高标清同步播出系统建设的关键问题与解决方案

刘 鸣

（太原广播电视台，山西 太原 030021）

0 引言

国家广播电视总局《关于加快推进高清电视发展的通知》要求各级广播影视部门采取有力措施，加大工作力度，做好高清电视发展各项工作。通知明确高清电视要按照“鼓励发展，统筹兼顾”的原则和规模化、集约化的要求，坚持从播出到传输、接收环节一体化发展，提高广播电视整体服务水平，发展高清电视。地市广播电视台现阶段一般采取现有频道高标清同播过渡方式，来积极稳妥推进。

一般来说，建设高标清同播播出系统虽然都有满足全链路高清节目制作和媒体资源管理的环境，但高标同播系统仍需满足部分标清节目的播出需求，所以高标清同播系统需要实现高清和标清两种格式节目的上载和导入，以及输出高清和标清两种传输给有线网路的信号。

在高标清同播播出系统的实际建设中，需要注意几个问题及对应的解决方案，这样能够在建设高标清同播播出系统时，思路清晰、少走弯路，避免一些建设的无谓投入，最关键的是保证安全播出和电视用户有较好观看体验。

1 播出系统架构的选择

具有使用率越来越高、扩展性高、资源部署快速等优点的IP播出新技术现阶段已经成熟，优势非常大，但传统数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架构相当稳定，一些地市台播出人员对IP播出新技术、应用安全等方面掌握较差，仍习惯于SDI监看方式。因此，选择使用SDI架构还是IP架构，是播出系统建设面临的第一个问题。

为了兼顾两个架构的优点，经过调查研究分析，提出一个思路，即IP+SDI的异构方式，结构如图1所示。两种架构一起建设，互为备份，提高了安全性，也为播出人员了解新技术提供了环境。

图1 SDI+IP异构框架

具体可以设计成两路SDI和两路IP信号通过主备4选1倒换器进行共4路信号的切换。其中，SDI主备服务器信号检测自动切换，手动应急优先；主备路4×1倒换器需具有断电旁通和行同步的功能，这样实现了系统无单一溃点。

SDI与IP使用不同的总控调度方式。SDI链路使用总控矩阵作为传统SDI信号的总控信号调度，需支持高标清信号的调度；IP链路需万兆级交换机，通过IP网关卡可对高标清SDI over IP信号进行调度，重要信号输入IP网关卡，网关卡输出给各分控，通过控制软件进行信号的调度控制，并有硬件面板快捷切换。两套总控调度系统互为主备，输出接入到分控视音频系统中，确保信号调 度的安全[1]。

2 系统格式及参数

高标清同播系统在整个流程中需要有统一的格式，所以在考虑高标清规范和设备性能等因素后，需要制定统一的信号、元数据及媒体文件的格式，推荐格式和相关参数如表1～表3所示。

表1 信号格式

表2 元数据格式

表3 媒体文件格式

3 节目送播方式

建设高标清同播播出系统，高清的制作系统和媒资系统是必需的。高清制作系统、媒资系统与播出系统通过网络达到送播是一种方式；现阶段各地市台基本淘汰了或者在逐步淘汰录像带上载方式，因此还有必要根据实际录像带使用量来确定部署若干录像带上载工作站；另外，还有送播节目文件通过硬盘等移动存储设备人工送至播出机房的方式，也需考虑。因此，送播方式至少需要考虑这三种：制作网、媒资网视频文件通过网络传到播出系统、视频文件外部介质通过隔离盒进行导入以及传统录像带上载[2]。

制作网、媒资网送播文件经过防火墙路由将文件摆渡到播出系统的送播系统，导入工作人员确定后人工进行导入，之后的流程与视频文件通过隔离盒进行文件导入相同。整个导入流程需要进行技审、转码及审核等步骤，然后自动迁移到目标存储，送播系统工作流程如图2所示。

图2 送播系统工作流程

传统录像带上载方式需要通过硬件采集卡生成视频文件，之后与文件导入流程一样，最终迁移至目标存储。

4 保证网络系统运行稳定的策略

现阶段全国播出系统网络化工作都已基本完成，作为整个播出系统的重要基础环节，网络使用的可靠性与稳定性关乎整个播出系统能否正常工作，关乎整个播出系统是否会频繁出现故障，对安全播出产生直接影响。如何保证网络运行可靠稳定，是播出系统建设的一项重要课题。

为此，提出以下应对方法供参考：为减少单点失效，交换机采用负荷或流量分担方式，对服务器、存储，防火墙分别采用合适的的策略；服务器硬件、操作系统及应用软件的安全运行保障、故障自动检测/报警/排除等使用专用网络。

本文以使用7台交换机的播出系统为例，此系统采用主备交换机+主备网段的设计。网络系统总共设计4个网段，分别为189、188、187和186网段，其中189网段交换机2台做堆叠，用于素材传输；2台188网段交换机做堆叠用于数据传输，2台187网段用做主备控制交换机，186网段是设备监控及管理交换机网段。189和188网段是核心网络，这两个网段同时工作时分别传输素材和传输数据，但同时也能互相做主备（一个网段断开，另外一个会自动接管其工作）。所有交换机没有进行任何其他特殊设置且单独隔离，实现网络分流且保证播出安全。

5 网络安全三级等保的实现

网络信息安全等级保护是国家信息安全保障的基本制度。2018年6月27日，公安部发布《网络安全等级保护条例（征求意见稿）》（简称“等保”），提出播出网络安全是播出系统的基础，至关重要；要求网络有充分的安全措施，以保障网络服务的可用性和网络信息的完整性；要把网络安全层、信息服务器安全层、数据库安全层、信息传输安全层作为一个系统工程来考虑。网络安全应包含数据安全、病毒预防、网络安全层以及操作系统安全。

本文以图3的网络安全为三级等保的实例进行分析。制作网和媒资网的网络通过线路分别设置两台防火墙，对传输的素材进行扫描、杀毒，并通过黑白名单进行过滤，防止一些不符合播出标准的素材传入播出内部网络。通过防火墙后，利用网闸进行网络安全过滤，确保素材安全后才可以传入播出内部系统。同时，在播出内部系统的交换机上连接三级等保安全设备，如数据库审计保证数据库的安全，日志审计，保存播出内部系统的日志文件；运维堡垒机用于整个播出系统的用户管理等。通过统一认证对接，解决用户的身份识别、验证授权、服务授权等安全问题。用户登录遵循用户名唯一、密码唯一的原则。用户登录时的全部认证工作都在业务支撑平台进行。系统能够按照部门、账户等统计存储策略分配情况、存储空间使用情况，便于进行统一规划。系统设计具备完善的网络安全设备和控制机制，严格管理各级各类登录密码，控制远程拨号功能，防止外部非法和恶意访问造成损失。

6 高标清节目上下变换方案

目前我国电视节目播出正处在从标清向高清播出过渡阶段，包括中央电视台、北京、上海东方台等地方卫视都推出了高标清同播的电视节目，但在近期要使高清频道的节目完全采用高清素材播出是不现实的，尤其是包含新闻类节目的频道，很难保证全部使用高清素材，因此，高标清上、下变换技术的应用将长时期存在。高标清之间的上、下变换比较复杂，因为它不仅是信号格式的变换，还涉及到图像宽高比的变换。高标清变换在高标清同播播出系统的如下两个环节中使用[3-4]。

（1）文件导入或服务器播出时，标清文件需要转换成高清格式，这是上变换，有两种方式可以实现。

方式一：标清素材可通过上载导入实现，在上载或导入软件中选择高码率采集30～50 Mb·s-1， 播出服务器选拉伸16∶9播出，即可实现高清16∶9格式1080/50i高清播出。

方式二：标清素材正常采集，服务器采用强制上变换播出，即可实现高清16∶9格式1080/50i高清播出，这种方式需要播出服务器具有强制高清播出功能。

（2）播出系统信号输出给有线网络前，高清信号将进行下变换，高清与下变换后的标清信号一同送给有线网络实现高标同播。具体可在分控末级使用下变换器，对高清主备PGM信号进行下变换，现阶段我国家用电视多数为16∶9的长宽比，原4∶3长宽比电视已逐渐淘汰，因此建议幅形比为16∶9的高清信号进行挤压下变换到4∶3输出，这样我国现多数采用16∶9电视机的观众在收视时电视机自动拉伸，还原到16∶9的原比例，多数人可以获得较好的收视体验。

7 实现播出控制的方式

在实际播出中，播控工作站需要对分控、周边设备进行控制动作。由于IP技术迅速发展，利用IP网络的高稳定性和高时效性对被控端的各分控、周边设备进行安全高效的控制，也是现阶段一种主流的控制方式[5]。

本文分析一种IP播出控制系统，主要设备为IP转RS-232/RS-422网络集中控制器，以播控工作站为发控端，通过这个网络集中控制器的Real COM/TTY端口，将发控端及被控端的信号全都接转成网络IP信号，通过IP达到控制。这种方式有以下两个优点。

（1）基于IP方式的协议使端口共享得以实现，发控端与被控端只要是能接收的、端口是绝对放开的、通信协议是畅通的，它们就不受空间、位置等影响，可以与对方进行通信与控制，端口与端口之间的转换非常便捷。网络中的任何一台播控机都可以通过IP转RS-232/RS-422网络集中控制器上的任意一个串口控制相应设备。

（2）实现了对RS-422设备的精确控制，在系统中，所有播出控制工作站可以方便地通过网络完成对视频服务器、录像机、切换器、键混及台标等设备的精确控制。正常播出情况下，播控机通过网络控制视频服务器实现精确到帧的节目播出，同时播控机通过RS-422服务器随时可以控制切换台、切换器以及应急录像机，在需要时准确地控制切换器切换到需要播出的通道实现自动播出切换。

总体来说，IP转RS-232/RS-422网络集中控制方式比传统RS-422控制更具便捷性和精准性。利用这些特点，可以方便地设计出播出控制的架构，来满足播出控制的安全性。IP转RS-232/RS-422网络集中控制架构如图4所示，这种架构有两个可以提高安全性的特点。

图4 IP转RS-232/RS-422网络集中控制架构

（1）主备控制链路，播控工作站通过主备控制网络及串口服务器组成的控制链路与视频服务器、切换矩阵、键控等周边硬件连接，这样主备播出控制不存在单一崩溃点。

（2）循环播出控制，播控工作站全都通过交换机连接至控制器，能够实现系统内任意一台播控工作站均可以对所有的频道进行播出单调整、发送，并控制切换器、应急VTR等周边设备，完成信号切换，保障安全播出，因此每一台播控工作站均可以作为其他播控的备份，即“循环备份”。

8 播出系统软件设计的需求

播出软件是播出功能实现的核心，它是维系播出正常运转的最为重要的环节之一。高标清同播播出系统使用的播出软件需要具有稳定可靠的特点，来确保播出系统的安全播出。选择播出软件时，一定要考虑软件设计的几个方面：

（1）需要有较强的网络和软件系统管理能力；

（2）需要具备完善的权限管理、日志管理、素材管理功能，系统不仅通过身份验证实现对使用者的访问控制，还要能通过权限设置、用户授权等控制用户对信息的访问，使用户只能使用和看到其权限、业务范围内的功能和信息；

（3）播出软件需要具有良好的人机互动界面，所有软件采用中文界面，方便值班人员操作；

（4）备播出网络系统控制软件设计需能够提供开放的软件接口协议，提供与主播控系统联通的 接口。

以一套建立在以网络数据库为中心的分布式应用系统上的自动播出软件系统为例进行分析。此播出软件采用模块化软件结构、开放型软件平台，各功能模块既相对独立又协调一致，紧密配合，具有先进的管理机制，安全的操作流程。主要模块有节目串联单编辑模块、节目上载模块、节目审看软件、播出编辑、控制模块、播前审看/应急上载软件模块、存储管理软件、网络校时软件、广告串编模块、自动技审模块、系统功能管理模块以及播出统计模块等，结构如图5所示。各个模块可以通过配置文件或菜单的方式进行系统灵活配置，能够对服务器和其他主要播出设备运行状态进行实时检测、显示及故障报警，具有远程故障诊断功能。这些基本播出功能，可以在选择播出软件时作为参考。

图5 播出系统软件的模块化结构

9 结语

建设高标清同播播出系统需要多总结、多研究、多分享，需要充分认识发展高清电视的重要意义，高度重视电视数字化，按照国家广播电视总局“十三五”广播电视技术发展规划部署，根据国家广播电视总局关于加快推进高标清电视同播总体要求，在高标清同播播出系统建设中一定要严格遵循高标清同播相关技术规范，按照安全、稳定、先进、实用的原则，建设具有前瞻性、可扩展性、高兼容性的高标清同播系统。本文从业务工作的实际需求出发，总结了播出系统架构选择、系统格式及参数、节目送播方式、保证网络系统运行稳定的策略、网络安全等保的实现、高标清上下变换方案以及实现播出控制的方法和播出系统软件设计需求等7个关键问题，并在全台网建设理念的指导下，选择了一些成熟的技术，提出了解决方案，供相关技术人员探讨，为高标清同播项目建设的顺利实施提供有 效保障。