全媒体制播技术-硬盘播出系统，实现智能化网络化播出

电视播控中心是电视台的核心部门，是电视台内外信号汇集的中枢，由制作中心、新闻中心等部门制作的节目，卫星、微波接收的节目，光缆、电缆引入的节目，都要送到电视播控中心，按照预先编排好的节目顺序，实时切换播出，再通过电缆、光缆、微波等方式送到发射台、微波站、有线电视机房、卫星上行站等传输机房，最后在电视屏幕上得到显示。

模拟播出系统以切换台为核心，以人工操作为主要播出方式。数字化全自动硬盘播出系统以视频服务器为核心，组成播出网络，实现了网络化、智能化、资源共享、安全高效。

1.几个概念

（1）播控中心

播控中心是电视台内担负着各个频道电视节目播出控制任务的技术场所，每一个频道都用一个播出切换台进行播出节目切换，将播出节目信号按节目表安排的时间顺序传送给总控制室，由总控制室再送给发射台或卫星地球站等地。播出控制都采用自动控制系统，但可手动干预。

（2）总控机房

总控机房是电视节目播出链路的信号中枢，在这里对参与播出的各种视音频信号、静止图像信号、卫星接收信号、现场直播的微波信号以及播出信号进行监测、调校、处理和调度，并向播控中心和演播室传送外来信号；在这里产生基准同步信号，对所有播出信号进行同步处理，为全台提供基准同步信号，实现全台各种信号的同步；在这里提供一个精确同步的标准时间，对全台时钟进行精确同步，保证播出时间的统一和准确；在这里建立一个有效实用的内部通话系统，协调各播出部门及现场直播的工作。

（3）传统的自动播出系统

传统的自动播出系统是以数字切换台为中心、数字录像机为节目源，控制数字录像机与数字切换台协调工作，实现自动播出的技术系统。这种系统基于工控机控制并配合自动装带系统（机械手），存在录像机卡带、定期更换磁鼓、更改节目表的过程复杂等缺点。

（4）数字播控系统

数字播控系统是以视音频服务器为核心，利用数据库技术进行管理，通过计算机网络传输控制和管理信息，并对设备进行监控，自动播出电视节目的技术系统。自动播出系统控制视音频服务器与切换台协调工作，实现数字播出。数字播控主要有两种应用形式：计算机全自动非线性播控方式和计算机嵌入式受控插播方式。

①计算机全自动非线性播控方式

由计算机根据给定的全天的包含所有节目的播出时间表，按顺序自动控制有关设备（主要是视音频服务器）依次播放。除此之外，自动播控系统还有实时修改节目播出时间表的编辑能力，在正常运行时，操作者只需监视运行是否正常或临时修改节目播出时间表。

②计算机嵌入式受控插播方式

插播系统内的计算机接收来自切换台或其他自动播出系统的信号，根据给定的包含某一类或几类节目的播出时间表，按顺序自动控制有关设备依次播放，也有实时修改播出时间表的编辑能力。插播系统是嵌入在电视台内的全台播控系统中针对部分节目播出时间表的受控播出系统，如广告插播。操作者也只需监视运行是否正常或临时修改节目播出时间表。

（5）帧精确

帧精确是指电视节目录入视频服务器时要根据给定的入点帧和出点帧一帧不多一帧不少地录入。节目播出时要按照给定的时间点开始，时间点也要精确到帧；实时响应GPI的外来播出信号，时间点也要精确到帧；播出时节目之间或节目与广告之间要精确到帧；播出时视频切换与音频切换同步要精确到帧。数字播控时，直接由计算机控制从视频服务器将离散存储的节目和广告实时串行播出，帧精确成为评价数字播控系统的一个重要指标。

（6）多频道独立式播控系统

多频道独立式播控系统是指每个频道各有一套独立的播出控制系统。这种系统是传统的结构，各频道互不影响，其播控系统独立操作，安全性高，但资源不能共享。

（7）集中式播控系统

集中式播控系统是指共用切换台、共用播控矩阵等信号通道的播出控制系统。这种系统共用切换台和播控矩阵，能实现最大限度的资源共享。

2.视频服务器

视频服务器是一种对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用计算机设备。

（1）视频服务器的构成

视频服务器由视音频压缩编码器、海量存储设备、输入/输出通道、网络接口、视音频接口、RS422串行接口、协议接口、软件接口、视音频交叉点矩阵等构成。

①视音频压缩编码器

因视频信号数字化以后的数据量很大，故要采用压缩技术将视频数据在满足技术指标要求的条件下尽可能地进行高压缩比的压缩，以满足存储和传输的要求。视频服务器一般采用M-JPEG、MPEG-2、DV、AVS等压缩编码方式，用户可以根据实际情况选择压缩码率和压缩结构，以适合于各种不同的制作和播出场合，达到既节省硬盘空间、增加节目存储量，又能保证制作和播出质量的目的。

②海量存储设备

视频服务器采用高速、宽带的SCSI接口硬盘或最先进的FC接口硬盘作为视音频素材的存储介质，同时视音频数据的硬盘扩充也比较灵活。

③输入/输出通道

视频服务器具备多通道输入/输出，使多路录入、播出能同时进行。

④网络接口

视频服务器都有网络接口，以方便组网、实现数据共享。一般都有FC和以太网接口，FC光纤网采用IP协议作为视频服务器之间快速、实时复制和移动素材的交换网络，以太网用于传送控制数据和状态检测信息。

⑤视音频接口

视频服务器都有视音频接口和模拟监视视频接口，能方便监视各通道的视频信号，输入/输出信号可以在模拟、分量、SDI中选择。

⑥RS422串行接口

视频服务器都有多个RS422串行通信接口，每个接口都可通过RS422由外部计算机控制节目存储和播出。

⑦协议接口

视频服务器除了提供各种控制硬件的接口外，还提供协议接口，如RS422，除支持RS422的Profile协议外，还支持Louth、Odetics、BVW等通过RS422控制的协议。

⑧软件接口

视频服务器提供开放的软件接口，以供用户或第三方厂商开发和构建新的应用方式。

⑨视音频交叉点矩阵

视频服务器都有视音频交叉点矩阵，能灵活调度视频服务器内的视音频信号，实现视音频素材的共享，同时可保证技术指标不受损伤。

（2）视频服务器的体系结构

不同的应用对视频服务器有不同的技术要求，视频服务器可采用不同的体系结构。

①基于通用计算机的结构

②基于高级工作站的结构

③基于专用硬件平台的结构

④分布式层次结构

（3）视频服务器的压缩格式

数字压缩技术也就是通常所说的编码方式，是视频服务器的技术核心，也是选择视频服务器的重要考察对象。前面已经介绍比较流行的数字压缩编码格式有MJPEG、DV、MPEG-2、AVS等，某些产品还有互联网中常用的小波压缩和MPEG-4压缩。

（4）视频服务器的信号输入

视频服务器的信号输入（素材上载）方式有三种：视频信号（模拟/数字）方式、压缩数据流方式、网络文件传输方式。

①视频信号方式

②压缩的数据流方式

③网络文件传输方式

（5）视频服务器的存储技术

为了保证视频数据的存储安全和播出安全，一般视频服务器都采用冗余磁盘阵列RAID（Redundant Array of Independent）技术来避免因硬盘损坏而导致数据丢失的可能。

比较流行的RAID技术有三种：RAID1、RAID3、RAID5。大部分视频服务器都采用RAID3技术（也有采用RAID5），而且带有FC接口，采用纯软件RAID的服务器很少。

一个较大的流媒体服务系统一般应具备1000-10000小时的节目存储量，净存储数据达上百TB。视频服务器有两种网络存储结构，即分布存储结构和集中存储结构。

①分布存储结构

这种结构采用磁盘阵列分布在多个节点的方式来存储数据，各节点通过内部高速网络互连。

②集中存储结构

这种结构将现有的SAN或NAS系统作为视频服务器的存储部分。

视频服务器存储系统的容错方式经历了如下发展过程：

a.单机运行

早期的视频服务器结构非常简单，大多只采用一次RAID3或RAID5技术进行基本的容错保护，组成独立的单一系统，只用于备份信号源辅助播出，不满足大中型多频道播出要求，如图7-7所示。

图7-7　单机运行的视频服务器

b.双机热备份

这种系统的主备机具有完全一样的结构和内容，文件上载到主机时，备机做一对一拷贝，主备机之间采用SCSI接口或FC互连，能满足广告播出系统和小型单频道播出系统的要求，如图7-8所示。

图7-8　双机热备份的视频服务器

c.主-缓存（Main-Buffer）配置

这种方式中，主机是拥有全部内容的中心存储服务器，并连接几个存储量较小的服务器作为缓存器，用于各个频道的播出（称为播出服务器）。如某个缓存服务器出现故障，主服务器将自动取代它；如主服务器出现故障，缓存服务器可用它自己的存储数据继续播出。系统自动管理服务器间的内容分配，适合大存储量、多频道播出。

d.网络环境中容错

这种方式中，视频服务器节点本身不负责大容量的节目存储，而通过交换机与采用RAID3或RAID5的大容量集中存储硬盘盘塔相连。

e.基于RAID平方技术的容错结构

在数据写入时，把一块数据分成相等的若干小块，同时计算出该小块的奇偶校验和，把各小块数据及其奇偶校验和并行存储到各个服务器节点的硬盘中，类似于RAID5技术。故障节点数据恢复后，可自动重新写入该节点，实现了故障节点自动恢复。在视频服务器内部的硬盘阵列再次采用RAID5技术，每个节点通常有8～12个硬盘构成RAID5磁盘阵列，实现了多级故障自动恢复功能。任何一个服务器损坏，均可由其余服务器恢复丢失的数据，任何一个硬盘损坏，也可由其他硬盘恢复丢失的数据，这种技术又称为RAID平方技术。若系统内有n个节点，则硬盘有效利用率可达（n-1）/n倍，节点越多有效利用率越高，硬盘的有效利用率可提高到（67-80）%。但是，至少要有3个节点，如果只有2个节点，则有效利用率与镜像主备方式相同。

这种结构中，服务器节点间采用点对点互连的双向拓扑结构，如图7-9所示。

图7-9　RAID平方技术

（6）视频服务器的组网技术

主流视频服务器都采用FC光纤网作为视频服务器之间快速、实时复制和移动素材的交换网络。FC（Fibre Channel）是ANSI为网络和通道输入/输出接口建立的一个标准，与传统的输入/输出接口技术（如PCI、SCSI等）不同，它是一种综合的通道技术。它既支持输入/输出通道技术，又支持多种网络协议（如HIPPI、IPI、SCSI、IP、ATM等），支持点对点、仲裁环、交换等多种拓扑结构。FC包含通道的特性，兼具网络的特点，描述了从连接两个设备的单条电缆到由交换机为核心连接许多设备的网络结构。

（7）视频服务器的控制协议

视频服务器多采用Louth控制协议，Louth的全称是Video Disk Communications Protocol，基于主从控制方法，在控制设备和受控设备之间进行通信，以控制设备实施主控制，是点对点的拓扑结构，符合开放系统互联（OSI）参考模型。层一是物理层，包括电气与机械的技术规格；层二是数据链路层，包括信息通过物理链路的传输同步和错误控制；层三和层四提供网络功能；层五是会话层，规定了在应用之间通信的控制结构，即为交互应用提供建立、管理和拆除、终止连接的手段；层六是表达层，提供控制语言。(www.xing528.com)

（8）视频服务器的特点

①将多通道、录制、播放等功能集于一体。

②用硬盘作为记录载体，具有非线性特点。

③素材在硬盘还未形成完整文件时，便可由输出通道调出播放，非常适用于延时播出和视频点播（VOD）等领域。

④容易实现向前或向后的变速播放，传统的录像机要经过特技设备才能实现变速播放。

（9）视频服务器的应用

视频服务器在电视领域的应用主要有两个方面：一是利用视频服务器实现视频点播和延时直播；二是利用视频服务器构建自动播出系统。视频服务器采用开放式软硬件平台和标准或通用接口协议，使基于视频服务器的多通道数字播出系统扩展能力较强、能够与未来全数字、全硬盘、网络化、多频道资源共享模式的节目制作和播出体系相衔接。全硬盘或盘带结合的基于视频服务器的多通道数字播出系统可以实现播出差错隔离和故障隔离，也可以实现延时播出。

①在视频点播系统的应用

视频点播按其实时性和交互性分为两种：准视频点播（NVOD，Near Video On Demand）和真视频点播（TVOD，True Video On Demand），真视频点播又简称为视频点播（VOD）。

基于CATV网和PSTN网的NVOD系统的结构如图7-10所示。

图7-10　NVOD系统结构图

图7-10中，利用CATV网作为宽带下行信道，利用PSTN网作为窄带上行信道。视频服务器是核心，利用其多通道特性和素材可共享特性，实现一个节目相隔一段时间重播，点播者能在等待较短的时间内看到自己点播的节目。如：在视频服务器内一个时间长度为N的节目，经视频服务器8个输出通道分别输出，第二通道相对于第一通道延时N/8时间播放，第三通道相对于第二通道延时N/8时间播放，以此类推。每个通道的节目循环播放，那么第一通道下一次开始播放的时间相对第八通道也是延时N/8时间播放。这样，相邻通道播放的是相同节目，但时间间隔均为N/8。用户点播时，其点播信息经节目请求计算机处理后，由节目播放控制计算机将马上要播放的通道号、授权等信息返送给用户接收设备，用户在N/8时间内就可看到自己点播的节目。

VOD系统一般由前端系统、网络系统及客户系统三部分组成，前端系统由视频服务器各种档案管理服务器以及控制网络部分的设备组成。

②在电视延时直播的应用

延时技术在电视节目直播中的应用，可以有效地应对突发状况，保证电视节目直播安全，利用视频服务器很容易实现延时直播。

根据演播室内视音频系统所处的不同位置，延时系统可以分为前端延时和后端延时两种方式。

前端延时是将演播室外的视音频信号先通过延时器进行处理，然后与话筒、摄像机、录像机等设备一起接入演播室内。这种方式适合外来信号接入，因为外来信号具有比较强的不确定性。如在体育比赛的直播中，演播室内需要有即时信号和延时信号，主持人对着延时画面进行解说，出现突发状况时，工作人员有一定的反应和处理时间，导播只要切换预先准备好的广告等其他画面播出即可，等外来信号恢复正常后再切换回来，继续直播。

后端延时具有较为多样的方式，其中较为常用的是将相关视音频信号送到播出室之前就进行延时。如将延时时间设为15s，则电视直播中的所有活动都需要比正式播出时间提前15s。这种方式适合参与人员较多的新闻类或综艺类节目直播，出现突发状况时，工作人员有15s时间进行处理，切换台切出垫播的录像机画面，15s后恢复正常播出。

③在电视自动播出系统的应用

自动播出系统以视频服务器为核心，利用数据库技术进行管理，通过计算机网络传输控制和管理信息并对设备进行监控，通过高速视频网络传输播出节目数据。自动播出系统控制视音频服务器与切换台（或矩阵）协调工作，实现数字播出。在这种播出方案中，服务器的组合主要有两类结构：一类是采用主备视音频服务器的方式；另一类是MediaCluster方式，又称为服务器群集方式。

在主备方式中，服务器镜像配置、工作完全相同、通过光纤通道互连，如图7-11所示。

图7-11中，每个服务器内的硬盘均采用RAID技术，任何一个服务器上载的内容同时自动镜像拷贝到另一个服务器中，两个服务器保持同步运行，备服务器处于等待模式，主服务器一旦出现故障，备服务器立刻接替工作。

图7-11　主备方式

在群集方式中，多个服务器通过网络组合起来，每个服务器为一个节点，整个系统的数据存储采用RAID平方技术。

三个节点的输入/输出配置如图7-12所示。

图7-12　群集方式

图7-12中，每个节点有四个I/O口用于录入或输出，码率低时可有六个I/O口。每个节点输入的数据通过网络均衡分配都可被各个节点共享，因此若有一个节点出现故障，其他节点仍可完成素材采集功能。输出采用主备解码配置，无论哪一个节点出现故障，都能保证正常播出。如：节点2出现故障时，其主输出1、2、3路可立即由备输出1、2、3路替代。

3.双通道硬盘播出系统

硬盘播出系统由节目数字化媒体系统、播出系统、播出管理系统和通道分控系统组成。节目数字化媒体系统由收录服务器或上载工作站等软硬件设备构成，播出系统以视频服务器为核心，配备各类型与播出相关的工作站、服务器及周边设备（切换台、矩阵），播出管理系统由系统设备监测、监录服务器、播出系统监控服务器等软硬件设备构成，通道分控系统以主备视频服务器播出信号为主播信号源，以应急录像机信号、外来信号（演播馆、数字电视实验室、非编实验室等）、矩阵调度信号、垫片信号、测试信号等为备播信号源。

两个通道全部采用切换器的方式播出。播出信号的监看采用大屏幕多画面分割监看的方式实现。配置独立的台标和字幕系统，通过切换台的下游键实现台标字幕的混合且字幕系统设计为播出联动结构，播出系统可方便地对字幕系统进行控制。信号传输方式采用模拟复合信号（CVBS）。

本方案选用了先进的控制通讯技术，利用IP网络集中控制器将发控端及被控端的信号全都接转成网络IP的方式进行控制，具有如下特点：

（1）基于IP方式的协议使端口共享

发控端与被控端之间的随意性，只要是能接受的、端口是绝对放开的、通讯间的协仪是畅通的，它们就不受空间、位置等影响可以与对方通讯，端口与端口之间的转换也就非常简单、容易了，如图7-13所示。

图7-13　网络控制

（2）实现对422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，如图7-14所示。

图7-14　自动切换

（3）支持离线播出

系统支持离线播出功能，即在播出控制服务器出现故障时，播出视频服务器仍然能够根据本地节目单进行播出，提高系统的安全性。

（4）支持扩展升级

在扩展升级时只需要增加IP网络集中控制器的数量，即可增加系统中可控制的设备数量。

素材上载是将节目素材通过采集方式存储于服务器或盘塔的硬盘中供播出使用。

播控软件采用模块化结构，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。其主要模块如下：节目串联单编辑模块；播出编辑、控制模块；广告串编模块；自动技审模块；系统功能管理模块、播出统计模块。所有软件模块构架于SQLSERVER2008数据库结构之下，各个模块的相互关系如图7-15所示。

图7-15　基于SQLSERVER2008数据库下各个模块的相互关系

4.网络硬盘播出系统

系统由五部分组成：视音频服务器、数字媒体中心管理、自动播出控制子系统、播出切换台与台标字幕、视音频质量自动监测子系统，如图7-16所示。

图7-16　网络硬盘播出系统组成

（1）视音频服务器

采用两套服务器构成服务器网络，一套是由4个视音频服务器组成的BMC-834，可供两个频道播出用；另一套是BMC-1203视音频服务器，负责影视频道硬盘播出。两套服务器之间通过网络连接，视音频服务器与数据流带库之间也通过网络连接，可以实现节目共享和交换。

②自动播出控制子系统

由5部分组成：主备数据库服务器、主备播出站和RS-422控制切换器、上载站、交换机（switch）和远程故障诊断。

主备数据库服务器装有网络中心数据库，由许多数据模块组成，包括素材索引库、档案库、播出模块、广告模块。

每个频道都采用主备播出站同步控制播出，通过RS-422控制切换器进行切换。主备播出站在播出前通过网络从数据库服务器中调出播出表单，也可在播出站现做播出单，开播后主备播出站自动与网络断开，网络中的任何异常都不会影响播出控制系统正常工作。每个播出站都可同时控制切换台、录像机、视音频服务器协调工作。根据用户需要，可实现全硬盘播出、盘带混合播出或全录像机播出及延时播出。

准备站为上载站，每个上载站可同时控制2台VTR、2个编码板和1个录后解码预监，主要完成5项任务。一是素材库管理维护，二是制作播出单，三是控制视音频服务器、录像机等设备上载素材，四是播出节目预先测试，五是档案管理。

交换机主要用于网络数据交换，远程故障诊断可定期检查用户视音频服务器、自动播出系统的工作状况。

（3）切换台与台标字幕

播出切换台可输入16路Primary、2路Key和Key Fill，可输出2路Program、2路LAP（Look Ahead Preview）、2路Cleanfeed、4条有双路输出的辅助母线（Aux Bus），可以输入数字音频嵌入数字视频的信号或分离的视音频信号并可调整音频电平。

为了保证播出可靠性，每个频道配1个16选1开关，其输出配1个键控器，切换台出现故障时，用16选1开关输出并有台标输出，由1个2选1开关选择切换台输出或16选1开关输出。

（4）视音频质量自动监测子系统

由2台数字示波器和1台视音频质量自动监测工作站完成4项工作：同时显示播出频道输出信号波形、矢量、动态图像、音频幅值和相位；实时监测视音频信号质量的32项内容，如幅值、音量、消隐行、时码等；实时对故障自动进行记录，实时用声音、图像进行报警，根据用户要求打印故障时间、类型、出现频率等；给出故障统计分析结果，供技术人员分析、查找故障原因。

（5）数字媒体中心管理

包含2台客户端、1台带库服务器、switch和数字带库，用于上载和长久保存节目素材并重复使用。通过客户端、交换机（switch）与视音频服务器相连，进行数据交换。可使网络多频道硬盘自动播出控制系统与数字中心存储带库协调工作，实现数字播出与存储的自动化管理。有6个模块：系统管理、带库管理、素材管理、数据库管理、查询统计、帮助。

5.标清和高清共用的硬盘播出系统

以硬盘服务器为主，配置数据流磁带库作为近线存储，标清和高清共用硬盘存储系统，上载、存储、播出相对独立，互不影响，如图7-17所示。

图7-17　标清与高清共用播出系统

图7-17中，机械手和上载录像机主要用于素材上载，一旦硬盘系统不能正常工作，即可转为传统机械手自动播出方式。近线存储系统能存储一个月的节目，预留两个外部接口，用于与电影局和音像资料馆连接。

标清采用MOEG-24∶2∶2P@ML IBBP GOP，数据率为4-25Mb/s，这种压缩标准便于与非编系统兼容。标清上载用20个编码通道，其中16个用于机械手内的录像机上载，另4个用于应急上载通道；高清上载用3个编码通道，其中2个用于录像机上载，另1个作为应急使用。上载部分配备了相应的解码通道，标清18个，高清2个，以便实时监看。

播出系统为每套节目配备主备通道，有4套机械手用于8套节目的自动上载，在硬盘服务器崩溃时，可应急播出；机械手内部设置16台录像机（每套机械手4台）。此外还配置4台应急播出录像机，每2套节目共用1台应急录像机。

采用嵌入音频方式，每套节目都配备数字切换台和应急矩阵，用于信号处理和播出。

近线存储配置5台磁带机，采用数据流磁带。资料保存时间按30天计算，存储容量约为30TB，选200GB数据流磁带，约150盘。

数据迁移带宽是指在线存储和近线存储之间数据传输所占用的带宽，数据传输是双向的。从在线迁至近线，每天需要在播出结束后4小时内完成，每小时带宽约为966GB，若用35MB/s的磁带机，则需3台；从近线迁至在线，迁移量较少，迁移时间也可长一些，只需1台磁带机。

采用分布式归档管理，近线存储系统由迁移管理服务器、迁移服务器、磁带库控制服务器和磁带库组成，迁移服务器为主备工作方式。

网络控制结构如图7-18所示。

图7-18　网络控制结构

6.电视播出系统的同步定时

电视播出系统可用卫星发送的标准时间信号作为时间基准信号，也可用CCTV节目在场逆程第16行传送的标准时间信号作为时间基准信号。