融媒體中心高清數字化制播系統構建

鄭德強

（山東省日照市五蓮縣融媒體中心，山東 日照 262300）

0 引言

隨著互聯網、大數據、云計算等信息技術的迅猛發展，傳統媒體正經歷前所未有的融合變革。傳統廣播電視媒體與互聯網新媒體的深度融合，構建了覆蓋面廣、傳播力強、互動性高的融媒體形態。五蓮縣融媒體中心通過整合和創新傳播技術、內容和渠道，實現了“全媒體+”的發展模式。其中，構建先進的融媒體中心，推進媒體數字化轉型，是傳媒業實現融合發展的關鍵。融媒體中心是融合多種媒體功能于一體的現代化傳媒設施，集新聞采編、高清播出及監控管理等功能于一體。構建高效的數字化融媒體中心，不僅能夠提升制作播出效率，還可以實現跨屏傳播，豐富受眾的獲取渠道。研究構建適應融媒體時代發展的高清數字化制播系統，對推進我國傳媒業數字化轉型具有重要意義。

1 融媒體中心高清數字化制播系統構建的關鍵技術

1.1 視頻服務器技術

數字化制播系統中，視頻服務器發揮著處理和管理視頻資源的核心作用。從存儲架構上看，視頻服務器通常采用網絡附加存儲或者存儲區域網絡技術，通過磁盤陣列方式實現大容量穩定存儲，使用RAID 5、RAID 6 等磁盤陣列冗余技術。在視頻編解碼模塊方面，視頻服務器一般會集成圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），利用其并行計算能力，實現高效穩定的視頻編解碼算法處理，支持H.264、H.265 等主流編碼標準[1]。為降低編碼過程中的延遲，也可采用基于現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技術的硬件編碼方案。視頻編解碼模塊還需要承擔視頻格式轉換、圖像處理等功能。

1.2 編解碼技術

數字化制播系統中，視頻編碼與解碼技術負責壓縮數字視頻的數據量，以優化傳播效率。目前，業界主流的視頻編碼標準是H.264 和H.265。H.264標準利用時域上的運動補償技術檢測視頻序列相鄰幀之間的運動變化，進行差分編碼來減少冗余信息，還使用空域變換與量化算法進一步消除靜態圖像中的冗余信息，經過熵編碼形成壓縮編碼比特流。為應對高清視頻壓縮編碼帶來的巨大計算需求，編碼設備中會部署GPU 甚至FPGA 進行硬件加速。

1.3 信號交換與控制技術

高效穩定的信號交換與智能化控制技術是保證多個信號源實現靈活配置的關鍵。矩陣式交換機可以提供大量輸入和輸出接口，并在任意端口之間建立自由的信號連接和傳輸，實現非阻塞式的交換功能。針對視頻信號，數字視頻路由器是矩陣交換機的一個重要應用，需要具備支持未來4K 甚至8K超高清視頻格式的接口模塊，比如3G、12G-SDI 等。內部矩陣與交換通路需要提供足夠大的信號傳輸帶寬，并考慮具備128×128 乃至更大規模的矩陣結構，以滿足數百路高清信號的自由切換需求[2]。

2 總體框架

融媒體中心高清數字化制播系統的構建，需要從總體上規劃和設計系統的框架結構，以適應未來業務需求的變化和技術的發展。基于此，本研究構建了臺網分離、采編播出分離的高清數字制播系統總體框架，可劃分為采編子系統、播出子系統和質量監控子系統3 個較大的組成部分，如表1 所示。

表1 系統總體框架設計表

2.1 采編子系統

采編子系統承擔新聞文字、圖片、音頻及視頻等多媒體內容的采集編輯工作，是制播系統的“采集源頭”[3]。采編子系統主要包括新聞采編平臺、非線編平臺和統籌支撐平臺。新聞采編平臺用于實現新聞類文字、圖片、音頻和視頻內容的采集編輯功能，能夠支持多種終端進行采編操作，實現內容的多平臺發布；非線編平臺主要面向某些包裝類的電視節目，提供二維和三維動畫、虛擬演播室等功能；統籌支撐平臺實現對包括采編在內的各類資源的統一管理、計劃管理、具體任務的系統派發等功能，起到系統調度和支撐的作用。

2.2 播出子系統

播出子系統負責將采編子系統制作完成的內容進行系統化管理、調度和播出，是內容的“發布端”。播出子系統包含甲方播出平臺和乙方播出平臺。甲方播出平臺主要負責統籌管理和調度各個綜合頻道的內容播出，乙方播出平臺則專注負責系統內各個專業頻道的內容播出管理。播出子系統通過高端矩陣式視頻音頻信號交換機，能夠獲取各類信號源內容，并按照規劃目標進行信號切換，最終實現內容的播出發布。系統還提供主備冗余機制，在主系統出現故障時快速切換到備用系統，確保電視節目內容的持續不間斷播出。

2.3 監控子系統

監控子系統在總控制室通過設立大屏幕視頻墻，能夠全面監控信號源狀態、播出鏈路情況以及各類系統操作情況，實現對整個系統的統一監視和管理。監控系統還可設立預警機制，在檢測到系統故障時快速定位并展開處理，最大限度地減少故障對系統運營的影響。該高清數字化制播系統采用先進的IP 化網絡平臺架構，使用千兆光纖技術打造系統內部的環形聯網，支持系統內各組成部分之間的快速互聯互通，最終實現超高清4K 制作和播出效果[4]。

3 功能模塊

3.1 采編模塊

采編模塊主要完成從采集素材到產出成品節目內容的整個過程。采集單元支持多種格式信號的數字化采集，選用配備12G-SDI 接口的專業設備，滿足未來4K 超高清信號的采集需求。編輯單元選用配置至少12 核中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、64 GB 內存以及獨立顯存不小于8 GB的專業級別圖形處理卡的終端機，確保終端機有足夠的計算處理能力，安裝支持4K 格式視頻編輯的專業非線性編輯軟件，應對超高清素材的剪輯和特效制作等需求，模塊包含超高清（Ultra High Definition，UHD）分辨率下中英文文字幕的嵌入解決方案，三維動畫虛擬場景的渲染功能，以及通過視頻復合器實現多路畫面混合輸出的功能。

3.2 內容播出模塊

內容播出模塊解決編碼、傳輸和信號分配等任務，實現內容的穩定播出，部署支持HEVC/H.265 標準的專業硬件編碼器，配套千兆以太網技術的傳輸網絡平臺，通過二層網絡交換機實現內容分發，應對大并發高清點播產生的帶寬需求。模塊選用具備128×128 大矩陣規模的高端數字視頻路由器，實現多路4K 信號的自由切換和分配功能。冗余設計的主備播出控制系統，確保播出調度的可靠性。

3.3 系統監控模塊

系統監控模塊基于數據統計與智能算法，監測各類信號質量指標、設備運行狀態，具備故障智能識別與快速預警功能，通過集中式運維管理平臺，提供全局化的監控與輔助決策能力。

4 網絡架構

數字化制播系統作為一個龐大的傳媒集成平臺，其網絡架構的設計直接關系到系統的性能表現和可靠性。網絡部分的設計目標是：支持系統內高速互聯互通，實現資源共享，保證播出業務的穩定性。為達到上述目標，系統網絡架構采用分層設計的思路。

4.1 網絡核心層

網絡核心層使用以40 Gb·s-1高速交換機為核心的二層地理信息系統（Geographic Information System，GIS）架構，不同功能子網通過匯聚層交換機匯聚接入。各功能子網打通按需分配網絡資源的能力，實現頻道間的動態帶寬分配，可以根據實時業務需求合理調配網絡資源。采用冗余結構的匯聚設備和交換設備，并啟用競爭負載均衡和聚合鏈路技術，提高網絡帶寬利用效率，保證核心層的高可用性。

4.2 系統接入層

系統接入層部署1 Gb·s-1網絡接口，通過光纖接入匯聚層交換機。關鍵業務系統如播出系統接入至少2 個獨立的匯聚設備實現冗余保護。采用針對媒體數據流的服務質量（Quality of Service，QoS）智能化流量控制技術[5]，區分業務優先級，保證播出流量的優先傳輸。接入層端口啟用流量控制和風暴控制功能，防止大流量突發對網絡的沖擊。現場區域采用千兆以太網技術部署，通過光纖傳輸與核心層、匯聚層連接，保證高清視頻、音頻信號源的實時傳輸，具備熱備插拔的網絡接口模塊，支持在線熱插拔。設備與匯聚層的鏈路可以在線無縫切換，確保核心業務的不間斷運行。

5 結語

數字化技術的飛速發展為媒體行業帶來了深刻變革。傳統的模擬制播方式正在逐步被數字化方案所取代，媒體組織也在積極推進數字化轉型。隨著技術的不斷進步，未來數字制播系統將向更智能化、服務化和個性化方向發展，為受眾提供更豐富、便捷的內容服務。制播系統的數字化轉型是一個長期而復雜的過程，需要業內持續學習新技術、汲取經驗教訓，以不斷提高數字化應用水平，共同努力推動數字媒體技術在廣電行業的創新與應用。