Dante音频网络在大型影剧院中的集成研究

王冠男 常 乐

(1.北京电影学院影视实验中心,北京100088)(2.北京电影学院影视技术系,北京 100088)

1 引言

随着网络技术的发展,越来越多的网络技术出现在音视频专业领域,近些年也出现了越来越多的AoIP (Audio Over Internet Protocol,音频网络协议),例如Livewire、AVB、Ravenna、Dante,音频网络协议也越来越多地在实际案例中得到应用。与传统数字音频系统不同的是,AoIP通过网络进行传输,线缆铺设成本低,网络线缆可复用,架设灵活方便。Dante音频网络作为目前音频网络化领域中应用量最大的技术,得到了众多厂家的支持,越来越多的调音台与接口箱、外置音频接口和软件应用开始支持Dante。目前Dante音频网络技术已广泛应用于会议、大型现场演出、影视后期制作、广播电视台等多个专业领域,但完全采用Dante作为核心架构的影剧院还不多见。

2 Dante音频网络

Dante是Audinate公司推出的音频网络协议,是众多AoIP传输协议中的一种,也是目前音频领域应用量最大的IP传输技术。继传统模拟音频走向现代数字音频之后,用工业网线代替现有传统数字音频线缆,正在逐步成为我国音频线缆工业不可逆转的发展趋势。与传统的音频传输技术不同的是,Dante是在三层网络基础上进行传输,完全依托于三层网络架构,音频点对点路由可通过Dante Controller进行。Dante音频网络可同时传输时钟信号,具有较高的精度,较为复杂的操作在专业音频信号的传输上都可以实施。在千兆Dante音频网络中,每个单一链接可以双向传输各512 路24Bit量化精度、48k Hz采样率的音频信号,或是各256路24Bit量化精度、96k Hz采样率的音频信号。

传统剧院中的音频架构多基于多通道数字音频接口 (Multichannel Audio Digital Interface,MADI)技术,各点位接口箱与调音台之间通过同轴线缆连接,单根同轴线缆能传输64路数字音频,往往需要多根线缆才能满足达到一定数量通道的传输,必须专线专用,通过调音台进行信号路由分配,信号分布点位多为固定模式且与外部设备连接时必须配备MADI专业接口。在大型影剧院利用Dante音频网络技术通过普通的千兆网线即可实现各点位的数字音频传输,信号路由方便,延迟小,网络可复用,可通过Dante配套的Dante虚拟声卡软件实现普通电脑与Dante系统的互通,扩展性强,线路铺设成本低。简单来说,Dante用计算机网络替代了之前繁杂的系统连接,可以轻松地通过以太网线缆以完美的保真度发送数百路音频通道。

3 Dante音频网络在大型影剧院中的构架及应用

3.1 软硬件条件

北京电影学院怀柔新校区影剧院采用了Dante音频网络作为核心架构,其中怀柔新校区E 区为影剧院区,分为E1和E2两个区域。E1区域为8 厅影院,1层和3层为观众观影厅,2层和4层为放映走廊机房。E2区域为剧院区,包括1个1200人大剧院(以下简称大剧院)和1个400人黑匣子剧场(以下简称黑匣子),E1和E2两个区域共用同一栋楼体,影剧院音频系统可互通直联。大剧院按照镜框式舞台剧场建设,具备主舞台、侧舞台、后舞台、乐池等演出空间;后台功能用房配备多个化妆间与服装间;舞台各专业用房与空间包括控制室、功放室、信号交换机房、调光硅室、马道、栅顶等,并配备独立直播间(Outside Broadcast,OB)。共涉及地下三层至地上四层,完全按照大型标准剧院设计,具备楼座与池座,最多可同时容纳1200名师生。

3.2 总体架构

大剧院音响系统由调音台、接口箱、无线话筒、有线乐器话筒、扬声器、功率放大器、同期分轨录音设备、现场周边处理设备、其他配件9大部分组成。舞台音响扩声系统采用Dante音频网络技术作为大剧院和黑匣子音响扩声系统的核心传输架构,在信号交换机房、功放室、OB 直播间和控制室安装主备交换机,构成主备Dante系统,供这些房间内的音频设备接入Dante网络 (图1)。设备选型方面选用具备Dante网络音频接口的设备,调音台采用英国Solid State Logic Live系列,在不同点位与功能配套用房通过Dante网络进行音频信号的路由与传输。

图1 音频系统拓扑示意图

由于剧场规模庞大,各机房间隔较远,线管路由复杂,因此各机房间采用了光纤网络通讯,而机房内的设备采用传统网口与交换机进行通讯,保证了远距离传输过程中的网络可靠性。Dante音频网络规划期间,部分主交换机的选型上配备万兆交换机,在交换机上划分出单独的虚拟局域网 (Virtual Local Area Network,VLAN)将万兆校园网就近接入Dante音频网络,实现Dante 音频网络的复用(图2)。

图2 Dante音频网络复用拓扑图

3.3 应用与配置

除部分前端与末端设备外,绝大部分设备均采用Dante音频网络进行信号传输,因此需按照房间与区域对所有设备的IP地址进行划分。Dante主系统采用200.10.1-7/21段,Dante 备系统采用200.20.1-7/21段,其中信号交换机房的主备交换机为核心交换机,主备交换机配置对应的虚拟局域网端口 (Virtual Local Area Network Interface,VLAN IF),主备交换机分别采用200.10.7.254/21和200.20.7.254/21作为整套Dante音频网络系统的网关。核心交换机与各机房交换机通过配置Trunk协议,传输指定的多个VLAN。

子网方面,在各个房间的IP地址规划中采用了21段的子网配置,即255.255.248.0,该配置使子网内的IP地址第三位共包含8组,不同组之间处于同一个局域网内,不涉及组播路由,每个区域的设备采用独立的IP地址段,便于管理和记忆(表1)。

表1 IP地址分区表

为满足Dante音频网络复用的需求,将剧院区和影院区各机房内的工作站设备联通,将万兆校园网就近接入Dante主交换机,并协调网络中心单独划分4个VLAN 用于影剧院和办公室控制设备的联通,便于未来远程管理。对每台交换机选择一个VLAN 配置VLAN IF端口IP地址作为远程管理地址,配置安全外壳协议(Secure shell,SSH)服务,可对交换机进行远程管理(表2)。

表2 Dante音频网络复用汇总

剧院区、影院区、办公区通过区域汇聚交换机实现连通,剧院区选择在OB 直播间以万兆单模的形式接入剧院Dante主网络,再通过Dante主网络将6个独立的VLAN 传输至大剧院控制室、功放室、信号交换机房和黑匣子控制室。影院区选择在放映走廊核心机柜以万兆单模的形式接入影院网络,通过影院网络将8个独立的VLAN 传输至8个影院机房。办公区通过就近的弱电间接入万兆网络汇聚,传输6个独立的VLAN,为所有终端设备的远程控制、跨场地直播、多场地录音等创造条件 (图3)。

图3 影剧院与办公区交换机连接示意图

在Dante音频网络的应用中,遇到跨场地直播或录音时,需注意音频系统的时钟同步问题。当各个终端的Dante设备对信号进行模数转换时,时钟的不同步可能会直接带来系统的噼啪噪声。考虑到影剧院的常规使用习惯,可将一台接口箱在正常使用周期内(通常为一个演出周期)处于长期供电开启状态,并作为整个Dante音频网络系统的主时钟,其余Dante设备一律跟随该设备(图4)。

图4 Dante Controller中的时钟选择

在多场地共用OB直播间的情况下,应通过OB直播间的交换机将多个场地的Dante网络进行隔离(图5)。通常情况下,各场地采用各自的时钟,场地内的调音台只能识别到该场地Dante系统中的设备,以避免多个场地设备互串引起误操作。当需要多个场地共用信号源或多场地同步直播时,再将OB直播间内对应的交换机端口打开,把多个场地的Dante音频网络连通,整个Dante音频网络共用同一个时钟源。

图5 多个场地连接端口的隔离

除Dante音频网络自身的时钟外,还要考虑音频系统与其他专业系统之间的时钟同步问题。可在控制室内增加一台广电级主时钟,时钟源采用Dante音频网络系统时钟,同步输出720/50P 的Tri-Level三电平时钟和625/50i的Black Burst黑场时钟给视频系统,保证音视频系统的时钟基准同步(图6)。

图6 音视频系统的时钟同步

通过Dante音频网络进行多轨录音是影剧院中最为常见的应用场景。当需要进行多轨录音时,通过Dante Controller对调音台上的轨道和工作站内的轨道进行配对 (图7),再通过Dante虚拟声卡软件或外置的Dante声卡即可录制多轨高质量数字音频。

图7 DanteController对录音轨道的配对

在预留了独立OB 直播间的场地内,应配备专业音频接口和音频工作站,并根据直播的需求配备杜比全景声渲染器 (Dolby Atmos Master Suite,DAMS)以支持128轨Dante音频录制和5.1.4全景声编码与还放(图8)。OB制作时,OB调音台可在OB直播间接入整个Dante音频网络,与对应的Dante音频接口箱直接进行信号路由,实现独立的录音与混音。

图8 OB直播间内的5.1.4还音系统与DAMS渲染器

音频系统的安全性是实时演出中最为重要的一部分,首先应考虑的是Dante音频网络传输的备份。Dante音频网络中的所有硬件设备均具备Dante Pri和Dante Sec接口,每台设备的Dante主备接口接入对应的主备交换机独立传输。当系统中的任意设备主接口断开或主网络瘫痪时,备系统会自动接入,实现冗余热备份,保证整套Dante音频网络在信号传输过程中的可靠性与稳定性。

其次要考虑调音台端备份。调音台作为整套音频系统的核心设备,采用主备调音台非常必要 (图9)。多张调音台的配置即可作为主备使用,也可作为扩展使用。当作为主备调音台使用时,两张调音台要使用同一个Show 文件,每个通道的信号源相同,均从Dante音频网络中取信号。在输出端的配置上,主备调音台输出至功放端的Dante路由不同,主调音台使用功放的Dante 1-4通道,备调音台使用功放的Dante 5-8通道。当主调音台出现故障时,可通过功放管理软件自动无缝切换至功放Dante 5-8通道,实现主备调音台的切换。

图9 主备调音台

最后,要考虑的是功放端的备份。具备Dante接口的功放通常还具备4个通道的模拟输入接口。可在功放室配备单独的接口箱,功放可通过模拟输入接口从接口箱直接取信号,在功放端Dante主备接口都出现故障时多一层保障。

3.4 小结

Dante是当前AoIP技术里较为成熟与稳定的传输协议之一,通过网络传输音频最大的优势在于路由灵活方便,布线简单可复用,成本低。通过以上配置,得出以下几点结论:

(1)Dante音频网络是基于三层网络传输。要解决各房间之间的网络传输基础问题,需要将架构搭建稳固。尤其是在网络复用的情况下,一定要提前做好VLAN 的划分和IP 地址及网关的规划。多层叠加的交换机会增加Dante系统的延时,需要更好地掌握系统延时,把控交换机的设置。

(2)在大型影剧院中应用Dante音频网络技术一定要采用主备交换机,要杜绝主网络与备网络互通,要注意交换机上下级连接端口的传送内容,避免非必要VLAN 的传输。

(3)在多个场地共用Dante音频网络的情况下,要注意各场地之间的网络隔离,防止某个场地对其他场地的网络造成影响。

(4)音视频系统中的时钟要固定,Dante音频网络的时钟和传统的字时钟、三电平、黑场同步要统一源头。实际使用时需要根据场地的运行情况和使用规律进行配置,应在每个机房内设置一台常供电设备,保证Dante音频网络的正常运行。当多场地组成互连系统时,要统一时钟,避免多个时钟的出现。

4 结语

随着网络技术的提升与不断发展,通过网络传输音频的可靠性与稳定性也大幅提升,越来越多的网络音频技术开始应用于专业视听场所。Dante音频技术通过一条网线就可以实现数字音频信号和众多控制信号的高质量低延时传输,极大程度减少了额外的布线,一方面节约了建设成本和劳动成本,另一方面也降低了维护难度。

但同时由于Dante音频网络系统基于三层网络架构,需要音频系统工程师具备一定的网络基础知识和交换机配置能力,便于充分发挥网络架构优势,更好地实现系统需求。相信在技术不断发展的未来,Dante音频网络会在更多的专业视听场所内大放异彩。