高標清同播系統的建設與實現

李陸昊

近年來，我國高清電視的發展十分迅猛，高清節目內容逐漸增多，高清視音頻技術的成熟為傳統標清電視邁向高清電視發展打下了良好的基礎。在日喀則，由于地域的特殊性，高清電視的發展相對落后。由于接收終端、傳輸設備的限制，部分受眾只能收看標清的電視節目，但人們對于高清節目的需求一直存在，并且高清電視對于藏族地區自身的宣傳和經濟發展都有著不可忽視的推動作用。

日喀則廣播電視臺前期攝像及自制的新聞、專題類節目均可實現高標清兼容的采集、制作，而影視類節目、廣告也能高清片源或標清片源二選一，高清播出的先天條件已經成熟。日喀則廣播電視臺按照廣電總局“鼓勵發展，統籌兼顧”的原則和規模化、集約化的要求，結合自身區域電視發展情況，克服種種技術難題和條件限制，量身打造了高標清同播系統，并通過運用網絡傳輸技術實現各縣、鄉鎮接收市、臺高清信號，完成區域內高清節目傳輸全覆蓋。

1 高標清同播方式確定

1.1 高標清獨立播出方式

按照廣電總局的要求，高標清同播主要使用兩種方式。第一種，建立的高清播出系統與標清系統相對獨立，使用獨立的高清視頻服務器、播出矩陣、切換臺、視分、幀同步、字幕機、音頻處理器等設備。標清頻道的播出沿用以前的老系統。在信號末端，可以通過上下變換互為主備。高清系統同步播出標清素材時，在上載入庫時上變換，或者在視頻服務器進行上變換。方案將系統分為標清系統和高清系統，對硬盤素材分別上載和播出，外來信號在播出系統前端進行處理，分別進入高清系統和標清系統，兩個系統通過同一節目單進行同播，信號末端高清系統與標清系統輸出互為主備，系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

基于這種方式，技術開發主要圍繞控制系統展開，基本上不涉及復雜的核心技術，操作起來相對簡單；但是，這種方案的建設成本很高，相當于同時建設兩個播出頻道。此種方式對于高清系統的過渡性支持不夠平滑，后期拓展高清頻道比較麻煩。

1.2 高清主干兼容標清播出方式

日喀則市廣播電視臺經過充分調研和

論證，采用第二種方式即建立一套獨立的高清播出系統播出，高清素材按照正常高清播出，標清素材按照設定好的上變換策略進行變換，系統鏈路只保留一條高清鏈路，向下兼容標清，播出系統內的視頻流、素材流均為標準統一的高清信號。這種方式適應于系統定位為面向高清系統建設，標清信號則采用高清信號下變換的方式得到。系統架構如圖2所示。

圖2 高清系統下變換架構圖

采用這種方案結構簡單、成本低，信號鏈路清晰，系統工作流程簡單，工作效率較高，更加適合于高清電視技術，全臺網建設的推廣。

2 原有標清節目素材的繼承問題

2.1 標清文件處理方式

在建設高標清同播系統的同時，面臨著一個棘手的問題，對于高清素材，視頻服務器能夠正常解碼播出信號。但臺內目前累計了大量珍貴的歷史素材，都以標清的格式保存。可以預計的是，在未來很長一段時間內，這些標清素材都會頻繁使用。在解決標清節目素材高清播出這個問題上，工作人員尋求了兩種方式：第一種在制作、上載節目的時候，采用前端上變換之后再進行入庫播出，即在播出系統中待播的文件均為高清文件，這樣做需要增加專門針對上變換的后臺轉碼服務器，并且上變換之后的文件容量是轉換前的數倍，這對播出的存儲和網絡傳輸帶寬都帶來了不小壓力；第二種方式即采用“軟件實時上變換”技術，在上載節目、媒資系統中主動添加嵌入AFD信息標注，所有標清節目文件仍然按標清格式遷移歸檔到高清播出系統，不作上變換，在播出時由視頻服務器內嵌軟件進行實時上變換播出。

目前，日喀則市廣播電視臺根據自身實際情況選擇了第二種方式，這樣做能夠大大減輕標清素材源向高清素材源過渡時用高清節目文件傳輸和遷移時的網絡帶寬壓力。實踐證明，采用這種方式不僅節目播出質量好，方式靈活，又大大節約了成本。

2.2 畫面幅型比格式變換方式

圖像中心上移的概念，這樣既保證了畫面基本不變形，又將以前標清素材的字幕信息加以保留。這個過程是基于AFD的精確控制，將原有上下黑邊的4∶3圖像（下黑邊上有同期聲字幕信息）進行上移后，再進行（上下裁邊模式）上變換，這樣做既保留了同期聲字幕信息，又使畫面不變形，如圖3所示。

圖3 AFD延伸圖形變換

3 播出系統建設

在克服種種技術問題后，我們建立了日喀則廣播電視臺高標清同播系統，整個系統從結構上分為播控系統、總控系統、分控系統、同步校時系統、監看系統及安全送播系統。播出系統基于SOA松散耦合的柔性架構、開放、通用的標準規范接口，保證電視臺制作及未來新媒體的數據互聯互通，并且預留接口和全媒體融合平臺交互數據。整體的系統結構如圖4所示。

圖4 信號架構圖

3.1 播控系統

可實現2個頻道主、備高標清數字信號播出，播控系統以播出安全穩定為最高設計原則，采用成熟的軟件和穩定的硬件平臺搭建出功能先進的全硬盤播出系統，播控系統的核心設備視頻服務器采用主備方式，采用東方盛行公司的Stream RT視頻服務器，全面支持高清、標清自適應播出。Stream RT視頻服務器是一款多通道流媒體視頻服務器，采用CPU+GPU+多通道I/O技術，1臺視頻服務器配套的編解碼卡能支持4個頻道的高清播出（為電視臺增加頻道預留擴充接口），所有輸出通道均帶嵌入音頻的SDI接口。當主備播出視頻服務器的在線存儲空間無法存儲滿足電視臺播出所需的節目素材量時（如大量的高清影視劇存儲），除了擴展視頻服務器在線盤陣外，我們還配置了擴展價格較低的二級存儲盤陣，較大的節目存儲量可以有效地降低重播節目重復上載帶來的人力物力浪費。節目上載時素材都保存在二級存儲中，在播控工作站打開當天播出節目單時，播出系統配置的集群化后臺服務器按照當日節目單自動遷移二級存儲內的待播素材至視頻服務器在線存儲中，這樣能夠避免播出服務器一直處于既寫入數據又讀取、解碼數據的高強度運算狀態，提高播出系統的穩定性。此外，應急墊片服務器采用臺內原有播出服務器改造，更換具有支持高清解碼通道的板卡，保障高清播出信號不中斷。

播出系統采用熱備的2N的播出控制方式，共設計4臺播控工作站。系統采用播控分離的方式，即使播控機出現故障，視頻服務器也會按照已提交的節目單繼續播出，控制機恢復，自動接管任務，為安全播出又增加一道防線。視頻服務器、字幕伺服器、切換器等設備都受播出工作站的控制，同時播出工作站也能完成直播節目混合播出以及定時上鍵等。

3.2 總控系統

總控的設計按照32×32路的全高清方式設計，為整個頻道最終升級到高清打下基礎。進入總控系統的信號包括CCTV1、西藏衛視、視頻服務器信號、墊片信號以及其他臺內外的直播、轉播信號。所有標清的信號都經過上變換后再進入總控矩陣，保證臺內播出信號都為高清。在串行數字分量系統中，用矩陣切換HD-SDI信號時，由于切換時的信號瞬時中斷會造成CRCC（循環沉余校驗碼）誤差，從而影響輸出信號的定時。這種誤差會造成輸出信號的紊亂和噪波。即使進入矩陣的信號在時間上完全一致的切換點位于場消隱期間，也仍然不能消除這種現象，這與模擬系統的情況完全不同。為避免總控系統調度某個直播信號出現上述問題，所有進入總控系統之前的信號都需要串聯幀同步器用于消除CRCC誤差，避免由切換引起圖像抖動。

3.3 分控系統

分控系統實現每個頻道視音頻信號的切換、應急、分配，傳輸，字幕的疊加、音頻的處理、解嵌等。切換器進行了主備部署設計，主切換器和備切換器的信號源完全一致，受自動播出系統控制進行同步自動播出。其中，選用的16×4切換器支持2路PGM輸出、2路PST輸出，其中PGM和PST的第二路均可配置為獨立的AUX輸出，支持時鐘恢復功能。在主、備切換器的下游，接入3選1應急開關，一旦出現故障可以進行自動切換，切換出現問題可以通過baypass旁路直通。

3選1應急開關下游安裝數字鍵混臺標一體機和東方盛行公司的SDI字幕伺服器配合使用，鍵混器將內置的臺標和字幕以下游鍵方式與主信號進行混合，而不采用串接疊加的方法，這樣可以避免因設備串接而造成信號質量下降，從而確保通道指標，更為重要的是使用鍵混器可以隨時控制字幕播出的輸出與否，更加有利于安全播出。

本次播出系統中采用的播出字幕機能夠與節目單進行聯動播出，無需再進行單獨控制，臺標、掛角字幕、倒計時字幕、游動字幕都能夠與音視頻節目播出自動同步，播出字幕機無人值守，安全可靠，人為誤操作大大減少，真正將播出值班人員從以往繁重的手工字幕播出工作中解放了出來。

在鍵混器下游安裝音頻處理器，處理聲音忽大忽小的問題，實現自動增益與手動增益選擇，確保聲音在合適的范圍內，并且一旦出現故障可以通baypass旁路保證播出信號不中斷。

3.4 同步校時系統

同步校時系統包括黑場同步系統及衛星校時系統，黑場同步系統實現整個播出系統內各個設備間的信號同步，避免切換時畫面抖動和信號不同步情況發生，是播出系統必不可少的組成部分。衛星校時系統滿足播出系統內部和外部標準時間同步的功能，時間服務器通過和衛星連接，實時接受標準時間，可根據不同時區進行時間的同步，達到和中央電視臺時間同步。

3.5 監看系統

為了滿足播出信號的監看需求，保障每個播出設備節點以及直播信號都能得到監視，設計整體式電視墻，大屏液晶顯示器全高清畫質監看。多畫面監測報警系統采用多畫面結構，能顯示頻道標題、時間、底圖文字等，并有音量指示，同時具有視音頻信號的質量監控和報警，包括視頻靜幀/黑場/信號丟失/視頻超標/靜音/音頻超標/EDH狀態錯誤等，并能實現自動識別SD/HD輸入信號。

3.6 安全送播系統

國家廣電總局出臺相關指令，對播出的安全高度重視，在廣播電視相關信息系統安全等級保護定級指南中，省市的播出級別都定義為三級。播出系統比其他業務網絡系統安全級別高，和其他業務系統應有防護隔離措施。日喀則市廣播電視臺在過往采用過多種物理隔離方式完成文件送播。例如，在采用非編將要送播文件進行解碼輸出，播出上載工作站進行采集，兩者之間通過視頻線進行連接，此種方式效率太低，對于比較緊急新聞時間局限性比較大。在標清播出時代，日喀則市廣播電視臺還采用了專業的媒體網關對播出系統和制作系統、媒資系統等系統之間進行物理隔離，但在送播高清文件時，網關30～60MB/s的傳輸速度劣勢就被放大，不能滿足大量高清文件送播的需求。

在建設高標清同播系統時，日喀則市廣播電視臺建立了能夠應對大數據量的高效安全傳輸系統，非編網以及其他業務板塊和播出網絡板塊之間的數據交換依靠安全送播系統完成，安全送播系統具有物理隔離，又有白名單認證、殺毒解析、私有鏈路傳輸等功能，實現制播安全隔離，系統如圖5所示。

圖5 安全送播系統

自動技審作為安全送播系統軟件的一個重要組成部分，安裝在制作系統的送播客戶端上，主要負責對所有送播內容進行自動技術審查（技審參數包括黑場、彩場、靜幀、靜音、亮度、色度等），確保節目的技術質量，也是保證優質播出的第一道關口。

安全送播中采用基于高安全Infiniband架構PCIe鏈路作為高安全版塊的安全邊界，是依據等保要求的網絡隔離。這種解決方案的優勢在于采用非公用的物理鏈路、采用非公用的傳輸協議，還能實現高速的數據交互，數據交互速率在使用過程中沒有低于400 MB/s，滿足日喀則市廣播電視臺傳輸高清文件的需求。

4 結語

根據廣電總局關于大力發展高清電視的指導精神，迎合社會發展和廣播電視技術進步的趨勢，也為了提高日喀則廣播電視臺的社會輿論引導能力，滿足人民群眾精神文明生活的需求。日喀則廣播電視臺經過詳細考察、論證、設計建成的這套高標清同播系統適用于全標清向全高清過渡的時代，立足高清兼顧標清。考慮到經濟性、高效性、易用性，選擇了高清主干兼容標清的播出方式，并利用AFD的延伸技術解決臺內大量標清文件的播出問題。在建立高標清同播系統時，遵循安全、穩定、高標清兼容的原則進行設計，整個播出系統無單一崩潰點，并采用安全送播系統滿足等保要求的同時完成高清文件的送播。系統在建設完成后，經過專家技術鑒定，并長期穩定運行，完全達到了理想的效果。

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