混合IP 架构超高清电竞制作系统设计

段永良 吴泽扬

（南京传媒学院传媒技术学院，江苏 南京 211172）

电视节目制播系统IP 化是大势所趋，是通过将转播系统里的视音频信号经过编码、纠错、封装，转换成IP 信号进入以太网交换机为核心的网络系统中。

目前国内外广电系统技术架构正在迅速从SDI 基带信号模式向IP 信号模式转变。国内已经建成或者在建的超高清4K/IP 系统情况大致如下：在 4K/IP 建设方面，亚洲在世界范围内处于领先地位，尤其是中日韩三国发展迅速。早在 2016 年就开始有腾讯、央视、浙江卫视等开始尝试NMI、TICO 的浅压缩IP 系统，随着技术的发展和标准的更新，自2019 年开始成规模地建设面向无压缩符合 SMPTE2110 标准IP 系统，已建成并运行的有广东台24 讯4K/IP 转播车，湖南台超高清4K/IP 转播车，黑龙江电视台、云南电视台、CMG 转播车以及上海文广 SMG32 讯道S1 转播车等。IP 标准从早期的百家争鸣的状态逐步发展为如今公认的 SMPTE ST2110 标准，包括 SMPTE ST2110-10、SMPTE ST2110-20、SMPTE ST2110-30、 SMPTE ST2110-40 在内的四个标准，分别对 IP 包中数据流的传输进行了标准定义。

以混合IP 架构超高清电竞制作系统为例，介绍SDI 系统、IP 系统、系统设备方案、电视制作系统的IP 化。系统设备方案包括视频系统、音频系统、同步系统、TALLY 系统、通话系统的详细设备选型及其技术要点和优势。

混合IP 架构是指在实现系统 IP 化的同时保留 SDI部分。

1.SDI 系统

电视节目制作系统主要指视频系统和音频系统。视频系统是由多路摄像机信号和其他图像信号输入系统，系统能够对本地多路输入信号进行实时切换、在线包装，对制作完成的信号进行发射或推流。音频系统往往需要对多路输入音频进行混音制作，根据不同节目的需求及时调整音频输出，最终与视频信号加嵌成完整的视音频节目信号。制作完成并发射的视音频节目信号一般先传输到电视台播控中心，再由播控中心进行技术审核、内容审核等环节后进行统一调度，通过发射台向全国各地甚至全世界进行发送。网络直播是通过网络推流的手段，将制作完成的视音频节目信号传送至网络进行分发，观众通过网络观看直播节目。

超高清晰度分为4K/8K，对应分辨率为3840×2160/7680×4320。

电竞节目制作播出系统主要类型有EFP、ESP 两种，常见的飞行箱系统、转播车系统属于EFP 形式，属于“台外”作业的节目生产方式，机动性强，通常对活动或比赛等举办场地进行临时搭建并投入使用，适用于体育类、文艺类等场地变化多样的节目制作。本系统采用 ESP 形式，即电子演播室制作，相比 EFP系统，ESP 系统在设计建造之初便充分考虑了后期投入使用的录制、播出要求，系统集成度高，同时也具备很强的灵活性。

自20 世纪80 年代末电视进入数字化时代以来，SDI（串行数字接口）在制作系统中就无处不在，伴随着电视从标清到高清再到超高清，经历了几次重大的升级后，现有最高规格的12G-SDI 比特率可以达到12Gbps。SDI 也因低延时、易安装、易维护及其点对点传输带来了安全性。

2.IP 系统

本系统是基于索尼IP Live 系列产品进行开发和研究。视频系统的图像采集部分由两大部分组成，首先第一部分是由6 台索尼HDC-3500 4K 超高清摄像机组成的讯道摄影机系统，第二部分是由12 台PTZ 相机组成的选手摄影机系统，这两部分组成了本系统的视频信号采集部分。除此之外，在设计之初还预留了多个4KIP 讯道及SDI 讯道，方便后期进行拓展升级。

切换系统由索尼的XVS-70004K/IP 多格式切换台和VMC1 IP 切换台组成。索尼的XVS-7000 多格式切换台支持SDI、IP 同步制作能力，信源由SDI 输入和IP 输入两部分组成，SDI 信源由视频矩阵、摄像机控制单元组成，同时切换台接入IP 交换机与IP 网络进行数据交换。VMC1 IP 切换台支持SDI、IP 信号同步输入，负责选手画面的制作，信源来自PTZ 相机和NDI 摄像机两部分，在视频系统中充当二级台的作用，负责制作选手画面并输出一路信号供节目使用。系统中SDI 域和IP 域之间的转换通过IPG 来完成，IPG 在系统中起到网关的作用，可以让SDI 外部输入的信号转换为IP 数据进入IP 网络中使用，也可以是IP 网中的数据转换为SDI 信号进入基带链路中使用，使IP 制作网和基带制作网得以互通。

系统中数据交换的核心设备是两台华为CE6865-48SCQ 核心交换机以及两台Arista SVC-7020TR 数据交换机。主备核心交换机负责系统内主要信号的并行传输，在SMPTE ST2022-7 无缝切换机制的保护下，经交换机传输的任何一路数据出现问题时都会自动切换为另一路，保障了链路安全。主备数据交换机负责视频播放器、视频服务器、推流服务器等数据的并行传输。

监看系统核心是以视频矩阵为信源的画分服务器，画分服务器由多张画分板卡组成，不同的画分板卡负责不同监视器信源的输入和不同画分格式的设置。监看设备由屏墙及技术区的技术监视器两部分组成，导播间屏幕墙由6 台索尼4K 电视机组成，OB 导演区域的屏幕墙由4 台索尼4K 电视机组成，技术监看区域配备了索尼BVW-HX310 专用监视器作为技术监看。其中VMC1 第二制作区的监看由VMC1 主机直接输出多画分信号接入监看系统。

IP 系统与SDI 系统在工作流程上最大的区别是IP系统中高度依赖SDN 管理设备对系统中的设备进行管理。该系统采用的是索尼的IP Live System Manager（LSM）管理软件来对系统中的设备进行统一的管理，通过该管理软件实现设备之间IP 信号的调度、控制系统设备与交换机组成的系统矩阵传输的IP 信号、自动检测IP 链路故障位置并自动修复等功能。在系统投入使用前会给IP 网络中的每个设备分配固定的IP 地址，这些IP 地址将会被统一记录下来整理成“通讯录”，方便后续的管理工作。基带部分则是以视频矩阵为核心，对系统内的SDI 信号通过跳线板的方式进行统一的管理和信号的调度。

整个系统的IP 部分使用双备份设计，主备交换机双网并行，实现了双网结构，保障了系统安全稳定运行。还加入了部分基带链路为整个系统提供了托底保护作用，在IP 系统出现故障时可以及时切换传输通道，为系统的安全播出增添了一道稳定的安全防线。

3.系统设备方案

3.1 视频系统设备方案

视频系统由摄像机、摄像机控制单元、PTZ 摄像机、主切换台、副切换台、切换面板、核心交换机、数据交换机、视频矩阵、视频服务器、视频播放器、IPG、上下变换设备等组成。

4K 摄像机系统：摄像机选用的是索尼的HDC-3500 4K 超高清摄像机，利用先进的 2/3 英寸 4K CMOS 成像器，以及能消除“果冻效应”和“闪光带”的全域快门技术，能拍摄出优异的图像效果。上述技术使得 HDC-3500 能够拍出具有 4K 高分辨率、低噪声、出色灵敏度和高动态范围的原始图像，同时实现ITU-R BT.2020 广播标准的宽彩色空间。同时还能拍摄高动态范围图像，并支持索尼的 SR 实时工作流程，可同时进行 HDR/SDR 制作。IP 摄像机扩展适配器能让HDC-3500 直接输出ST 2110 信号，无须配备单独的 CCU，进而简化与 IP 远程制作系统的连接流程。摄像机控制单元选用的是索尼HDCU-3500，具有多功能内置接口以及千兆以太网线路接口，负责摄像机信号的传输。搭配RCP-1500 操作面板实现对摄像机的控制。

PTZ 摄像机选用的是NetTek NDI PTZ2 Camera，是一款同时支持IP、SDI、HDMI 传输的PTZ 摄像机，支持记录超高清视频信号，仅通过一根网络电缆就可以进行连接、捕获和控制。本系统内将12 台PTZ 摄像机同时接入IP 网络和SDI 系统中，IP 网络部分由副切换台VMC1 直接从IP 网络中获取后进行切换制作，SDI 系统中则是PTZ 相机输出的SDI 信号直接进入视频矩阵，在视频矩阵的输出端由NC1 视频转换模块将SDI 域转换为NDI 域进入VMC1 中作为信号源。

切换台：系统内切换台分为主切换台和副切换台。主切换台选用的是索尼XVS-7000 多格式切换台，支持IP 和SDI 同步制作以及强大的4K 制作能力。支持最高6 级M/E，最大输入量为112 路BNC 接口，最大输出量有48 路BNC 接口，16 路带格式转换输出和8路多画分输出，以及配备了符合ST2110 协议的100G IP 接口，搭配索尼IPC-X7000 切换面板实现各种功能的操作。副切换台选用的是NetTek TriCaster VMC1 IP 制作系统，最高支持8M/E，支持4 路SDI 输入和4 路SDI 输出、44 路NDI 输入和35 路NDI 输出，可以很方便地取用同一网络中的NDI 设备输入和输出。在本系统中VMC1 主要直接从网络中采集了PTZ 摄像机以及字幕机、视频播放器等，以及从SDI 系统中的PTZ 相机信号通过NC1 I/O 信号处理模块转换为NDI信号后进入网络的PTZ 相机信号后，实现对选手画面的制作和输出。

该方案下主切换台和副切换台都分别与IP 和SDI域都进行了相应的连接，而且这种连接是实时同步的，制作也是实时同步的。当系统正常运行时系统将以IP网络为主线进行切换，当某一IP 链路出现故障时，基于SMPTE 2022-7 无缝切换机制将会先自动切换至备用的IP 链路，这是IP 系统的一种保护机制。但当IP 系统出现重大故障导致系统瘫痪时，纯IP 系统可能面临系统失效的情况，混合IP 架构则可以手动将输出总线切换到以视频矩阵为核心的基带系统上，保障节目制作正常运行。这种设计就是前文提到的基带托底保护机制，这种保护机制也是混合IP 架构的独有的优势，在系统出现故障时能够最大程度上保障整体系统的安全。

主切换台连接图和副切换台连接图如图1、图2所示。

图1 主切换台连接示意图

图2 副切换台连接示意图

录像机：录像机选用的是AJA 的Urtal Plus 4K 录像机，支持4K 录制、多通道录制、多种编码格式录制。最高可以录制Apple ProRes 4444 XQ 2K/60 fps 或Avid DNxHR HQX 4K/30 fps 视频文件，最高支持4K 4：2：2 10bit 输出，由此也可以用作4K 监看信源，同时可以通过以太网对其进行控制和配置。

录像机连接示意图如图3 所示。

图3 录像机连接示意图

制作转换单元：选用HDRC-4000 在系统中作为视频信号HDR 上下转换的设备，HDRC-4000 可以提供多种信号转换功能，以适应各种分发标准—空间转换、HDR/SDR 转换、色域转换和光电转换函数转换。该单元支持高清 1920 x 1080/1280 x 720 和 4K信号格式。

制作转换单元HDRC-4000 功能如图4 所示。

图4 制作转换单元HDRC-4000 功能示意图

SDI-IP 信号处理单元：本视频系统是基于混合IP架构的设计方案，必然存在许多环节需要在IP 域和SDI 域之间进行转换。例如：本系统中由切换台输出的PGM 节目信号经IPG 板卡进行转换接入IP 网络，字幕机Key 信号和Fill 信号、视频播放器的SDI 信号进入IP 网络，以及监看系统的技术监看区的技术监视器的SDI 信源则来自另外一块IPG 板卡从IP 网络中转换的IP 信号等，都需要IPG 板卡来完成。IPG 板卡均安装在NXL-FR316单元内，由其提供安装框架及电源。系统中使用的IPG 板卡型号为SONY NXLK-IP50Y，支持高清/4K HDR 下的SMPTE ST2110 视频流，带有8 个1.5/3G-SDI 端口和两个SFP28（25Gb）以太网端口。其运行原理如图5 所示。

图5 IPG 运行原理示意图

视频系统中还有其他跟制作相关的设备例如视频播放器、视频服务器等。

3.2 音频系统设备方案

音频系统由调音台、监听设备以及拾音麦克风组成。

调音台：调音台选用的是Lawo mc236。这款调音台能够提供最多160 个输入通道，同时具有32 个环绕声通道，支持5.1 环绕声制作。传输方面Lawo mc236支持各种原生IP 标准，配备了多个光模块接口，同时支持B.B、PTP 两种同步方式，能够很方便地接入SMPTE ST2110 系统。Lawo mc236 是一款具有数字音频矩阵的一体式调音台，在使用方面更加地灵活。

监听设备：监听设备选用的是GENELEC 8030C二分频监听音箱和GENELEC 7360 低频音响组成的5.1环绕声监听系统。GENELEC 8030C 二分频监听音箱设计小巧紧凑，但仍保留了高输出、低染色、宽频带的优异特性。小巧的设计使该款音箱很适合在音频间进行架设，同时能很好地还原真实的声音，为系统提供了准确的监听音源，帮助制作团队制作准确的声音。

3.3 同步系统设备方案

同步系统设备由主备同步信号发生器、同步信号倒换器、1GE、40GE 光接口模块、MOP 线缆、同步信号分配器组成。SPG8000A 主同步参考发生器由两个Tektronix SPG8000A 同步信号发生单元和一个 Tektronix ECO8000 自动转换单元组成，应用于系统中时钟同步，它提供多种视频参考信号，例如：黑场、高清三电平同步以及串行数字和复合模拟测试模式。对于 IP 安装，两个或多个 SPG8000A 单元的组合能够支持精确时间协议 （PTP）IEEE 1588，用于基于 IP 技术的广播设备和控制系统的时钟同步。同步信号分配器则主要将SPG8000A 提供的黑场信号分配给系统内的其余设备。

3.4 TALLY 系统设备方案

TALLY 系统的核心设备是TALLY 控制单元，选用的是TSL 的TALLY 控制单元，系统内所有的TALLY 信号都来自该控制单元。

3.5 通话系统设备方案

通话系统分内场和导播间两部分。其中选用的是RIEDEL 的TANGO Matrix intercom 有线通话系统，由通话基站和通话面板组成。内场则使用的是RIEDEL的BOLERO WIRELESS INTERCOM 无线通话系统，由无线通话腰包、多个通话天线以及带POE 供电的通话交换机组合而成。两部分通过通话矩阵连接而成，实现实时通话的串联，各个工位前的通话面板可以进行通道切换，选择需要进行通话的分站。

4.电视制作系统的IP 化

基于IP 架构的制作系统的优势主要有以下几点。

4.1 传输带宽大

以4K 超高清视频信号为例， 分辨率为3840×2160，色域方面Rec.2020 标准能呈现约2 倍的色彩数量，与高清的8bit 量化相比，4K 的10bit 量化使得图像的明暗层次扩大了三倍，与此同时码率也大幅提升。

4.2 拓展能力强

IP 化既是在TCP/IP 平台上，采用IP 数据包的形式让数据在链路上进行传输，系统内所有信号都进入IP 交换机，串行数据由此变成了并行数据，根据制作需求如果需要在系统内加入新的设备或是信号源，只需要增加端口数量就可以实现，方便临时组网。

4.3 系统构造简洁

相较于SDI 架构，IP 架构中的IP 设备如交换机等体积一般来说比较小，线缆的使用数量因其很大的单路传输带宽，线缆的使用量大幅减少，加上以太网线缆相比SDI 线缆更加纤细，使得系统整体的布线构造简单。

目前我国电视台内数字化和网络化升级已经进入全媒体、超高清时代。随着融合媒体、4K、8K 等超高清技术的发展，从数字广播电视传输到节目制作播出，传输需要的带宽和线缆问题愈发突出，电视台现有的以SDI 基带视频接口和专用SDI 数字视频矩阵为基础的技术架构已难以满足。基于目前的情况，越来越多的厂商推出了支持全IP架构的台内基础设施产品和解决方案。IP 化相比SDI 的优势在于：IP 网络覆盖范围大、传输技术成熟、布线简单、可重用设备、较传统设备而言节约投资，且IP 信号压缩编码方式非常成熟、上下游业务以及相关设备的IP 化进程也不断加快。这些都促使了制作系统IP 化必将成为电视媒体未来发展的趋势。

运用于电视系统的IP 协议：

4.3.1 SMPTE ST2110-10：系统时序和定义

该标准规定了系统时序模型和所有基本流的共同要求。其中最重要的内容就是 PTP 协议、RTP 时间戳、SDP 协议三大块。

PTP 的全称是Precision Time Protocol（精确时间控制协议），协议的主要内容为系统内每个设备都应包含有一个设备内部时钟，并通过精确时间协议给网络上每一个设备提供一个通用的参考时钟。

RTP 时间戳（Real-Time Transport Protocol）实时传输协议，发送端使用RTP 时间戳标记每个视频、音频和辅助数据包，用来表示采样时间。

SDP（Session Description Protocol）会话描述协议。每个流中包含了一组元数据，会话描述协议的作用就是用来告诉接收端该如何解释收到的数据，如传输视频流时，SDP 向接收端解释了包括分辨率、取样格式、色彩空间等信息在内的所有相关数据。在ST2110 系统中，所有的信息解释都依靠SDP。

4.3.2 SMPTE ST2110-20：无压缩的视频流

SMPTE ST2110-20 定义了三种传输流中视频流的传输。该定义下传输的是无压缩的视频流，即跟SDI中传输的无压缩图像一样，不同的是在ST2110-20 定义下视频图像是以像素组为单位进行传输的，即只传输视频中有效的部分。这种传输方式有效地缩小了视频图像的数据的体积，加上传输十分紧密和与辅助信号分离后，释放了更大的带宽。

4.3.3 SMPTE ST2110-30：PCM 数字音频

对音频系统来说，SMPTE ST 2110 的主要优势在于与视频领域的整合。在过去，视频系统使用与 AES3或 MADI 连接的音频语言，在接入音频系统时有时必须使用 SDI 嵌入/去嵌入设备的视频语言。由于目前音频系统已经在使用网络技术，而 ST 2110 与已为AES67 完成的工作密切相关，因此对于视频团队来说，采用 ST 2110 是简化链接的可控补充。

4.3.4 SMPTE ST2110-40：辅助数据

与ST 2110-20、ST 2110-30 相似，ST 2110-40 指的 是 从VANC（Vertical ANC） 或HANC（Horizontal ANC）中提取辅助数据包（字幕，时间码，广告触发器等），并将它们放入带有自定义标头的RTP数据包中。在实际集成中，字幕机和下游触发部分的信号也以 ST 2110-40 的形式包装。

结语

超高清视频技术和IP 技术这两种技术的结合应用，是广播电视制作系统未来的发展趋势。超高清视频技术能够带来更高的节目质量、带来更好的观看体验，而逐渐发展成熟的IP 传输方式则是实现超高清节目制作的基础。低延时、高带宽、高速度的特性使得超高清节目制作更加方便，同时也丰富了节目的内容，给节目制作系统带来了更多的可能性。

本文结合实际的应用场景，从技术层面出发，介绍了运用于电视行业的 IP 技术及其标准规范，从技术特点和国家标准规范两方面详细介绍了超高清视频技术。并从实际应用出发，探讨超高清视频技术与 IP 技术相结合，实现超高清制作系统 IP 化的条件及方式方法。