一体化IP流播出服务器功能及应用

王焱 江苏省广播电视总台



一体化IP流播出服务器功能及应用

王焱 江苏省广播电视总台

【摘 要】本文探讨一体化IP流播出服务器对传统播出系统带来的巨大改变，在播出线运用的应用方案。阐述一体化播出服务器的功能实现，架构设计。

【关键词】播出服务器 IP化 一体化 ALLINONE

一、前言

笔者写下这篇文章的原因非常简单，在业界呼喊拥抱互联网，三网融合的口号下，作为广电播出行业从业十几年的技术人员，我成为首批乐视电视的用户，一开始的时候乐视电视除了点播功能以外提供了8个轮播频道，涵盖体育，电影，电视剧等方面，从观赏感觉上来说，这是最类似我们传统播出的业务，不到一个月时间，这8个频道变为16个，很快变成几十个，现在是一百几十个的规模。这样的扩张速度让业内感到窒息，因为对传统的播出系统来说，新添加一个频道，需要构建新的播出系统，相关联的工作涉及存储，播出服务器，切换台等周边选型，软硬件联调，测试，对一个技术能力较强的团队来说，新增4个频道的播出系统，在设备全部到位的情况下，需要2，3个月的时间。如此巨大的差距，说明了在对播出工作的思维方式，实现方法的认知上互联网和传统广电有着极大的差距。

二、传统播出系统的构成

图1　传统播出系统图

图1是传统播出的典型系统图。传统的播出系统比较复杂，一般采用专业设备，每一个设备完成一项工作，播出服务器完成素材的解码工作，切换台完成节目源之间的切换工作，字幕机，台标机完成图文包装工作。为了保证安全性，还需要层层备份，因此增加了跳线，倒换器等设备，整个链路中为了避免单一崩溃点，还需要再额外增加设备。建造这样的系统，由于链路上的设备分属不同厂商，联调比较复杂，需考虑软件控制的匹配，更重要的是系统应急效率较低，在链路中任何设备出现故障，需要按不同的应急流程进行应急处理。在故障发生时，往往需要根据故障现象判断故障发生的原因和环节，做出不同处理，这样的操作需要花费时间判断，值班人员想要以较快的速度处理问题面临着很大的挑战。

三、一体化播出系统

图2是典型的一体化播出系统图。一体化播出系统的组成相对简单。使用PC通用设备（如高性能服务器）充当一体化播出服务器完成信号输出，字幕台标时钟的叠加等基本播出功能，只需通过控制软件对服务器进行控制， 就可以按需求进行信号的输出。系统使用一主一备双链路设计，结构非常简单，崩溃点反而变少。一旦主链路硬件故障发生故障，切换到备链路即可。应急流程简单高效，这样的系统搭建非常迅速，在设备到位的情况下只需要简单完成软件的配置和调试，即可投入工作。关键设备就是本文题目提到的一体化播出服务器。运用一体化播出服务器，可以大大简化系统，也使系统的扩容更新变得更加简单，一体化播出服务器可以替代一系列传统硬件设备。

图3是一体化服务器替代传统设备的示意图。一体化播出服务器完成了以往由播出服务器，字幕机，切换矩阵，键混，台标以及上下变换器完成的所有工作，大大降低了成本和系统复杂性。

四、一体化播出服务器

图2　一体化播出系统

一体化播出服务器是应用 All in One 设计理念、采用纯 IT 技术架构、融合GPU加速技术实现的具有广泛的兼容性、稳定性，灵活的扩展性、以及模块化的视频服务器系统，具备丰富的输入输出模式、强大的格式处理及兼容能力，炫丽的 CG 特效合成能力，部署方便且配置灵活。将图文、切换、台标等功能进行了一体化集成及控制，具备完成频道简单播出的功能。系统采用软件编解码，支持多路信号的输入，支持SDI信号，IP信号的输出。

图3　一体化服务器替代传统设备

图4　一体化播出服务器

一体化播出服务器核心由IT化的高稳定服务器加专业板卡构成，成熟的IT服务器能满足24小时不间断使用的要求。近年来硬件的提升和发展，以及编解码算法的优化使得通过软件计算完全可以达到原有硬件设备的功能和要求。

4.1一体化播出服务器功能特点

一体化播出服务器具有以下功能特点：

高可靠性

（1）系统结构简洁，降低系统隐患节点

（2）基于软件编解码，具备良好的视音频文件格式兼容

（3）提高系统维护效率，降低系统系统维护风险

（4）支持多路高、标清播出

灵活扩展性

（1）系统冗余、网络带宽、存储容量可依据用户需求扩展；

（2）模块化视音频I/O端口设计，提高视音频I/O灵活扩展；

（3）数据、音频和视频格式扩展时，可以很方便地添加到原系统中；

（4）独立双图文设计，可同时叠加台标、时钟。

良好的系统兼容性

（1）支持：MPEG2 I 帧、Mpeg2 IBP longGOP、H.264、H.265、ProRes；

（2）DNxHD、DVCPRO HD视音频格式；

（3）支持多种封装格式MXF、MPEG、mov等；

（4）支持VDCP LOUTH协议接口。

图5　一体化服务器工作原理

图6　IP化多屏合一

多功能，高性能

（1）支持本地节目单模式，提供开放接口，自动接受播出节目单，播出控制系统中断后播出信号不中断；

（2）高性能异步和多线程处理模式、配合 GPU 加速处理可实时调整图层之间的合成混合模式，能够同时播出多个动态图层，每个图层可播出 Video、Image、CG 等，通过混合切换器实现复杂的图文播出效果；

（3）支持外来直播 Live 信号播出，能够通过输入 I/ O 卡实时输入 SDI 信号并进行延时可调的实时播出，能够实现 SDI 输入信号与文件之间的无缝切换播出，并支持在Live信号上进行CG 特效的图文播出；

（4）实时特效调整，所有的播出图层可以实时通过控制命令实现效果的调整如：调节亮度、对比度、饱和度等，调整图层之间的混合模式、移动方式、裁剪、伸缩、切换效果、调节音量等，能够实现DVE特效播出、画中画、马赛克屏、包装播出。

4.2一体化播出服务器功能实现

播出一体化出服务器的出现基于IT硬件设备的高速发展，通过服务器的计算能力完成高清视音频的编解码功能，主要包含编解码处理单元，图文处理单元，切换单元，输入输出单元几部分，分别完成视音频解码，图像渲染处理叠加，信号切换等功能。一体化服务器工作原理见图5。

和相关的传统设备相比，由于一切功能都基于软件运算，因此功能非常强大，提供更加灵活的诸如上/下变化，叠加图文，IP输出等功能，同时系统的兼容性更加出色，输入输出接口更加灵活多样，可以满足各种需求。

内置的存储已经具备RAID容错的功能，系统具有更高的扩展性和安全性，但稳定性有待验证，虽然现在高性能服务器在IT应用上可以满足大数据量的长时间不间断运算，但从理论上来说，高度集成化设备的稳定性尚不如单一化硬件设备的稳定性。

4.3信号IP化

关于电视信号IP化的业务讨论，业界已经很热烈。笔者认为不是技术革新要求广电信号IP化，而是业务需求要求信号IP化。对于成熟的数字视频传输技术，信号的稳定优质毋庸置疑，但是现在收视终端正在向多元化发展，电视机、电脑及手机承载相同的收视业务，甚至电视业务是在萎缩的，手机收视正在蓬勃发展。这种终端多元化，多屏合一的趋势决定了IP化的必然结果。业务代表了受众的需求，广电需要解决的问题就是快速向IP化的无缝过渡，只有实现了IP化，才能完成多屏的推送，才能完成双向互动，使得电视行业保持活力。那么首先，播出服务器必须具备输出IP信号的能力。在早期，服务器需要兼容SDI和IP的输入输出，一旦整体建成体系化的IP网络，全IP化的送播播出也是指日可待的。

IP化最大的意义在于适应超高清发展的趋势。现在我们谈到高清已经不是1080p至少应达到4K级别，也就是3840*2160像素，我们可以粗略计算下，按10bit量化的4：2：2数字信号，码率高达8.3Gbps，而目前的3G-SDI支持3Gbps的传输速率，远远达不到4K信号传输的要求。现在采用SDI传输超高清信号的做法是将超高清信号拆分成4路1080p高清信号进行传输，但这样的做法会造成系统规模庞大，结构复杂。而采用IP的方式可以使用单根网线或光纤进行超高清信号的传输，只要传输总码率不超过带宽，在同一根网线或者光纤上可以同时双向传输各种不同的信号，包括不同码率和格式，可以传输视频信号，时钟信号，同步信号，文件等内容。正因为如此，IP架构具有极大的便利性和灵活性。

但是从技术的角度上来说，IP信号并不是无懈可击，还存在不少待解决，待优化的问题：

（1）同步

同步在电视中心系统中是非常重要的，以太网本身的同步协议精度可以达到Ms级别，并不能满足电视机构对同步的紧密要求。目前，新的SMPTE 2059协议采用“最优主时钟算法”可以将精度控制在μs ，力争解决同步问题。

（2）延时

延时也是电视系统中非常重要的指标，随着传输链路长度的增加，延时是不可避免的。现在SDI传输方式产生的延时极小，能够被电视系统接受，但IP传输由于压缩编码的特性，延时明显高于SDI，这不但是由传输协议造成的，还跟硬件设备有关系。不管是协议还是硬件设备，都需要针对广电信号的特点进一步进行优化，降低延时量，才能达到广电的要求。

图7　一体化服务器运用场景

五、实际运用场景

在我台正在构建的播出系统中，我们尝试搭建了一体化IP播出服务器的运用场景，一体化服务器运用场景见图7。由于对一体化服务器性能以及安全性尚没有完全的把握，我们没有贸然使用一体化服务器完成频道播出工作，而是使用该类型的服务器构造了一个最小备份播出系统。用途为提供第二级的备用信号，完善播出系统的容错性。该服务器从数据库调用相应频道节目单，素材迁移删除工作均由内容服务平台执行相应策略完成，一体化服务器按照串联单安排，受播控工作站的指令控制，在本地素材线路信号之间自动切换。系统接入SDI演播室线路信号，中央台卫星信号，以及其他IP平台的节目流，在服务器内部利用制作好的CG模板完成台标，时钟，字幕等图文元素的叠加。直接输出IP节目流至IP矩阵完成IP分发，并采用了IP转SDI设备完成了频道应急系统的需求。

这样的系统设计，具有以下优点：

（1）为播出服务器提供异构备份

原有的系统主备链路采用了同一品牌的播出服务器，在文件兼容性上有着明显缺陷，一旦文件格式播出服务器不能识别，整个系统不能提供其他解决办法。使用一体化播出服务器后，由于本身软件解码的特性，文件兼容性较好，且与原有服务器不属一个品牌，属于易购备份，无疑提高了系统的备份级别。

（2）成本低，结构简单，操作便捷

一体化服务器代替了一般播出系统中大量的周边设备，结构简单，成本降低。在系统设计上，我们采用了自动读取节目单，按照既定策略进行素材迁移和删除的方式，基本不需要人工进行干预。

（3）进行IP化尝试

我台总控系统已经配备IP矩阵，为播出端及早的提供IP播出信号，可以满足更多层面的需要。目前设计的系统在不影响原系统播出业务的同时，率先进行了IP化尝试。

六、小结

电视信号的IP化，电视播出系统的一体化是行业发展的必然趋势，直接关系到电视行业的发展之路。在对安全稳定性要求最高的播出环节，是否能引入IP化播出，一体化播出，是非常关键的一环。面对新的技术，我们应该勇于尝试，在实践中验证设备的可靠，方案的可行，力争尽早推进电视播出信号IP化，完成拥抱互联网的第一步。希望通过此文抛砖引玉引发更多人对一体化IP播出设备的兴趣和研究，增加更多的实际应用场景，以实际应用促进技术的发展和完善。