4K全景HD演播室集群化系統設計與IP化測試應用

趙偉智

吉林廣播電視臺 吉林省 長春市 130021

近年來，隨著高清顯示組件的生產以及相關技術模式的應用，對于廣電行業而言興起了基于4K 技術的全景HD 演播室建設發展趨勢。不同于現階段普遍使用的高清電視（1920×1080 分辨率），4K 是具有4096×2160 分辨率的超清、超精的高細致畫面，分辨率能夠達到高清顯示效果的4 倍，在4096×2160 分辨率的畫面中，能夠達到885 萬像素的高清晰畫面使用標準。4K 技術能夠配合畫面顯示效果的大動態變化范圍，即HDR，畫面色彩度、飽滿度更高，顯示效果更好。因此，如何充分利用4K 帶來的技術沖擊和視覺效果提升體驗，構建滿足實際使用需求的基于4K全景HD 演播室，是值得研究的問題。

引 言

全景HD 演播室智能化系統主要是基于NDI 網絡協議設計并施工建設，4K 信號通過NDI、IP化進一步實現并充分利用。視頻影像、圖文數據以及工作信號、5G 背包回傳的視音頻信號、圖文包裝信號等都通過Internet 接入 4K 全景 HD 演播室集群化系統，通過該系統完成超高清節目的制作以及多通道錄制，可同時進行網絡推流直播。4K 信號傳輸采用5G 傳輸技術或SDI12G 傳輸模式。技術優勢的體現需要在系統設計中考慮到4K 全景HD 演播室的實際情況和建設實踐的各個環節：數據資源采集端，需要設計布置支持大動態變化范圍HDR 技術以及廣色頻WCG 高質量的拍攝、剪輯等相關制作能力的采集設備來形成高質量、高效率的4K 畫面；輸出端需要配套A104K、Mariana5D4K、資源分配以及相關的虛擬設置系統等，提高全景HD 演播室的封裝效果；中間數據處理過程作為信號處理和傳輸的橋梁是數字矩陣和信號切換的必經階段，在信號形成階段、信號傳輸過程能夠平穩過渡，形成鏡像信號，最終在輸出端能夠生成PGM 信號。因此，從采集端—處理端—輸出端等諸多環節，采取集群化系統設計模式與IP 化技術應用，在4K 全景HD 演播室系統建設中完成優化設置和參數配置，從而形成智能化、自動化程度較高的系統管理模式，能夠較好的提高工作效率和穩定性能。

1 系統架構與集群化設計

現階段基于4K 技術的演播室，能夠在數據端進行海量數據存儲，在數據變化前提下近實時同步高清信號，并采用多路+多信道模式的信號輸出方式，可以為IP 化測試做好相關技術準備，即實現從客戶端—容器組相關信號處理全模式處理過程，如圖1 所示。

圖1 集群化系統設計與運維結構圖

因此，系統設計與技術測試需要重點滿足三個方面：一體化云端、IP 技術介入以及智能終端管理。

1.1 一體化云端

采取彈性網絡架構模式的云端數據中心，在充分運用網絡虛擬機的基礎上，規劃“本地云+私有云”形式，簡化系統框架結構，優化了信息流轉過程，增強了整體智控的安全性和穩定性，能夠高效實現數據信息的高速傳輸和存儲，不僅能夠大幅增強海量數據云端存儲的能力，也能夠穩定實現海量數據傳輸。在一體化云端設計建設中，各個云服務的節點可以設立在本地云端數據中心內，可以滿足本地數據實時調用，也可以實現安全數據處理，既屬于電視臺的數據中心體系，也作為私有云服務于本地系統。該云端的建設能夠提高數據信號的制作、內容優化分發以及安全性保證，在推動云端處理技術的基礎上構建全網系的融媒體平臺，利用“多路協同”“一云同屏”等云服務將系統設計功能應用在實際系統建設中。

1.2 IP 化技術介入

IP 化技術能夠從技術底層重新建設電視節目生產、傳輸以及輸出等全領域全流程，如何設計技術介入節點以及標準，重點解決NE9000 切換、PTP 同步、SDN 開放架構、組播NAT、超大規模IP 矩陣等技術問題，能夠高效融入4K 全景HD 演播室集群化系統設計過程中。在應用設計中，這里采取的是SMPTE-ST2110 的 4K 模 式 IP 化技術，建設SPINE LEAF 的基礎構架，以網絡服務器、云端交換機以及大型路由設備進行超大型網絡規劃建設，從基礎設計方面顛覆傳統的系統建設模式，采用大型交換機、路由器組建超大型IP 網絡，徹底改變原有技術架構及流程，最高數據吞吐量能夠達到80Tbps，支持超過4000 路的4K 全景信號承載。

1.3 智能終端管理

智能終端管理通過建設基于物聯網—智慧云平臺對4K 全景演播廳的內部數據信息處理、管理流程主要包括：流程標準的構建，通過安裝監測系統，利用智能化數據采集與分析技術對播出環節各階段的數據進行采樣分析，同時監測終端自動按照預設監測頻率監測數據，把實測結果上傳至云平臺；DATAMINER 控制平臺，人工實現數據整合、基層業務運營管控、數據網絡移動物聯、用戶需求增值服務，依據監測系統的預警、反饋信息以及數據情況，進行人為解決問題，對接需求、處理異常等信息。以位置信息作為數據存儲的索引，將節目硬件信息和固件版本信息進行映射，依托云平臺響應的“leo”標準并作出反饋，確保系統運行的安全穩定。

2 系統功能與IP化測試應用

2.1 云端中心與IP 化安全認證

“本地云+私有云”云端數據中心采取的是業內公認的技術標準以及最高等級的UPTIMET3 的標準技術認證，其中PUE=1.19，可以看出系統設計的容錯率和標準要遠高于傳統的云處理平臺。

2.1.1 功能化設計

4K 全景HD 演播廳大數據采集，可通過數據爬蟲實時不間斷采集各種來源的結構化或非結構化海量數據。其中目前主流的基于SQOOP 和ETL 的企業級數據采集方式實現HDFS 和NOSQ 的數據同步，也包括同步實時文件采集和處理技術flume、基于ELK 的日志采集和增量采集等。

2.1.2 安全性測試

基于SMPTE-ST21104K 模式IP 化技術的網絡底層設計，云端中心的數據依托于網絡服務器、云端交換機數據進行數據交互和共享分發，基礎數據量建設大于100T，ST2110 4K 信號能夠滿足數模轉化、制式轉換TOC 以及相關數據LEAF 的技術支撐。根據數據吞吐量、數據處理量以及智能化信號處理技術智能選擇適合的播出網絡和傳輸通道，即局部建立單獨的、體系的小型播出平臺，能夠支撐IP 化應用的網絡安全機制，并滿足互聯互通端口功能，在組播NAT 調度、SDN 控制、PTP 服務等方面IP 化技術測試與應用在核心上有著重要意義。

2.2 數據處理與IP 化資源調度

加密技術與存儲空間主要利用SSH 技術背景的數據池技術，采取網頁式的平臺以及JSP 的開發環境，Docker 化多結構部署，在云端處理中均采取數字加密方式進行存儲，能夠在不同的數據平臺之間擴展與兼容，實現結構化、系統化與目標化的數據查詢、分析與比對的功能，基于多方安全計算、隱私保護以及區塊鏈等技術，實現數據資源的“可用不可見”，解決數據協同計算過程中的數據安全和隱私保護問題，進而提高數據使用效率和存儲空間，更加安全可靠。

科學合理的IP 化數據資源調配，除了技術強化安全防護能力外，還需要優化機制。目前，縣級廣播電視臺基本設置了相應機構，可根據實際情況，靈活順暢地對節目播出內容和相關信息進行調整。該類技術需要依托分布式信息處理機制，對節目內容能夠實時掌握，對播出環節能夠及時干預，對審核機制能夠全時監測，需要網絡信息技術與應急管理策略的有機結合，對電視節目播出的全過程綜合監管，并根據上級指示、終端指令進行具體的實際操作，應急反應迅速可靠，能夠與用戶端、監測端建立及時的信息交流與反饋，便于上級部門針對具體問題展開綜合部署與現場指揮，通過合理、優化解決策略，避免突發情況造成的惡劣影響。

結束語

本文提出的4K 全景HD 演播室集群化系統設計與IP 化測試應用是針對現階段融媒體的應用與新技術的推廣，能夠有效解決中廣有線電視演播廳設計與播出的一系列問題，經過系統設計基礎應用和實踐運行測試，可以看出本文提出的方案能夠有效提高演播系統的工作效率和播出質量，強化了系統運行的穩定性，減輕了技術人員對于系統維護的工作量，為未來智能化、自動化、無人化發展提供了技術平臺。