SDN集中管理控制系統在國慶70周年直播中的應用

柴路

[摘要]基于中華人民共和國成立70周年慶祝活動電視4K超高清、高動態范圍全流程制作、直播的需求，總切換系統進行了以IP切換臺為核心架構的系統適配改造，并采SDN集中管理控制系統，解決直播的集中管理控制、操作方式及應用形式。

[關鍵詞]電視直播;4K超高清;IP系統;SDN集中管理控制;虛擬矩陣;源名TALLY

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.003

2019年10月1日，慶祝中華人民共和國成立70周年大會、閱兵式、群眾游行和聯歡活動（以下簡稱慶祝活動）在北京天安門廣場舉行。中央廣播電視總臺圓滿完成了此次慶祝活動的電視實況直播工作。這也是目前全世界范圍內規模最大的4K HDR（高動態范圍）全流程制作、播出的一次成功實踐。

中央廣播電視總臺復興路制作區第八演播室（以下簡稱“第八演播室”），作為臺里第一批建成使用的4K超高清IP演播室，承擔了這次慶祝活動的公共信號直播工作。閱兵式的直播信號由新聞中心負責切換，聯歡活動的直播信號是由大型活動中心負責切換。因兩個導演團隊無論從外來信號源與切換臺輸入源的內容，導監墻、切換臺的布局排列等方面的需求并不相同，導致在兩檔節目的轉換過程中需要對外來信號通路的源名、TALLY、監視墻布局、切換臺輸入源及面板位置等信息進行快速變更。這在傳統基帶系統下將是一項很繁重耗時的工作，但在IP系統中，使用演播室集中控制系統則做到了短時間內完成演播室場景的轉變工作，使得整個演播室可以在很短的時間內由“閱兵”狀態切換到“聯歡”狀態。

作為實際操作者，下面詳細介紹IP演播室SDN集中控制系統中直播系統適配改造、SDN（Software DefinedNetwork，軟件定義網絡）系統、技術難點及解決方案。

1第八演播室4K超高清視頻系統概況

第八演播室4K超高清視頻系統，采用主備通用交換機加IP切換臺作為核心的系統架構。以交換機作為數據交互匯聚核心，切換臺作為制作中心，交換機目的切換作為制作的備用切換通路。4K信號使用LLVC編碼格式NMI協議進行傳輸，符合SMPTE2022-7IP信號的冗余標準，通過SDN管理系統對信號進行控制、調度及管理。

系統包含兩組葉脊結構交換機作為主備交換機系統，每組交換機都是由1臺華為CE8850-64CQ-EI交換機為脊，1臺華為CE6865-48S8CQ-EI交換機為葉組成。

切換臺使用的是SONY XVS-8000切換臺，支持40路4K超高清IP信號輸入，12路4K超高清IP信號及4路4K超高清SDI信號輸出。8臺SONY HDC4300/L 4K攝像機，2臺EVS XS4K 4通道4K記錄播放服務器，3臺新奧特的Graphite-G石墨4K字幕包裝機，2路VGA及2路上變換通路。另有6路接收由總控送來的外來4K通路，4路送總控的4K通路，與總控的通路采用TICO基帶方式交接。

導監墻監看系統仍然采用SDI基帶監看方式，由1臺EVERTZ XENO支持64路輸入64路輸出的監看矩陣，加7臺EVERTZ 3067VIPl61路3G輸入、2路4K輸出的畫面分割器組成。

視頻導監墻采用12臺SONY X550大屏組成，其中，10臺大屏通過畫面分割器以多分屏方式監看，2臺大屏用單畫面方式作為PGM、PVW的4K監看。音頻導監墻采用3臺SONY A8F大屏以多分屏方式顯示，1臺SONYX550大屏用單畫面方式作為PGM的4IqR看。其中，多分屏內的畫面采用2SI的一路3G信號進行監看。

系統主路輸出由切換臺切換輸出，備路輸出由交換機目的端切換輸出。SONYNtSM系統作為IP制作域的SDN對交換機及所有視頻流進行管理、調度。格非的“Magi SDN集中管理控制系統作為演播室頂層SDN及主TALLY系統。

2第八演播室4K超高清視頻系統針對慶祝活動直播的適配改造

第八演播室作為此次慶祝活動直播的總系統，為了滿足此次直播的需求，對第八演播室數據交互系統、監看監聽系統等作了針對性的適配改造，擴展第八演播室現有4K系統數據交互處理能力、信號處理能力以及信號監看規模。

2.1數據交互系統適配改造

總控送來的外來通路由原有6路增至32路，用以接收前方A、B、c、D、E、F系統和各單點機位的回傳信號。為方便改造及后期的使用、管理、恢復，全部通過新增加的2臺華為CE6865-48S8CQ-EI交換機連入核心系統，將原來一脊一葉的核心交換機系統擴展為一脊兩葉的結構，如圖1所示，以保證交換機系統符合SMPTE2022-7的主備標準。

總控送來TICO信號經TICO解碼器轉為4×3G信號進入解嵌器，解嵌器有2組4×3G的4K輸出。其中，第一組輸出經IP卡連接交換機進入IP制作系統;另一組輸出的4路3G信號以2SI格式用作監看使用，其中第一路3G信號接入監看矩陣進行調度，第二路信號接入跳線盤，用作監視墻大屏的B路備份監看，第三路信號接入接口板作為畫分輸入的直連使用。

2.2監看系統的適配改造

監看系統也做了相應的改造，新增加4快SONY A8F大屏，其中，2塊用于補充音頻導監墻，2塊用于補充視頻導監墻（見圖2），因矩陣規模的限制，無法做到所有畫分的輸入全部連接矩陣進行調度。

在視頻導監墻布局方面，占用了4臺畫面分割器和10塊監看大屏，以4分屏的方式顯示前方回傳的節目信號，每臺畫面分割器的前八路輸入接入矩陣。另用1臺畫面分割器和2塊監看大屏，顯示系統末端輸出信號、錄制內容等系統信號，此臺畫面分割器的前12路輸入連接矩陣。新增加的2塊監看大屏以單畫面方式顯示切換臺內置的2路MV信號。

音頻導監墻使用了2臺畫面分割器和4塊監看大屏，以9分屏的方式顯示所有信號，每臺畫面分割器的前9路輸入接入矩陣，后5路輸入則直接連接外來信號。所有畫面分割器的最后2路輸入都是接的切換臺內置的2路MV的信號，用以作為應急顯示使用。

2.3演播室工位調整

應直播需求，增加了2臺6通道EVS作為精彩編輯系統。同時，為了更好地保證4K超高清HDR信號和高清SDR信號的圖像質量和色彩效果，特設立了獨立的監看工位，對4K/HDR與HD/sDR信號進行全程技術對比監看。

3SDN集中管理控制系統的應用和調試

3.1集中管理控制系統介紹

第八演播室超高清4K視頻系統，采用的格非Magi SDN集中管理控制系統負責全系統的管理、控制、監測，位于系統的最頂層。從結構上來說，Magi SDN集中管理控制系統分為代理層、服務層和用戶交互層，見圖3。

代理層是將不同廠家、不同協議的設備的參數進行封裝從而為服務層提供統一的Restful接口，見圖4。服務層則處理用戶交互層發送的命令請求，進行處理后轉發給代理層，同時接收代理層的命令反饋后通知用戶交互層。而用戶交互層則為實際使用界面，是系統管理、控制、調度、監測、網管等部分的用戶交互接口。同時，系統配置了多種類型的可編程硬件面板，在SDN中編輯好面板模板后可以在瞬間下發至硬件面板進行操作。演播室內包括應急切換面板在內的眾多面板，都是采用此種方式對交換機、SDI矩陣、畫面分割器等設備進行切換調度的。格非SDN還具有獨立的TALLY及源名處理模塊，用于系統內TALLY及源名策略的制定與應用。

3.2集中管理控制系統的具體應用

下面就本次直播前、系統調試時通過SDN集中管理控制系統解決的部分技術難點進行詳細解析。

第一個難點就是信號源數量超出了切換臺的輸入路數的問題。在閱兵式的直播中，需要用到32路外來信號、2路視頻播放信號，共34路信號。對聯歡活動的直播，需要用到28路外來信號、4路視頻播放信號、2路精彩編輯信號、3路字幕包裝信號，每路字幕包裝信號包括字幕包裝機輸出的視頻信號和鍵信號2路信號。雖然每個時段所需的信號數量都控制在40路輸入的范圍內，但2次直播所需信號的總和卻達到了44路，已經超出了切換臺最大40路信號輸入的接入范圍，無法全部接入切換臺。這在基帶系統下，若是不對信號進行刪減，幾乎是不可能解決的;而在IP系統下，通過靈活的調度做到不刪減信號數量，可以在直播的間隙變更切換臺的輸入信號，滿足直播需求。

接下來還有一系列與源名及TALLY相關的問題。具體情況是，閱兵式的直播與聯歡活動的直播對前方信號的需求不同，致使外來信號大多存在通路復用，同路不同源的情況。例如演播室與總控的第20路外來通路“EXT20”，在閱兵式的直播時，內容為拍攝飛機的一個機位“Y1”;而在聯歡活動的直播時，則變更為拍攝焰火的一個機位“E12”。無論是信號內容還是所需的源名都不相同，帶來非常復雜的局面，在閱兵式直播時可能是切換臺上的第23個按鍵、導監墻上第1塊大屏左下角的一個分屏，而在聯歡活動直播中就變成切換臺上的第15個按鍵、導監墻上第3塊大屏右下角的一個分屏。這樣復用的信號通路共有16個，即使內容和源名都沒有變動的通路，也因導演的切換習慣、應用場景的不同，在導監墻及切換臺上的位置及源名也會不盡相同，有的信號還需要在導監墻上做位置標注（見圖5），使得同一信號源在一天之內需要多組源名同時顯示在不同設備上，并且隨著每次演練，根據導演需求還要不停調整位置、順序等。

為保證調度過程中的正確性、安全性，最終決定所有源名需要統一來源，全部設備都采用動態源名顯示，隨著信號的各種調度，源名自動變更、跟隨。

首先，確定源名的統一來源，因第八演播室使用的是SONY的LSM系統作為IP生產域的管理系統，負責信號流的調度、管理、控制等工作，是所有信號源最根本的基礎。所以，在LSMR！面定義基礎源名，LSM定義的源名為第八演播室與總控的外來通道的名稱，不管信號內容如何變更，通道順序、名稱都不會改變。比如總控送來的32路外來通路定義為EXT1至EXT32，一經確定后不會再做任何更改。這些通路信息經過LSM命名后，添加到系統的IP矩陣內，提供給格非Magi SDN集中管理控制系統，作為集控系統的基礎矩陣使用。

然后，與總控共同確定每條通路內在不同時段具體傳輸的內容信號。具體實現就是，分別為閱兵式和與聯歡活動直播做了對照表，明確32路外來通路中具體傳輸的信號內容;后續如有變更，也只對信號內容進行調整。根據不同時段外來通路傳輸的內容在Magi SDN集中管理控制系統內以別名的形式與LSM的系統IP矩陣一一對應，即基礎源名和兩組內容名稱，使得每一路信號有三組名稱;再根據需要分別添加一組帶位置信息的名稱，和一組包含所有信息的名稱。例如：物理名為EXT20，源名為Y1/E12-EXT20，別名1為Y1，別名2為E12，別名3為Y1/位置信息，別名4為E12/位置信息。所有信號的命名都設置完成后，即可實現同一信號在不同設備顯示不同的名稱。

確定源名后，規劃信號的具體路由，建立關聯關系。由于第八演播室采用的是基帶SDI監看，造成監看系統無法直接通過交換機調度來實現關聯，需要通過監看矩陣進行調度，以保證源名及TALLY信息能從IP流到SDI信號的統一。在Magi SDN集中管理控制系統中，依據SDI矩陣的物理端口映射出一個虛擬的監看矩陣，再把這個虛擬監看矩陣的輸入端與LSM中的相應的視頻流進行對照綁定。比如SDI矩陣的輸入1口，連接的是外來信號1的監看，也就是前面提到的，經總控送來的TICO信號，經TICO解碼器轉成4×3G信號進入解嵌器，解嵌器第一組輸出經IP網關卡進入交換機，也就是進入LSM系統，另一組輸出取一路3G信號以2SI方式接入SDI矩陣，如圖6所示。

所以，在Magi SDN系統中，需要把SDI虛擬矩陣的輸入通道與LSM系統中的同一信號進行綁定，比如SDI矩陣輸入1與LSM中EXTl進行綁定，這樣SDI矩陣通過MagisDN系統就得到了所對應的IP流的源名及TALLY等信息。然后，把SDI矩陣的輸出口，與畫面分割器的輸入口進行一一綁定，使得源名及TALLY等信息可以通過畫面分割器在監看大屏上呈現。