院線直播制作系統IP鏈路淺析
——以2019年國慶閱兵活動的院線直播為例

孫培

（中央廣播電視總臺，北京100859）

2019年10月1日，天安門廣場舉行了閱兵和群眾游行活動慶祝中華人民共和國成立70周年。為了更好地向全國人民展現“中國力量”，在全國70家影院同步直播了本次活動，并錄制成電影《此時此刻——共慶新中國70華誕》在全國院線發行上映，實現了中國歷史上首次將直播電視節目引入影院呈現，在中國電視史上具有里程碑式的意義。

本次國慶院線直播任務由一套4K超高清IP化移動外場系統制作完成。該系統負責接收前方傳來的公用信號，完成字幕及小片包裝后進行節目輸出。全系統輸出主、備兩路信號到主控。經由電影數字管理中心的中星10號衛星完成節目傳輸。各影院通過衛星接收系統進行落地播放。中央廣播電視總臺在本次國慶的轉播活動中，從節目制作、傳輸到播出實現了全流程視頻4K HDR+音頻5.1環繞聲的方式，而院線直播工作也充分地貫徹了這條總原則，從制作域輸出4K超高清、環繞聲節目信號，并將其引入院線。

1 院線直播制作系統構架

本次院線直播中使用的4K超高清IP化移動外場系統采用了無壓縮4K/HDR/BT2020的制作標準、SMPTE 2022-7的主備冗余鏈路保護機制、AES67 IP雙向通話等主要技術標準及手段，充分發揮IP網絡特點，實現了視頻、通話和控制的IP化傳輸和信號交換。采用IP的系統與傳統的采用SDI（serial digital interface，串行數字接口）的系統區別較大。SDI系統以切換臺和矩陣為主、備路由的核心設備，而IP系統則以主、備核心交換機為信號傳輸的關鍵核心，配合SMPTE 2022-7的功能，將所有輸入、輸出的主要設備接入主、備核心交換機，形成了信號級和設備級的雙重保障。同時；IP系統相比傳統的SDI系統，不再是一個傳輸通路上單一信號的單向傳輸，而轉變為在一個傳輸通道上可以雙向傳輸多路信號。此外，對于純IP系統，除了包含視頻、音頻和輔助數據外，還包括網絡控制及PTP同步等數據，涉及IGMP、PIM、ARP、RTP等多個網絡傳輸技術。

為保障本次國慶院線直播安全，在反復與節目部門溝通使用需求后，對系統備路進行了優化。改造后的4K移動外場系統按照IP流和SDI流并行的方式，主、備鏈路分別應用不同的傳輸方式。主路采用IP化網絡技術，核心設備為IP信號調度核心交換機，所有信號均進入交換機，形成信號池的模式。備路采用傳統SDI基帶技術，3G×4線纜傳輸一路UHD信號，進入備份切換臺后送往主控。

本次直播系統共接收5路4K Tico外來信號：外來1、2信號為來自800㎡演播室的2路CLEAN公用信號，提供直播的視頻及環繞聲音頻信號；外來3信號傳輸一路E系統單邊信號，用于緊急情況的鏡頭墊播；外來4、5信號為來自800㎡演播室的2路PGM信號，其中嵌入了N07演播室的解說聲傳至本系統內。此外，本系統接入2臺主、備延時器供公用信號延時30 s播出；接入2臺包裝機以及EVS一臺供節目制作使用。該系統的視頻系統的框架如圖1所示。

對于系統的備份設計，外來1、2的視頻及環繞聲信源的2路信號分別進入主、備系統；外來3信號由于是墊播內容，僅進入主系統；外來4、5信號僅使用其中的解說聲。由于備路切換臺輸入源受限，為便于監看信號有無，僅進入主系統上墻監看。系統內EVS（Elastic Volume Servic，云硬盤）支持雙通道輸出，可進入主、備鏈路。2臺包裝設備各進入主、備鏈路內，以確保字幕播出。系統內所有音頻均采用AES3的方式，外來信號從光收板卡直接輸出信號至解嵌器，確保音頻接收的最小通路。此外，到監看的末級輸出，系統通過光發板卡的環出通路，將信號取至TICO解碼卡輸出4×3G信號接入4K監視器。

圖1院線直播制作系統視頻系統框架

2 主要設備的IP化設置

此次國慶閱兵直播系統主路為IP構架、備路為SDI構架。由于傳統演播室系統中SDI設置已經比較普遍，在此不再贅述，主要介紹主路IP構架中相關設備的IP設置。

系統中IP設備的設置主要分為三大步驟：第一，IP光接口及控制端口的IP地址設置；第二，接收、發送組播流設置；第三，PTP設置。完成此三步后，該設備的IP設置部分基本完成。

2.1 IP切換臺

本系統中采用了Kahuna9600 4K切換臺，配備了4塊ME處理板卡和3級ME面板。使用中，將2塊ME處理板卡湊成第三級4K ME的輸出，這樣可以使PP級支持4個全功能鍵，每個鍵可實現包括線性鍵、亮度鍵、色鍵等，豐富功能以便節目使用。

切換臺配置輸入板卡10塊，每塊板卡可接入主、備2路40 G光接口，用于SMPTE 2022-7使用。切換臺輸出板卡4塊，每塊板卡除了主、備2路40 G光接口外，還可輸出1組4×3G信號。

切換臺每塊IP板卡的每個光端口均需要設置接口IP地址，系統內通過筆記本電腦和板卡配置端口直連，使用Roll Cal l軟件進行設置。此外，Kahuna9600支持PTP（Precision Timing Protocol）和BB（Black Burst）同步鎖相，在系統接入IP信號后，切換臺便被PTP信號鎖定，在相應界面可看到切換臺鎖定狀態（見圖2）；在切換臺輸出SDI信號狀態下，需要同時接入BB信號，以便SDI輸出鎖相。

圖2切換臺設置的格式以及同步鎖相狀態

在IP設置部分，由于目前Kahuna9600切換臺支持的是4K四流的信號方式，需要先將輸入信號進行綁對，再將每一組信號整體設置為1080P、50幀以及HDR的格式。切換臺每塊輸入板卡的單個40 G輸入端口中，可傳輸12路3G信號，每4路3G信號綁定為一組4K信號，即每塊輸入板卡可輸入3個4K信號。在切換臺配置的IP信號輸入（Engineering Config-IP Input）界面，如圖3所示，可以看到A～J共10個輸入板卡，每塊輸入板卡可輸入12個3G信號流。Primary為第一個40 G光模塊的輸入信號，該信號從主核心交換機取到，Secondary為第二個支持SMPTE 2022-7的40 G光模塊輸入信號，該信號從備核心交換機取到。在切換臺配置的IP信號輸出（Engineering Config-IP Output）界面，可以看到A～D共4塊輸出板卡，每塊輸出板卡可輸出主、備路各12組3G信號流。

切換臺PGM信號設置為SDI輸出至加嵌器再到主控，IP信號輸出至主、備核心交換機信號池。因此，需要PTP及BB兩個同步信號同時輸入到切換臺使用。在切換臺的控制面板上，需要設置PTP的domain域，使之與系統PTP在同一個區內，BB不需要進行其他設置。正常情況下，可以看到切換臺的鎖相情況為綠燈。

2.2 IQUCP網關卡

本系統采用SAM的IQUCP網關板卡，完成4×3G SDI與IP信號的互轉功能。該板卡配置2個25 G光接口，可完成SMPTE 2022-7的功能，分別輸出IP信號到主、備核心交換機，以及16個BNC物理接口可實現SDI信號的輸入輸出。

圖3 切換臺IP信號輸入界面設置

系統中網關板卡從使用功能上可細分為三類。第一類，配置在外來信號部分的IQUCP板卡，除了支持SDI轉IP功能外，還需要完成幀同步的功能，根據板卡運行方式，可設置為8路SDI信號入、0路SDI輸出。該板卡在需要幀同步功能的情況下，無法在板卡SDI信號轉換為IP信號的同時完成IP信號到SDI信號的轉換。即在4K模式下，該方式可完成2路4×3G信號的IP轉換和幀同步。第二類，在系統的備路末級切換中的IQUCP網卡需配置為靜切換模式，在該模式下板卡需要預先將2路IP信號引入板卡后再進行切換，切換后的信號或是以IP輸出到核心交換機，或是SDI輸出至主控。在本次國慶閱兵直播系統中，由于備路改造為SDI系統，該功能的網關卡暫時擱置使用。第三類，在系統內其他位置，不涉及凈切換及幀同步功能的地方，IQUCP板卡僅僅完成SDI和IP轉換的功能，則可配置成2路4×3G SDI信號轉IP信號，同時，2路IP信號轉成4×3G SDI信號。

板卡設置中，通常使用Roll Call軟件，通過輸入各周邊機箱的控制地址，選擇相應的網關板卡即可。在該軟件Configeration界面中，可以看到各板卡使用的模式，如帶幀同步功能的IQUCP板卡選擇8入×0出，或者不帶幀同步的情況下選擇8入×8出；同時，也可在該界面查看板卡輸入輸出SDI信號的狀態，Spigot 1～Spigot 8頁面可對應SDI輸入信號接口，此部分可以設置當SDI源輸入時，將其轉換成哪個組播的IP信號。

系統內所有視頻端口號均為1000，音頻及輔助數據端口號為5004。由于該設備遵循IGMP V3協議，因此在設置期間需要將源的IP地址及組播地址設置完整。由于該板卡支持SMPTE 2022-7的模式下，還需要將另外一組輸出到備交換機的相同信號的IP地址及組播地址設置完成。IP狀態可在下方查看IP發流的發包數等情況。Spigot 9～Spigot 16對應SDI輸出接口，該頁面可以設置希望收到的IP信號源，并將其轉化為SDI輸出。如果需要查看IP狀態，可在Video處查看拉來的IP流格式。目前網關卡僅可輸出2SI（2 Sample Interleave）格式信號，如圖4所示。

2.3 畫分

圖4 SDI轉換為IP信號所需要設置的相關IP信息（分為為網卡、畫分的設置）

目前IP畫分設備多是輸入IP流信號，在內部轉換成SDI信號后再進行畫面組合，輸出時再將畫分后的信號轉換為IP信號，因此設備內部多配置類似網關卡的部分，以實現IP和SDI轉換的功能，如圖5所示。本系統內使用的4臺SAM MV820畫面分割器，每臺可支持48路3G IP輸入信號和12路3G IP輸出信號，負責完成視頻導演監視墻以及音頻導演監視墻的畫分信號展示。該設備目前輸入信號可使用四流的2SI IP信號，輸出的四流信號為SQD IP信號。MV820共有4個100 G端口，可完成SMPTE 2022-7的配置模式，每個100 G光模塊內部由2個50 G光模塊組成。以本系統為例，192.168.1.41～192.168.1.44分別為畫分1的4個光模塊的接口地址。其中，192.168.1.41為前2個100光模塊的第1個50 G控制地址；192.168.1.42為前2個100光模塊的第2個50 G控制地址；192.168.1.43為后2個100光模塊的第1個50 G控制地址；192.168.1.44為后2個100光模塊的第2個50 G控制地址。

通過Roll Cal l軟件可以看到畫分輸入、輸出信號的狀態，該設置界面與網關板卡類似，如圖6所示。點擊“connect to Roll Cal l network”輸入畫分IP板卡地址“192.168.1.41”進入畫分1的第一塊IP模塊。界面中“Inf or mat i on”用于查看畫分與核心交換機之間的組播信號傳輸狀態，正常狀態會顯示視頻格式為“1080/50P”。第1個“Video Status”為畫分往交換機傳輸組播流的狀態（SDI1～SDI4），即畫分輸出信號；第2個“Video Status”為核心交換機往畫分推送組播流的狀態（SDI1～SDI12），即畫分輸入信號。

畫分1中，192.168.1.41的“Spigot 1～Spigot 4”對應畫分后背板的第5～8路輸出。192.168.1.42的“Spigot 1～Spigot 4”對應畫分后背板的第1～4路輸出。192.168.1.44的“Spigot 1～Spigot 4”對應畫分后背板的第9～12路輸出。由于每臺MV820可輸出12個3G信號，因此，第3個IP模塊沒有輸出信號，192.168.1.43的SDI1～SDI4 的狀態為loss。192.168.1.41～192.168.1.44的“Spigot 5～Spigot 16”則分別對應畫分的第1～48路IP輸入。

本次系統將PGM和PVW設置為6畫分，其他屏幕為9畫分。每個小屏幕選用4×3G中的一路3G信號進入畫分顯示即可，但PGM和PVW在畫面中占用空間較大，超過了整體屏幕的四分之一，在系統配置過程中發現必須將4路3G IP信號均引入畫分中進行4K展示，使其信號源的分辨率達到3 840×2 160，否則，即會出現畫面閃爍的情況，而布局中其他小畫面均可以使用3G信號進行顯示。

2.4 ROSS NEWT轉換盒

本系統采用4K SONY電視進行監看，使用ROSS NEWT小盒，完成4K IP信號轉換為HDMI信號的功能，以便上墻監看。將核心交換機連接轉換盒，同時使用網線連接控制端口，通過Dash Board應用程序訪問默認地址，進入設置界面，如圖7所示。該設備配置2個10 G光接口，具備SMPTE 2022-7的功能。設置開始時，可先對2個光接口分別進行IP地址、網關及子網掩碼的設置，再根據需要拉流的主、備路組播地址及端口號進行輸入源的設置，同時選擇輸入流的信號格式為2 160 P、50幀。設置中對PTP的處理需要留意，由于系統中主要以8000A的主、備同步交換機發出的PTP信號為主、備同步，系統中所有其他設備均需選擇為Slave Only模式，同時與系統中同步設置為同樣的Domain域。設置正常后，可以在相應界面看到現有PTP的鎖定情況，同時可確認鎖定的GM ID是否為系統中的主PTP時鐘。

圖5 MV820畫分端口內部邏輯圖

圖6 MV820畫分配置界面

在本系統調試階段，由于NEWT最開始的版本設置，無法接受系統內設置的視頻流237開頭的組播地址，升級NEWT軟件版本后該問題得到解決；同時發現，系統中SAM設備擴展包頭“Extended header”狀態打開時，NEWT與SAM產品之間的組播流封裝的包頭格式不匹配，導致接收的組播流顯示均為花屏，將SAM設備該選項關閉后，顯示問題得到解決。

2.5 示波器

本系統采用的Leader 5600示波器有2個10 G的光接口（見圖8），可直接接入交換機引IP流至示波器內進行分析。除了像傳統SDI信號一樣監看視頻的波形、圖像等信息，IP示波器還可分析符合SMPTE 2110-20和SMPTE 2110-30標準的IP流的相關信息。

使用前，需要在System Setup菜單內對IP接口進行配置。由于該設備可以支持SDI信號和IP信號的檢測，因此需要對輸入信號進行設置：將Setup菜單中INPUT A～D均設置為IP Stream，同時選定適用SMPTE 2110標準，并輸入相應的IP地址及組播信號；并且選定PTP狀態為支持SMPTE 2059協議，并將DOMAIN設置與主、備PTP相同的域內。至此，已完成示波器的IP設置。

圖7 ROSS NEWT轉換盒PTP配置界面

圖8 Leader5600 10 G IP光端口設置界面

在STATUS-ANALYSIS菜單下，使用人員可以看到：IP流的IP地址，組播地址、端口號、流符合的協議；IP接口的數據包比特率、報錯計數；每個數據包到達間隔的最大、最小及平均值；PTP的每秒時間差和相關信息；光模塊的狀態信息；MAC/UDP/RTP的包頭信息等。

在本系統調試過程中發現，當示波器重啟時，示波器本身會發送6～8個不正常的組播請求，當時交換機的版本不夠完善，NBM策略沒有正常工作，允許了這些不正常的請求全部涌入交換機端口，導致數據堵塞，影響交換機性能，造成其他端口下的組播流出現問題；在使用環境中，可以看到與示波器同源的信號畫面發生閃黑、劃痕的情況。就此，升級交換機版本，NBM策略缺陷得到改善；同時升級了示波器版本，也不再發出多余的組播請求，問題得到解決。

3 結語

通過本次直播，更系統地應用了IP化4K制作的模式，通過前期的整體檢查、測試，以及最后的直播，豐富了該模式的實踐經驗。在改進原有系統的同時，也發現了一些IP化系統目前依然存在的問題，如在目前4K IP化系統內，各設備PALOAD ID還并不規范，很多設備無法正確顯示HDR、色域等相關信息，SMPTE 2110-40的應用也遠遠沒有普及，各設備適應PTP時鐘的抖動范圍略有不同；系統應用期間，在前方信號出現短暫問題后，主路IP網關卡的恢復時間大于備路SDI設備，同時IP畫面分割器的延時時間也大于傳統SDI畫面分割器的延時時間。所有這些，都將是未來4K IP化系統需要克服的問題。SDI構架已經在廣電領域長時間應用，IP在傳輸優勢的前提下，也必將逐步改進，日趨完善。

在2019年的國慶閱兵轉播過程中，中央廣播電視總臺以“世界一流歷史最好”為目標，在進行電視、網絡直播的同時，還進行4K超高清影院的直播，并制作成電影《此時此刻——共慶新中國70華誕》，把活動現場“搬”到了影院，讓觀眾既能享受電視直播帶來的實況畫面，又能享受到影院的震撼效果。創造了重大活動直播進院線的嶄新業態，為重大事件的全媒體傳播提供了極富價值的行業范本。