制播一体网络系统设计与实施

周俊光

为进一步打造节目品牌,提高节目制作水平和播出信号质量,抚州电视台针对台内采编播设备陈旧、老化严重的状况,动工兴建了两频道制作播出一体化网络。该网络采用模块化设计,集成度高、安全性好,维护量小同时具有超高的性价比,具有一定的先进性和可发展性。

系统需求分析

抚州电视台现开办了两个频道,每天每个频道播出时间18个小时,其中自制节目两个时间,节目包括新闻类、社教类、专题类、广告类。为此,在本系统中设计有卡编辑站点7个(其中一台含配音功能),无卡编辑站点5台,配置3台配音工作站和编辑/审片工作站。新闻、社教、专题由于其制作程度相对复杂,要求采用MPEG-2 I 25Mbps格式进行保存和编辑,存储空间为12.5GB/小时。广告文艺、宣传预告节目采用库方式预先存储一定数量的节目供编辑时使用,由于此类节目绝大多数仅为添加字幕编辑和简单对编,因此采用MPEG-2 IBP 8Mbps格式进行存储和编辑,存储空间为3.6GB/小时。

在制作网中,我们选用了索贝ENE-B100型网络中央处理单元——蓝箱。蓝箱是制作系统中一个高度集成化的系统,包括数据库服务器、文件存储服务器、磁盘阵列和千兆以太网,与外界(编辑站点、网关站点、播出系统)仅有以太网接口相连。存储容量设计为1.92TB。

另外,根据抚州电视台的实际情况,我们在节目播出系统中配置3台播出/上下载工作站,完成每天大量电视剧的上载;播出方式采用控制、播出分离的方式,采用4台播出控制工作站用于完成2个频道及播出备份的控制工作。所有节目均采用MPEG-2 IBP 8Mbps格式进行保存和播出,播出系统选用ENC-Redbox型——红箱。红箱是播出系统中一个高度集成化的系统,包括网络服务器、播出服务器、磁盘阵列和千兆以太网交换机,与外界(红箱、上载工作站、播出控制站相连)仅有以太网接口相连,存储容量设计为1.92TB。

系统方案概述

根据制作播出设备数字化改造的总体要求,结合数字化、网络化的发展趋势,抚州电视台采用了索贝公司最新推出的E-Net小型节目制作/播出一体化网络系统。该系统核心组件分为蓝箱(制作系统)和红箱(播出系统),将两者用千兆以太网相连接,构成制播一体网。

网络化节目制作体系。索贝E-Net系统中的非编系统不同于以往传统的视音频处理板卡的非编系统,它采用纯软件的编码及广播级的I/O通道技术,最大程度的保证了节目的视音频质量,同时大幅提高了整个网络产品的稳定性和安全性,易于升级和维护。

首先,我们使用了CPU+GPU+I/O板卡技术。在传统的以专用处理板卡为核心的编辑系统中,计算机CPU仅仅负责实现交互界面和文件系统数据存储的功能,视音频信号的输入、压缩、解压缩、特技、合成、输出等处理工作全部通过板卡完成,但专用板卡价格依然比较昂贵并且兼容性、稳定性较差。CPU+GPU+I/O卡技术在极大提升编辑系统的兼容性、稳定性和性能价格比的同时,充分利用了软件的灵活可升级特性,通过对PC平台的简单升级或更换,可以实现编辑系统几乎无限制的功能扩充和性能提升。CPU+GPU+I/O卡技术通过利用PC平台系统中的通用CPU、显示卡上的通用GPU以及复杂度相对较低的视音频I/O板卡共同组合完成原来由一片或一套专用板卡所完成的功能。图1、图2描绘了基于CPU+GPU+I/O卡技术的视频采集和双路实时输出过程。

图中不难看出,原来由专用板卡完成的大部分功能都通过CPU和GPU运算以软件的方式实现。CPU负责完成视频数据的编解码运算,GPU负责实现视频特技和合成运算,只有基带信号的I/O需要通过特定的I/O板卡完成。

其次,我们使用了千兆以太网的中心存储和传输技术。不可否认,FC这种带有交换方式的总线技术所构成的存储网络系统凭借其持续稳定的总线带宽特性以及无单点故障的强大安全性,毫无疑问地将在目前乃至未来的若干年的大型网络项目中保持绝对的主导地位。作为中小规模的编辑网络系统,千兆以太网所构成的非线性编辑网络具有性能价格比高、搭建和维护简单的优势,非常适合中小型电视台的使用。

帧缓冲机制:帧缓冲技术的设计思路来源于磁盘系统的高速缓存技术,是类似于流媒体技术的一种网络高速缓存机制。以播放过程为例:开始播放时,编辑软件在工作站端建立一个缓冲区,当网络传输产生抖动导致带宽降低时,缓冲区起到数据缓存的作用,直到带宽恢复。在这个过程中,只要帧缓冲区不发生下溢,缓冲区中所保存的数据就可以保证播放保持持续稳定的数据传输,从而避免播放丢帧。播放缓冲区的大小需要根据网络的实际情况进行调整。

网络存储服务器:网络存储服务器是网络化编辑的核心设备,它所能够提供的最大有效带宽决定了网络的规模和网络传输性能。通过在存储服务器中选用支持Interrupt Moderation和NAPI技术的服务器级网卡并对网卡参数进行调整,从而降低网卡产生的中断频次,提高CPU的处理能力,增加网络带宽利用率。通过选择带有TOE(TCP/IP Off-loading Engine)的千兆以太网卡可以将全部四层网络协议的处理转移到板卡上的TOE芯片处理,有效的降低处理器负载,提高网络效率。

硬盘阵列系统:作为存储介质的硬盘阵列系统,基本上外置的接口均采用了Ultra320 SCSI接口,而内置的硬盘有三种:PATA(IDE)、SATA和SCSI。采用SATA硬盘的磁盘阵列系统是最佳性价比的选择。目前测试所得的SATA磁盘阵列速度已经接近200MB/s,已经达到SCSI磁盘阵列的速度。

硬盘播出控制系统。播出服务器担负抚州电视台两个频道的节目播出,由于其节目连续播出时间长,因此对播出服务器的要求极高,为此采用一些特殊的设计,保证了播出稳定性和安全性。

播出控制和播出服务器分离:播出服务器(主备)只负责硬盘节目的播出,播出控制工作站负责完成对所有参与播出的设备进行控制(如播出主备服务器、播出录像机、播出切换矩阵等)。在系统设计中,对播出控制工作站采用主备的方式来保证所有频道播出控制的安全性。在实际使用过程中,当某频道的播出控制工作站出现临时故障时,由于播出控制和播出服务器分离,因此播出控制工作站的故障并不会影响节目的播出,此时只需要重新启动播出控制工作站后打开播出节目单即可继续进行节目播出控制。在单播出控制工作站发生暂时无法恢复的故障时,制作人员只需通过使用备份播出控制工作站打开该频道的播出节目单,并将发生故障的播出控制工作站的RS422切换开关切换到备用播出工作站上即可继续进行节目播出控制。

媒体网关技术:使用MEGAServer媒体网关技术完成节目的上/下载及播出,由于在I/O通道上没有编码器,长时间工作不会产生大量的热量,因而能保持较高的稳定性。另外,通过使用网络传输节目文件的方式保证节目传输不受到任何形式的损失,从而保证了节目传输的高指标。

一、上载工作站设计。播出系统中的上载工作站其主要的任务是完成录像带节目和其它媒体节目的上载工作。在抚州电视台,其主要节目均通过网络制作并通过转码后迁移到播出系统,但仍然不可避免的还有部分录像带或其它存储介质的节目考虑到效率问题而需要直接通过播出上载工作站上载到播出系统。为保证电视剧上载有足够的空间,不仅在红箱上给了1.2T的容量,还在上载工作站外挂了3个400G的硬盘,使电视剧存储容量达2.4T,可保存一个月的电视剧。播过的电视剧下次直接调用,避免了电视剧重复上载造成的信号衰减,提高了工作效率。

二、转播节目设计。由于在转播信号中无法输入系统同步信号,为了保证节目播出切换时画面的稳定,在设计上使用了时基校正器来进行对转播时的系统同步,经过系统同步后的转播信号通过分配器分配到2个频道进行转播播出。

三、时钟同步系统设计。采用GPS卫星信号获取北京标准时间的方式来完成整个系统时钟和北京标准时间的同步。

四、系统同步系统设计。在播出系统中,由于参与播出的节目信号源不同,各自的同步基准也不相同,为了保证各类信号源在播出切换时图像的稳定,需要使用统一的基准同步信号(同步信号发生器)将所有参与播出的信号源进行同步处理。

五、安全备份设计。为了进一步提高播出系统的安全保障措施,在播出系统的主要环节均设计有相对应的备份,其具体备份点有播出服务器全局备份、播出切换矩阵全局备份、播出控制工作站全局备份。通过这些重要部位的全局备份,使得在整个播出系统中不会因为单一的崩溃点而造成某个频道无法正常播出的现象发生。

六、防病毒处理。制播网视音频传输采用很少被病毒感染的AVI,WAV格式;屏蔽USB等数据端口;外面的文件素材必须先在未与非编网连接的专用电脑上杀毒,再在制作网上专用电脑上查杀才能进入。

(作者单位:抚州电视台)

栏目责编:肖月