊規(guī)則，實現(xiàn)功能的針對化設(shè)計應用；應用層主要包含人機接口，工作人員可以通過該板塊進行SDI遠程播出控制，實現(xiàn)信號的接入轉(zhuǎn)換、視頻的播放存儲、節(jié)目單的修改等。當系統(tǒng)正式運行時，總編室可通過平臺獲取備播節(jié)目信息，開展節(jié)目單編排工作，關(guān)聯(lián)好所有的節(jié)目文件，然后通過12G SDI接口向數(shù)據(jù)庫提交編排好的節(jié)目單，整合素材信息、節(jié)目單通過審核后完成節(jié)目的播放。值班人員可手動加載和追加節(jié)目單，并根據(jù)播出情況調(diào)整服務(wù)器參數(shù)，完成基于12G SDI的超高清電視節(jié)目播出。下面詳細介紹超高清播出系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊。

2? ?基于12G SDI技術(shù)的超高清電視播出

系統(tǒng)功能配置

2.1 信號源接入及轉(zhuǎn)換功能

該功能主要負責接收演播室直播信號、VTR視頻信號等，經(jīng)由CPU控制板識別處理后，傳輸給視頻播放及存儲模塊，實現(xiàn)超高清電視節(jié)目的播出。該板塊設(shè)計的關(guān)鍵問題在于物理設(shè)施的配置和視頻鏈路的設(shè)計。在物理設(shè)施配置方面，主要采用模塊化機箱，內(nèi)部的CPU控制板、電源等支持在線熱插拔，能夠在12G SDI串行控制接口的輔助下，完成數(shù)據(jù)信息的傳輸和處理。機箱對接4塊面板，2塊AUX母線面板[1]，可以用于播出和矩陣信號的調(diào)度監(jiān)看。視頻鏈路設(shè)計采用“分控矩陣+ALL IN ONE”的方式，多個頻道共用主備分控矩陣。各傳輸鏈路相對獨立，自適應線纜均衡，能夠滿足光纖接口和幀同步需求，線纜輸入長度在100 m以上，輸出信號還支持時鐘再生。總控對接的設(shè)備全部經(jīng)過優(yōu)化評估，采用全高清配置標準，且支持遠程遙控、監(jiān)控和12G SDI串行通信。另外配備了3×1切換器，能夠在電視播出過程中完成信號的應急倒換，配合前置矩陣等完成熱備通道的切換和啟用。

2.2 視頻播放及存儲功能

視頻播放模塊需要完成6個超高清頻道的播出任務(wù)，因此采用了基于12G SDI的主備雙SAN架構(gòu)，可以將所有頻道集中在一套SAN架構(gòu)中，實現(xiàn)集中存儲和資源共享，方便審核人員集成審片，節(jié)約時間。遇到延時播、應急上載播出的情況，可以另外調(diào)用單機服務(wù)器進行播出控制。視頻服務(wù)器配置了2 GB以太網(wǎng)接口，能夠在FTP、CIFS等協(xié)議的支持下完成播控信息的傳輸。普通視頻文件符合MXF OPla標準；超高清視頻本身占用的資源較多，因此采用MPEG-2編碼壓縮管理方式，壓縮后傳輸效率可以達到50 Mbps。系統(tǒng)可以根據(jù)需求進行4∶2∶2或4∶2∶0數(shù)字視頻采樣。音頻采用嵌入方式，單路視頻可以嵌入多路數(shù)字音頻信號，滿足超高清電視的差異化播出需求，后臺還可以實時更換幀精準度，方便節(jié)目集間插播廣告。此外，視頻服務(wù)器運行環(huán)節(jié)還需要考慮頻道內(nèi)容的存儲問題，12G SDI超高清電視播出系統(tǒng)共對接3個演播室、6個頻道，每天可保持6小時左右的生產(chǎn)量，且素材存儲時間要至少滿1個月，因此存儲空間計算結(jié)果為25.3 TB。在此基礎(chǔ)上考慮了超高清播出系統(tǒng)的緩沖需求，按照20%的緩沖空間計算，將整個平臺的有效存儲空間定為31.6 TB，分析后發(fā)現(xiàn)能夠滿足視頻存儲需求。

2.3 播出控制功能

12G SDI超高清電視播出系統(tǒng)物理層對接的設(shè)備類型是非常多樣的，控制管理不到位很容易出現(xiàn)異常問題，因此系統(tǒng)中還專門開通了人工播出控制功能，可以協(xié)調(diào)控制視頻服務(wù)器、切換設(shè)備、鍵混設(shè)備等，保證各頻道節(jié)目的正常播出，以及臺標、字幕等的正常疊加。為保證系統(tǒng)運行安全性，各個頻道均采用了主備播出站模式，可以分別控制主備播出解碼通道，人工后臺操作信號倒換裝置可完成設(shè)備的遠程控制。超高清電視播出系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)，各頻道播出工作站的信息會匯聚到主播出工作站中，在站內(nèi)集成控制所有設(shè)備，并向下級工作站傳遞節(jié)目單信息，共享控制信息和設(shè)備狀態(tài)信息。一旦出現(xiàn)故障問題，備播出工作站、熱備播出工作站便會被啟用，進而及時接管運行中的播放設(shè)備，完成系統(tǒng)的熱備份與熱切換，避免故障引發(fā)的電視播出中斷問題。該部分的控制主要依賴于內(nèi)置422控制卡，能夠?qū)⑷斯ぶ噶钷D(zhuǎn)化為422信號[2]，供各設(shè)備識別和接收，主備轉(zhuǎn)換部分同樣配置422自動倒換開關(guān)，可以完成播控機的自動或手動切換。部分情況下頻道會出現(xiàn)節(jié)目單緊急變更的情況，工作人員還可以通過桌面KVM進行切換，將桌面集中監(jiān)看界面轉(zhuǎn)換為單界面，通過單界面快速修改節(jié)目單，增強應急響應能力。若多個頻道出現(xiàn)節(jié)目單緊急修改需求，還可以將播控界面分發(fā)到不同顯示器中，方便播出主管、主崗、副崗同時操作修改。

2.4 延時播出功能

延時播出是電視直播節(jié)目制作過程中極為重要的技術(shù)手段，主要用于突發(fā)事件處理、技術(shù)故障處理、節(jié)目編排剪輯等，工作人員可以利用延時時間刪減舞臺意外情況，剪除導演切換失誤、傳輸信號中斷等不完美畫面，進而保證電視節(jié)目的播出效果。在本文中的12G SDI超高清電視播出系統(tǒng)設(shè)計過程中，同樣配備了延時播出功能，內(nèi)部配備兩套延時播出設(shè)備，采用矩陣自環(huán)布置方式，一備一用，能夠?qū)崿F(xiàn)信號AFD的信息透傳和超高清畫面的延時播出。在實際播出過程中，工作人員可以通過系統(tǒng)平臺進行手動素材錄制或自動素材錄制，為重播節(jié)目的剪輯制作提供支持，還可以手動或自動調(diào)整延時量，提高播出控制的靈活性。在延時播出模塊的人機交互界面中，會實時顯示系統(tǒng)時間、播放時間，以及錄制時間和審片時碼等，能夠更好地幫助工作人員進行播出管控，動態(tài)延時量也會不斷更新和顯示，提供雙時碼軌，可以同時顯示錄制時碼和播出時碼，使播控情況一目了然。延時時間段內(nèi)可執(zhí)行的操作也是非常多樣的，如素材刪除、插入、覆蓋或者素材定位、插播等[3]，所有的編輯都是支持撤銷的，增強了后臺播控的可操作性?？紤]到部分直播畫面總用時較長，系統(tǒng)內(nèi)還開放了標記點功能和保護區(qū)功能，工作人員可以快速標記和定位關(guān)鍵畫面，瀏覽待播素材，有助于降低播出事故發(fā)生風險。

2.5 高標清同播功能

高標清同播模塊集成了12G SDI技術(shù)和AFD技術(shù)，能夠?qū)?jié)目采編、播出進行全流程把控。AFD技術(shù)全稱為活動圖像格式描述，主要用于描述視頻編碼幀中人們感興趣的圖像的幅型比。雖然舊有體系中已經(jīng)實現(xiàn)了對AFD技術(shù)的應用，但整體的靈活度不足，無法實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)化，高標清同播效果較差。12G SDI技術(shù)的出現(xiàn)加快了數(shù)據(jù)處理效率，簡化了后臺設(shè)備結(jié)構(gòu)，給AFD的靈活運用創(chuàng)造了更多可能。本文中系統(tǒng)平臺主要開通了編單系統(tǒng)，可以在ADF技術(shù)支持下調(diào)整節(jié)目幅型，將原有節(jié)目轉(zhuǎn)換為xml格式，并傳送到播出系統(tǒng)中，實現(xiàn)高標清同播。面對的素材類型不同，系統(tǒng)采用的控制策略也是存在差異的：對于文件素材，可以直接在制作端加入AFD信息；對于直播信號，則可以啟動AFD嵌入器，通過基帶信號的調(diào)整配置信息。工作人員在后臺播控時，借助“下變換器”就能夠直觀讀取AFD信息，提高了高標清同播控制的精確性。此外，工作人員還可以直接操作后臺按鈕，完成高清、標清畫質(zhì)之間的切換，根據(jù)需求在不同環(huán)節(jié)增加AFD信息，使得高標清同播更加靈活。節(jié)目審看模塊還能夠呈現(xiàn)實際上載素材的ADF信息，將其與節(jié)目元數(shù)據(jù)進行對比分析以發(fā)現(xiàn)異常，降低AFD加載錯誤風險[4]。

2.6 播出系統(tǒng)監(jiān)聽監(jiān)看功能

監(jiān)聽監(jiān)看子系統(tǒng)主要用于觀察超高清電視節(jié)目播出情況。本文中設(shè)計環(huán)節(jié)，在該模塊設(shè)置了矩陣式畫面分割器，可以對6個超高清頻道進行分區(qū)顯示，實現(xiàn)集成監(jiān)聽監(jiān)看，提高工作效率。模塊開通了監(jiān)看信號的調(diào)度功能，工作人員可以結(jié)合實際需求調(diào)整12G SDI信號相位，增強監(jiān)聽監(jiān)看的靈活性，避免出現(xiàn)卡頓、延遲等情況。借助總控矩陣式畫面，對分割器端口進行管控，可以及時整合多余端口，以便在緊急狀態(tài)下調(diào)用替補，保證播出監(jiān)看的穩(wěn)定性。此外還可以根據(jù)電視節(jié)目類型、特征等設(shè)置監(jiān)聽單元，對節(jié)目中產(chǎn)生的音頻信號進行匯聚整合，完成選擇性監(jiān)聽或者輪詢監(jiān)聽。監(jiān)聽監(jiān)看投放環(huán)境是非常多樣的，既支持大屏監(jiān)看，也支持音頻單獨監(jiān)聽、桌面監(jiān)看。為保證異常問題出現(xiàn)時現(xiàn)場工作人員能快速響應和調(diào)整播出策略，本文中的監(jiān)聽監(jiān)看模塊設(shè)計還配備了報警功能，可以進行節(jié)目播出報警、待播節(jié)目報警、節(jié)目單報警等，有助于快速定位故障點，保障超高清電視播出效果。

2.7 系統(tǒng)安全備份功能

針對超高清電視播出系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的設(shè)備故障損壞、系統(tǒng)宕機停運問題，本文中還基于12G SDI完善了安全備份功能，搭建起了集通道備份、文件備份、系統(tǒng)備份的三級安全備份體系。其中通道備份主要解決12G SDI通道故障問題，采用主備+熱備的冗余設(shè)計思路[5]，當主備通道出現(xiàn)信號擾動或信號中斷情況時，可以進行自動或手動的備份通道切換，保證超高清電視節(jié)目的順利播出。文件級備份主要解決12G SDI超高清電視播出系統(tǒng)故障，節(jié)目單、電視素材丟失損壞的問題，系統(tǒng)會自動監(jiān)測SAN視頻服務(wù)器狀態(tài)，其中的存儲器與單機播出服務(wù)器直連，一旦發(fā)現(xiàn)異常、故障問題，可以直接通過光纜傳輸和遷移文件，實現(xiàn)依托于單機視頻服務(wù)器的緊急播出。最后是系統(tǒng)級備份，主要采用IP系統(tǒng)備份方式，當SDI系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障，比如單機服務(wù)器及主備、熱備均損壞時，可以啟用IP系統(tǒng)，將IP播出信號解碼、轉(zhuǎn)化后，通過12G SDI播出。備份功能的啟用有較為明確的流程規(guī)范，當生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)存儲故障時，要求工作人員及時停用節(jié)點并開啟應急備播流程，由非編工作站接收文件推送任務(wù)，當發(fā)生二級存儲故障時，則啟用應急遷移鏈路，通過12G SDI接口導出到本地存儲裝置中，另一條鏈路將素材遷移到服務(wù)器，通過IP系統(tǒng)播放。當播出控制模塊故障時，可以根據(jù)需求啟用備數(shù)據(jù)庫、備用工控機等，保證播出質(zhì)量的優(yōu)化提升。

3? ?結(jié)束語

綜上所述，12G SDI技術(shù)綜合性能優(yōu)良，可應用于超高清電視播出系統(tǒng)建設(shè)中，能夠有效提高視頻幀率和基帶碼流，在簡化系統(tǒng)架構(gòu)的同時為電視觀眾提供更高水平的畫質(zhì)。在實踐中務(wù)必要給予充分重視，要結(jié)合超高清電視播出系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)需求明確12G SDI技術(shù)應用思路，從資源層、服務(wù)層、應用層三個方面出發(fā)改進細化，配齊配全系統(tǒng)的信號源接入及轉(zhuǎn)換功能、播出控制功能、高標清同播功能等，滿足電視視頻的差異化播出要求，為電視視頻產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化發(fā)展助力。

參考文獻

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