談國內非編網的10年發展史

孫林記，冒 衛

（南通電視臺，江蘇 南通 226000）

責任編輯:任健男

1 引言

非線性編輯網絡系統是全數字化的電視節目制作系統，它在把電視節目的編輯、修改、配音、存取等全部信息進行數字化處理和傳輸的同時，將其網絡化。1999年，福建電視臺成功建成起第一個規模化非線性新聞制播網絡系統。至今，國內非編網經歷了十多年的發展歷程。伴隨著電視技術與IT技術在這10年中的巨大發展與飛躍，非編網也經歷了幾次里程碑式變革與進步，總的說來可以分為三個有代表性的階段，下面分別就這三個階段非編網的技術、特征及影響等方面加以說明與闡述。

2 劃時代的第一代非編網

第一代非編網代表時間段可以看作是從1999年至2003年，大洋公司與福建臺合作建成的非編網拉開了國內非編網建設的序幕，此后國內大大小小的電視臺都加入了轟轟烈烈的非編網建設中。下面就這一代的非編網相關技術特點展開闡述。

首先，這個時期的非線性編輯系統本身的硬件、軟件方面。早期的非線性編輯系統大多選擇Macintosh，這是由于PC機相比于Macintosh，在多媒體和交互方面有著較大的欠缺。在硬件方面，隨著PCI總線的廣泛采用和奔騰PRO芯片的推出，Windows NT的PC機在性能和市場上優勢反而越來越大。由于當時PC機硬件性能的限制，這個時期的非線性編輯系統在視音頻處理上都是依靠專業的板卡來完成的，比較有代表性的板卡有Truevision公司的 Targa2000 RTX/SDX，Matrox公司的DigiSuite套卡，Pinnacle公司的ReelTime等，其中國內廠家大多采用DigiSuite套卡，譬如新奧特公司采用此套卡在PC機上的Windows NT平臺開發而成的NC79、北京大洋公司的DY3000、索貝的創意97。

在軟件體系方面，國內廠家利用板卡驅動所提供的應用程序接口開發了適合國內電視臺使用的非線性編輯軟件，在外觀、人性化、功能性等方面都有不錯的表現。這個時候的軟件大都采用C/S的二層結構，數據庫主要承擔的是基本配置信息的管理，如帳號、權限、目錄路徑等，而對于素材則采用文件式的管理，具體組織管理方式如圖1所示。

這種素材管理方式的缺點是過于開放，對目錄及文件權限設置稍有不當就會造成素材的誤刪。當素材數量達到一定量的時候，檢索或查找素材就會變得很慢。

第一代非線性編輯系統絕大部分采用Motion-JPEG壓縮方式，Motion-JPEG壓縮方式對活動視頻圖像通過產生幀內編碼單獨地壓縮每一幀，在編輯過程中可以隨機存取壓縮視頻的任意幀，而與前后幀無關，這對精確到幀的后期編輯十分理想。而且Motion-JPEG的壓縮和解壓縮是對稱的，可以由相同的軟硬件來實現，算法也不太復雜，可以用很小的壓縮比進行全幀采集，實現廣播級指標要求。根據壓縮比的不同，DigiSuite套卡在采集過程中可以同時生成高低兩種碼率的文件，低碼率的素材文件可以在無卡機（不帶專業視音頻板卡的普通PC機）上編輯，完成的工程文件可以在有卡機上打開，通過編輯信息映射到高碼率的素材實現0幀精度回放出廣播級質量的信號。正是通過這種思想，可以實現較少的投入，建設規模較大的非線性編輯網絡。

其次，網絡共享存儲技術。共享是網絡的優勢所在，共享存儲又是其根本，它帶來的最直接的結果就是素材的共享，借此使用僅有的幾臺上下載設備就能完成全部的上下載需要；同時又可以在任何非編工作站完成編輯任務，實現編輯設備本身的共享；此外，利用此非編網可以實現多人共同完成一項任務。非線性編輯網絡存儲應綜合考慮安全可靠性、數據訪問帶寬、存儲容量、數據容錯備份、讀寫性能、擴展能力等，以滿足視音頻數據實時存儲共享和傳輸要求。當時可選擇的網絡存儲技術主要有DAS（DirectAttach Storage）和 SAN（Storage Area Network）。

DAS即直接附加存儲，存儲設備是通過電纜（通常是SCSI電纜）直接連接到服務器的。I/O（輸入/輸入）請求直接發送到存儲設備。它依賴于服務器，其本身是硬盤的堆疊，不帶有任何存儲操作系統。其特點是存儲設備為服務器一部分，該服務器不但提供應用程序的運行，還管理數據的訪問。當用戶數量增加或者服務器提供其他服務時，其資源被其他程序占用，導致其存儲系統的響應速度變慢。在網絡帶寬足夠的情況下，服務器本身成為數據輸入輸出的瓶頸，數據阻塞是DAS結構的局限，因此稍有規模的非線性編輯網絡都不會采用這種存儲方式。

SAN存儲區域網是指獨立于服務器網絡系統之外的高速專用網絡，這種網絡通常采用高速光纖通道作為傳輸體，以SCSI-3協議作為存儲訪問協議。將存儲系統網絡化，實現真正的高速共享存儲。FC（光纖通道）協議屬于網絡傳輸層協議，在假設物理鏈路層質量可靠，復雜的冗余校驗運算較少的情況下能夠提供高速恒定的網絡連接。由于非線性編輯網絡要能實時傳輸多路高碼率視頻數據流，因此當時選擇光纖作為傳輸介質也是必須的。為了實現SAN上的數據共享，還需要運行存儲管理軟件，實現多臺主機對同一個卷的同時讀寫，譬如知名的綜合存儲管理軟件Tivoli SANergy。SAN需要一個元數據控制器（Meta Data Controller，MDC）來負責硬件安裝及控制安全性和分配信息。以SANergy為例，MDC客戶端（裝有SANergy的有卡非線性編輯工作站）通過以太網向MDC申請文件存儲的位置，MDC返回數據存儲在磁盤的陣列的指針，MDC客戶端即可以通過SAN網絡存取數據。通過MDC的工作流程容易看出，在SAN中還需要用以太網傳輸元數據、控制信息，這就形成了常見的FC+LAN的雙網架構，如圖2所示。

第三，第一代非線性編輯網絡網絡管理及業務管理功能很弱，沒有網絡管理監控平臺對服務器、網絡設備、存儲設備、應用軟件的運行情況進行實時監控，也沒有人員對非線性編輯系統使用情況、使用時間、節目制作量等業務數據進行記錄和統計，因此，第一代非線性編輯網絡管理功能很缺乏。

3 過渡型的第二代非線性編輯網絡

由于動態編碼技術如MPEG-2，DV，DVCPRO等在硬件和軟件上的不斷成熟，原來單一的幀內Motion-JPEG編碼技術由于產生的文件過大、占用帶寬較多而顯得落伍了。與此同時，計算機硬件性能、網絡技術都有了很大的提升和發展，譬如Intel Pentium4 CPU的出現并逐漸普及，大容量內存價格不斷走低、高速以太網技術的大規模運用。另外，第一代非線性編輯網絡在網絡管理、業務管理功能太弱以及數據庫技術沒能得到廣泛應用等因素導致第一代非線性編輯網絡被更為完善的第二代非線性編輯網絡所取代，代表年份為2003年至2005年。

首先，第二代非線性編輯系統軟件、硬件的特點。第二代非線性編輯系統硬件架構上與第一代相似，也是在計算機上安裝專業視音頻板卡來實現的。但是具體配置上與第一代不盡相同，這一代的非線性編輯系統主機配置較高，一般都采用Intel Pentium4 CPU，512 Mbyte內存，內置上百兆字節的SCSI硬盤，并且支持1394接口的素材采集，板卡也由第一代的DigiSuite LE升級為DigiSuite DTV/LX。

DigiSuite LE卡是DigiSuite卡的簡化版，是一種性價比較高的全實時視音頻處理卡，與DigiSuite卡相比，只支持四層實時處理（無直通視頻層），不支持實時3D處理、倒放和音軌調音功能，字幕效果簡單。DigiSuite DTV卡適用于當時較為主流的DV和MPEG-2格式，它的基本編輯功能通道編輯及字幕卡類似于DigiSuite LE卡。DigiSuite DTV卡可以用于廣播電視傳輸、DVD刻錄及網絡視頻傳輸等方面，配有齊全的模擬和數字輸入/輸出接口，DigiSuite DTV卡上有2個壓縮/解壓功能。DigiSuite DTV 卡支持 DV25（5∶1），DV50（3.3∶1），或者MPEG-2 MP@ML，MPEG-24∶2∶2 P@ML I幀的 10 bit信號（3.3∶1）壓縮格式，DV25 與 DV50 可混編，輸入輸出接口相應地增加了DV1394接口、SDI數字接口、SDTI數據倍數接口以及MPEG-2 IBP格式15 Mbit/s或50 Mbit/s的輸出。但其內部僅以DV格式進行視頻處理，還支持以MPEG-24∶2∶2為基礎的I幀編輯，特點是數據流可變（DV格式的數據流是固定的）。

第二代非線性編輯系統在軟件上更加人性化，功能更強大，支持更多層的視頻圖文軌，除了基于板卡的硬件特技，各廠家也開發了各自的視頻特技插件。在音頻方面，改變了第一代非線性編輯系統音頻處理能力薄弱的狀況，使非編成為真正意義上的視、音頻編輯系統。系統至少有8軌實時音頻，可合成1～4聲道輸出；支持多軌音頻的MIX特技、回音、混響、均衡、變調、動態平穩等效果，支持V型、X型過渡；具有靈活的音量調節功能，可調節時間線上一點的音量，也可對某段的音量整體上下調節。系統具有調音臺功能；時間線上多軌音頻在合成輸出時，可通過音頻映射表方便控制音頻的輸出聲道。第一代非線性編輯系統都是以位圖（TGA）方式處理字幕，因此顯得十分呆板，而第二代的系統依靠底層軟件算法和結構體系的革新，系統完成了面向對象的字幕處理方式的支持，在非線性編輯系統中不僅完全保留了字幕機的播出效果，更實現了在時間線上多層字幕的制作與播出。在對素材的管理上也從基于文件的管理變為數據庫的管理，這樣就提高了素材的安全性和素材的檢索速度。

其次，網絡架構及共享存儲技術。由于高速以太網技術的發展，這一代的非線性編輯網絡除了SAN的雙網架構，還出現了純以太的NAS技術。NAS（Network-Attached Storage）是一種硬盤存儲，它不附屬于為網絡用戶提供服務的應用服務器上，而是被直接連接在以太網上，并擁有自己IP地址。NAS從物理結構上看，通常由一定量的磁盤陣列作為存儲空間并提供一個I/O存儲調度和網絡文件分發的NAS頭服務器組成。所謂NAS頭服務器實際上是一個獨立服務器系統。這種服務器系統去掉了通用服務器原有的大多數計算功能，只提供I/O存儲處理和管理、網絡文件系統分發（提供NFS和CIFS共享服務）等專有功能。NAS系統用基于IP網絡的網絡文件協議向多種客戶端提供文件級I/O服務，使用NAS存儲空間的其他主機不需要維護文件系統。通過群集技術將多個NAS設備整合使用，可以解決獨立的NAS設備難以滿足大規模非編網絡的存儲容量、實時編輯讀寫帶寬和系統擴展性的問題，就如同一臺NAS設備一樣。采用多個NAS機頭組成的NAS群集架構如圖3所示，前端可以提供很好的負載均衡的網絡帶寬保障，后端可以直接連接或通過SAN光纖通道連接后端的存儲系統上。為規劃存儲增長帶來最大的靈活性，大幅提升了存儲系統的利用率，充分體現了存儲系統和存儲管理軟件的實用價值，從而大大降低了運營成本，如圖3所示。

第三，第二代非線性編輯網絡在網絡管理與業務管理等方面比上一代網絡有較大的提高，網絡管理軟件可對用戶賬號、權限、欄目、節目文件信息、磁盤空間、設備使用情況等進行全方位管理，可控制各欄目對系統資源的使用。通過引入“賬號”管理來設定使用者的修改權限，從而避免了對素材的誤操作。任何目錄對于不具有讀寫權限的用戶是不可見的。系統提供的靈巧實用的素材管理工具解決了編輯人員最擔心的素材刪除與整理問題。

4 變革型的第三代非線性編輯網絡

前兩代的非線性編輯系統都是基于專業視音頻板卡的系統，系統的性能主要依賴于硬件板卡，這類系統在視頻處理方面基本不占用計算機資源，然而硬件板卡所能處理的視頻格式、特技和實時性都是固定的，難以支持多格式混合編輯，而且大量結構復雜的專用芯片使其發熱量大、不夠穩定、故障率高。另外，專業的視音頻板卡絕大多數是國外公司生產的，核心硬件上被壟斷；非線性編輯系統很大一部分利潤被國外廠商占有，非線性編輯系統的國產化程度不高。新一代的非線性編輯系統采用CPU+GPU+I/O的架構，系統完全擺脫了對硬件板卡的依賴，軟件技術成為最核心的技術，而且國內大洋、索貝等廠家都能夠生產I/O卡，因此非線性編輯系統國產化程度大大提高。在以太網技術上由于主干萬兆、桌面千兆的出現并逐漸普及，純以太的大規模非線性編輯系統組網成為現實，所以說第三代非線性編輯網絡是具有變革意義的。

首先，第三代非線性編輯系統硬件、軟件特點。在現今CPU和GPU性能得到大幅提升的平臺環境下，基于CPU+GPU+I/O架構的新一代非線性編輯系統應運而生，工作原理如圖4所示。

圖4 CPU+GPU的非線性編輯系統工作原理

這一代的非線性編輯系統一般都配置了1394卡，支持1394采集，I/O板卡采集視頻和音頻信號，可以達到10 bit高質量視頻、24 bit音頻。視頻接口支持SDI、模擬分量、模擬復合、Y/C、IEEE1394、S-Video 等；音頻接口支持 ANALOG，SDI，AES/EBU 等。

CPU+GPU+I/O構架系統完全擺脫了對硬件板卡的依賴，軟件技術成為核心，實現了基于標清節目制作、平滑向高清升級、多種格式素材混編，對P2、藍光等存儲媒質更好的支持。

軟件方面，非線性編輯系統軟件都采用了科學、人性化圖形界面，嵌入文稿模塊及媒資檢索模塊，方便協同工作，實現全臺共享及提高制作效率。能夠實現3層50 M bit/s碼流、4軌音頻和4層字幕的實時編輯制作，對不能實時的部分提供了智能打包功能；特技具有開放性，支持第三方特技插件；系統大多內嵌字幕模塊來實現常規字幕、唱詞等功能，所有字幕可以在軌上基于時間線操作，可實現8軌以上的實時字幕，每軌字幕都可以實現不同的特技；模板化的資源管理方式，所有字幕文件可在資源管理器中實現統一管理，無論字幕鏡頭、物件、唱詞、滾屏，甚至物件屬性（字體、顏色、特技、大小等）都可當作模板保存；支持同時多個故事板文件的編輯，故事板間隨意切換，可方便地進行故事板間的塊操作，如復制、粘貼等，以實現不同故事板資源的靈活交互，高級的備份和恢復機制:提供多步恢復列表，能在意外退出軟件后仍然保留故事板的所有歷史操作記錄，以供恢復使用；對音頻處理方面功能也更為強大，除了常規的音頻調整還支持音頻特技、特效制作。

其次，網絡架構及共享存儲技術。基于CPU+GPU+I/O架構的新一代非編比基于視頻板卡的非編具有了更大的緩存調用機制，降低了網絡帶寬的約束，使得千兆以太網能夠承載大數據量、高碼流的視音頻文件，并提供實時的讀寫帶寬。千兆以太網組網成本比FC網要低很多，且具備完善的網絡管理能力，正逐步成為非線性編輯網絡的基礎架構。前面已經談了NAS技術，這里說說基于iSCSI協議的IP－SAN技術。

iSCSI（internet SCSI）是 IETF（互聯網工程任務小組）制定并于2003年2月正式發布的標準協議，可理解成SCSI over IP，即網絡上的SCSI，它實際是將SCSI命令封裝到IP包中，從而使數據塊在網絡上傳輸。iSCSI融合了SAN和NAS的優勢，它基于IP協議，卻擁有SAN大容量集中開放式存儲的優點。相對于以往的網絡接入存儲，iSCSI的出現解決了開放性、容量、傳輸速度、兼容性、安全性等問題。表1是NAS，SAN和iSCSI的對比。

表1 NAS，SAN和 iSCSI的對比

IP-SAN采用的是千兆以太網，繼承了SAN的優點，而在性能上接近FC-SAN，成本卻低很多。圖5為采用了二級分布式存儲的IP-SAN非編網，它有效地分配了存儲陣列的I/O帶寬，均衡了網絡負載，保證子網中每個非編站點能夠實時編輯視頻。

第三，第三代非編網絡實現了對基礎網絡平臺和業務運行的全面監控和管理。基礎網絡管理包括具體的工作站，服務器、交換機等IT設備的運行等情況，一般采用SNMP協議采集實時數據。業務運行管理包括在PC、服務器上運行的軟件模塊的運行情況；完成某個流程應用所需要的資源的準備情況。

5 總結

回首國內非線性編輯網絡的10年發展歷程可以看出，FC-SAN為中心存儲系統的雙網結構一直是占據主流地位，NAS+SAN構架的系統在規模不大的網絡中會有一定的應用，IP-SAN以其絕對的性價比優勢贏得了中小規模第三代非線性編輯網絡大部分市場分額。CPU+GPU+I/O架構的非線性編輯系統依然代表著今后的發展方向，高清節目制作會是未來發展的重點，這就要求未來的非線性編輯網絡能提供更高的共享存儲I/O訪問速率和更大的網絡傳輸帶寬。因此FC-SAN雖然建設成本高昂，但在今后的相當一段時間內仍將會是主流，隨著iSCSI磁盤陣列I/O速率瓶頸被解決，萬兆以太網的普及，IP-SAN必將迎來更廣闊的發展空間。