IPTV 4K超高清轮播系统的设计与实现

李建国 江苏省广播电视总台

1.前言

近些年来，IPTV行业不断发展，近两年更是迎来爆发式增长。工信部发布公告显示，截至2018年11月，基础电信企业发展的IPTV用户总数达1.53亿户，比上年末净增3114万。基于用户对于高质量内容的迫切需求以及 IPTV实际承载网络的性能提升，国内省级以上新媒体纷纷推出4K业务。江苏IPTV 4K专区于2015年6月30日正式上线，进行过足协杯半决赛、江苏卫视跨年演唱会、超级DIVA演唱会等多场4K超高清直播。为了提供更全面的4K视频服务，给用户带来更好的视听感受，发展4K轮播势在必行。

2.总体架构设计

2.1 系统架构

江苏台IPTV 4K轮播系统整体架构如图1所示，主要包含二级缓存、流播出服务器、码流切换器、接入交换机、监控系统等设备。

节目平台通过系统接口将轮播的素材发送至二级缓存离线存储，轮播素材按照节目单自动迁移到播出服务器中。播出服务器是整个系统的核心，推流后叠加台标字幕重新编码送到码流切换器。码流切换器可提供主、备、辅三路输入，当前信号出现故障时可切换到另外一路进行应急，切换器输出的信号送到接入交换机，再将组播流转发到出口交换机并推送到运营商。

2.2 网络设计

如图2所示，系统的互联互通以交换机为核心，交互的数据分为组播流和业务管理。条件允许的情况下，码流传输和业务管理宜分别采用两台交换机堆叠来实现，能够保证组播流推送的顺畅和业务数据的传输效率。如果业务量不大，也可在同一组交换机中划分不同的Vlan来区分组播流和管理数据。

图1 系统总体架构

图2 网络设计

2.3 流程设计

轮播是IPTV三大主流业务（直播、点播、轮播）中，与传统广电播出模式最接近的，需要按照时间顺序编排节目单，并让节目单与流播出服务器中的素材关联循环播出。结合实际应用，在业务流程设计中应包含以下几个方面：节目编播规划、素材导入、节目单编排、播出、信号监控。

3.系统功能

3.1 流播出平台

在播出链路设计时考虑到系统的安全性，关键设备如播控工作站、播出服务器、码流切换器等都使用了主备机制。系统共使用了4台流播出服务器，2台一组形成主备，单台服务器支持一路4K和两路高清频道的播出，在服务器上叠加台标字幕后经接入交换机送到主备码流切换器，切换后的信号就是系统的最终输出信号。

3.1.1 播出服务器

在前期设备调研时我们发现，目前流播出服务器有推流播出和编码播出两种模式，其中推流模式服务器只输出组播流，叠加台标、字幕需要在服务器后增加编码器重新编码，架构较复杂且成本较高。推流编码一体化模式是服务器推流后利用GPU重新编码视音频，叠加台标字幕后直接输出完整信号，架构简单且操作较为便利，此次系统建设中我们就选用了集成度较高的推流编码一体化服务器，设备的视音频编码设置如图5所示。

图3 流程设计

图4 流播出平台示意图

目前用户能通过多种渠道收看4K视频，包含互联网OTT、视频网站、IPTV等，大多节目只是画面分辨率达到了4K，而在色域、高动态范围等维度还不具备4K特性。2018年10月，央视和广东台4K频道开播，包含4K各项技术特性的节目会逐渐推广。因此在系统实现时，需要具备多维度4K的播出能力。从图5可以看出，4K较高标清节目编码参数更多，要根据系统性能、原始素材格式、终端需求进行设置，对各项参数的分析可参考如下：

图5 流播出平台视音频编码设置

(1)分辨率

4K分辨率即4096×2160的像素分辨率，在国际电联对于UHDTV标准的定义中，将4K电视节目的分辨率定为3840×2160，这个画幅显示的比例更接近16：9，符合观众收视习惯。

(2)帧率

标清、高清电视节目帧率采用的是25帧，在4K节目中，会使用更高的帧率，视觉连贯性上会取得更好的效果，特别是在运动矢量较大的场景中，如游戏、体育运动直播等。

(3)色域

如图6所示，高清节目和4K节目分别采用BT.709和BT.2020色域标准，显示色彩空间有较大提升，更接近人眼所能看到的范围。

(4)高动态范围图像（HDR）

HDR可以显示画面的更多细节，特别是当画面中有较为明显的明暗对比时，可以显示高亮或者暗部的细节。目前国际上较为通用的标准有HLG、HDR10、Dolby Vision等。

(5)视音频编码

图6 HDTV、UHDTV、人眼色域对比

4K视频常用的编码方式有H.265和AVS2，音频标准较多，有MPEG-1 Audio layer 2、AAC、AC3、E-AC3、Dolby Atmos等。

3.1.2 导播系统

导播系统是在编码过程中，将文字、图像、动画、倒计时、时钟等元素叠加到原始视频上，使视频同时呈现多种信息的应用工具，除叠加台标字幕还能实现以下功能：

（1）组合

组合可以将任意信源组合在一起，成为一个整体。一般用来组合文本和图像来源，并在组合上设置滤镜的滚动效果，使文本和图像一起滚动。

（2）计划

可以设置信源的生效时间，分为定时、一次、每日、每周、每月等设置项。除了定时，每项又可以设置多个时间段。

（3）场景过渡

场景过渡效果是指场景切换时的效果，有剪切、淡出、滑动、幻灯、亮度擦除等效果。

3.1.3 码流切换器

系统中使用的码流切换器，具备三个输入、一个输出、一个管理共五个网口，单台设备最多支持64个频道的切换。设备的管理可以使用软件，也可配置操控面板，软件管理界面如图7所示，能够很直观地显示各信号状态和当前播出使用的信号，点击相应按钮即可进行信源切换。主备切换器设置为热备模式，两台切换器同时工作，但只有一台输出组播流，其中一台故障时可手动倒换至另外一台。码流切换器具备了多通道码流切换和主备链路镜像倒换功能，实现了播出应急多方案一键切换，大大提高了值班人员的工作效率和安全播出质量。

在设备调研和系统建设中，我们发现板卡式码流切换器基本具备断电旁通功能，切换器断电时，信号中断约30秒输出主路信号。由于设备断电，此时控制软件不能对该设备进行任何操作，若需要倒换至备切换器，需要在备切换器的控制软件上操作，同时为了防止主备切换器同时输出造成组播地址冲突，要切断主切换器的输出，因此断电旁通功应根据系统运行情况及应急操作时间决定是否启用。

3.2 节目编排

3.2.1 基本配置

可以新建用户及权限，对用户进行分部门、分类管理。不同用户在系统中的权限是不一样的，所能执行的功能操作也是不一样的，只有系统管理员才有权限进行权限分配，并可随时改变用户的权限。可以根据要求新增或删除频道，并配置频道的相关参数，当节目格式与频道设定的参数不符合时，会以红色标示提醒用户。

图7 码流切换器管理界面

3.2.2 应急上载

当内容提供平台无法通过网络传输节目到轮播二级缓存时，可以将需要播出的节目用移动硬盘、U盘等存储介质拷贝到本地进行上载。节目开始上传到播出存储时，在上载界面可以看到上传影片的进度，上载完成后能根据定义的多种规则，查询素材库中的素材。

3.2.3 节目编排

轮播频道节目为循环复播，只需设置节目单的起始时间和结束时间，选中播出的节目素材，生成节目单即可。若节目单存在间隙或者重叠，会报警提示。

3.2.4 播出单发送

在播出单发送栏点击发送按钮，就会把编辑好的节目单发送出去，若频道编排的节目单有空隙，在发送监测的时候会报警提示。播出单向数据库和播出服务器同时发送，可以防止播控工作站故障时无法控制素材切换。

3.3 播出控制

3.3.1 节目播出方式

支持定时播出、顺序播出、手动播出、循环播出等多种切换方式，能够合理区分在播、待播、已播节目。

3.3.2 播出控制

软件能够提供准确的播出串联单逻辑时间检查功能，能对普通节目、插播节目播出时间进行逻辑时间检查。

3.3.3 应急和垫片配置

提供手动切播、垫片播出等多种应急手段，当节目播不了、节目单有空隙、严重黑场等情况时，会自动切换到垫片播放，当节目或节目单恢复正常，垫片播完后，自动恢复到原始节目进行播放。

3.4 系统接口

系统沿用之前高标清轮播的接口模式，内容提供平台主动推送节目到轮播二级缓存，FTP迁移完成后发送出库通知服务，轮播系统接受出库消息并解析节目元数据信息写入播出数据库，然后返回注册结果，内容提供平台更新节目出库状态，流程示意如图8所示。

（1）节目素材入库

内容提供平台主动发起送播服务，传输相关素材至指定存储位置。FTP迁移完成后会进行MD5校验，校验出错则会返回迁移失败，校验无误则进入下一环节。

（2）元数据入库

素材迁移完成后，内容提供平台向接口软件发送SOAP消息，消息中包含素材的元数据信息，接口收到消息后进行解析并向轮播数据库写入素材信息。

图8 接口流程示意图

（3）反馈执行结果

文件迁移，元数据导入完成后，接口服务须向内容提供平台反馈执行结果，平台根据反馈结果更新流程执行状态。

3.5 数据库系统

图9 数据库热备示意图

根据总局安全播出62号令要求，数据库服务器应采用双机热备的方式，并能自动切换。4K超高清轮播系统采用了NEC ExpressCluster X集群软件，在数据存储方面，软件支持共享存储架构和磁盘镜像架构，前者需要配置磁盘阵列，适用于数据规模很大的系统；后者利用服务器本地磁盘作为镜像盘，数据实时同步，适用于数据规模中、小型的系统。根据需要，我们选用了磁盘镜像架构，能够以较少的投入保护数据，提高安全性。

3.6 应急预案

针对播出过程中可能出现的问题，系统提供了较为完备的应急手段，包含切换和倒换操作，应急顺序按照先切换后倒换来操作。

（1）切换

在播控软件和切换器端都可以进行切换操作，播控软件中可以对每个频道配置不同的垫片，在播节目素材有问题时可切播垫片，也可切播节目单中指定节目。切换器同时提供三路信号，当前在播信号故障可切换至另外一路，切换顺序按照主、备、辅进行。

根据试运行期间值班人员测试效果，使用切换器控制软件切换应急更为便利，主备辅信号之间切换时间在1秒左右。

（2）倒换

倒换是应对设备级故障时的应急操作。系统配置了两台码流切换器，当其中一台故障时，可通过切换器控制软件进行主备切换器倒换。在项目建设期间，我们反复模拟了倒换应急操作，期间信号卡顿，3秒左右恢复正常，针对设备级故障能在较短时间内信号恢复正常，表现符合系统设计预期。

4.应用情况

江苏IPTV 4K轮播系统已于2018年12月下旬正式上线，目前有两路4K频道，荔枝影院和荔枝超清24小时不间断播出，江苏电信IPTV 4K用户可搜索频道号959、960进行收看。2019江苏卫视跨年演唱会IPTV 端使用该系统进行了4个多小时的4K直播，系统运行稳定可靠。

5.结束语

系统播出的4K节目主要来自外采购和直播收录，IPTV用户配置4K机顶盒和4K电视机即可免费收看。如何丰富节目内容是提升用户数和行业推广的一个重点，开发合理的收费模式也需要在产业经营中进一步摸索，系统投入产生规模效益才能有利于产业的可持续、长远发展。