高标清同播系统的建设与实现

李陆昊

近年来，我国高清电视的发展十分迅猛，高清节目内容逐渐增多，高清视音频技术的成熟为传统标清电视迈向高清电视发展打下了良好的基础。在日喀则，由于地域的特殊性，高清电视的发展相对落后。由于接收终端、传输设备的限制，部分受众只能收看标清的电视节目，但人们对于高清节目的需求一直存在，并且高清电视对于藏族地区自身的宣传和经济发展都有着不可忽视的推动作用。

日喀则广播电视台前期摄像及自制的新闻、专题类节目均可实现高标清兼容的采集、制作，而影视类节目、广告也能高清片源或标清片源二选一，高清播出的先天条件已经成熟。日喀则广播电视台按照广电总局“鼓励发展，统筹兼顾”的原则和规模化、集约化的要求，结合自身区域电视发展情况，克服种种技术难题和条件限制，量身打造了高标清同播系统，并通过运用网络传输技术实现各县、乡镇接收市、台高清信号，完成区域内高清节目传输全覆盖。

1 高标清同播方式确定

1.1 高标清独立播出方式

按照广电总局的要求，高标清同播主要使用两种方式。第一种，建立的高清播出系统与标清系统相对独立，使用独立的高清视频服务器、播出矩阵、切换台、视分、帧同步、字幕机、音频处理器等设备。标清频道的播出沿用以前的老系统。在信号末端，可以通过上下变换互为主备。高清系统同步播出标清素材时，在上载入库时上变换，或者在视频服务器进行上变换。方案将系统分为标清系统和高清系统，对硬盘素材分别上载和播出，外来信号在播出系统前端进行处理，分别进入高清系统和标清系统，两个系统通过同一节目单进行同播，信号末端高清系统与标清系统输出互为主备，系统架构如图1所示。

图1 系统架构图

基于这种方式，技术开发主要围绕控制系统展开，基本上不涉及复杂的核心技术，操作起来相对简单；但是，这种方案的建设成本很高，相当于同时建设两个播出频道。此种方式对于高清系统的过渡性支持不够平滑，后期拓展高清频道比较麻烦。

1.2 高清主干兼容标清播出方式

日喀则市广播电视台经过充分调研和

论证，采用第二种方式即建立一套独立的高清播出系统播出，高清素材按照正常高清播出，标清素材按照设定好的上变换策略进行变换，系统链路只保留一条高清链路，向下兼容标清，播出系统内的视频流、素材流均为标准统一的高清信号。这种方式适应于系统定位为面向高清系统建设，标清信号则采用高清信号下变换的方式得到。系统架构如图2所示。

图2 高清系统下变换架构图

采用这种方案结构简单、成本低，信号链路清晰，系统工作流程简单，工作效率较高，更加适合于高清电视技术，全台网建设的推广。

2 原有标清节目素材的继承问题

2.1 标清文件处理方式

在建设高标清同播系统的同时，面临着一个棘手的问题，对于高清素材，视频服务器能够正常解码播出信号。但台内目前累计了大量珍贵的历史素材，都以标清的格式保存。可以预计的是，在未来很长一段时间内，这些标清素材都会频繁使用。在解决标清节目素材高清播出这个问题上，工作人员寻求了两种方式：第一种在制作、上载节目的时候，采用前端上变换之后再进行入库播出，即在播出系统中待播的文件均为高清文件，这样做需要增加专门针对上变换的后台转码服务器，并且上变换之后的文件容量是转换前的数倍，这对播出的存储和网络传输带宽都带来了不小压力；第二种方式即采用“软件实时上变换”技术，在上载节目、媒资系统中主动添加嵌入AFD信息标注，所有标清节目文件仍然按标清格式迁移归档到高清播出系统，不作上变换，在播出时由视频服务器内嵌软件进行实时上变换播出。

目前，日喀则市广播电视台根据自身实际情况选择了第二种方式，这样做能够大大减轻标清素材源向高清素材源过渡时用高清节目文件传输和迁移时的网络带宽压力。实践证明，采用这种方式不仅节目播出质量好，方式灵活，又大大节约了成本。

2.2 画面幅型比格式变换方式

图像中心上移的概念，这样既保证了画面基本不变形，又将以前标清素材的字幕信息加以保留。这个过程是基于AFD的精确控制，将原有上下黑边的4∶3图像（下黑边上有同期声字幕信息）进行上移后，再进行（上下裁边模式）上变换，这样做既保留了同期声字幕信息，又使画面不变形，如图3所示。

图3 AFD延伸图形变换

3 播出系统建设

在克服种种技术问题后，我们建立了日喀则广播电视台高标清同播系统，整个系统从结构上分为播控系统、总控系统、分控系统、同步校时系统、监看系统及安全送播系统。播出系统基于SOA松散耦合的柔性架构、开放、通用的标准规范接口，保证电视台制作及未来新媒体的数据互联互通，并且预留接口和全媒体融合平台交互数据。整体的系统结构如图4所示。

图4 信号架构图

3.1 播控系统

可实现2个频道主、备高标清数字信号播出，播控系统以播出安全稳定为最高设计原则，采用成熟的软件和稳定的硬件平台搭建出功能先进的全硬盘播出系统，播控系统的核心设备视频服务器采用主备方式，采用东方盛行公司的Stream RT视频服务器，全面支持高清、标清自适应播出。Stream RT视频服务器是一款多通道流媒体视频服务器，采用CPU+GPU+多通道I/O技术，1台视频服务器配套的编解码卡能支持4个频道的高清播出（为电视台增加频道预留扩充接口），所有输出通道均带嵌入音频的SDI接口。当主备播出视频服务器的在线存储空间无法存储满足电视台播出所需的节目素材量时（如大量的高清影视剧存储），除了扩展视频服务器在线盘阵外，我们还配置了扩展价格较低的二级存储盘阵，较大的节目存储量可以有效地降低重播节目重复上载带来的人力物力浪费。节目上载时素材都保存在二级存储中，在播控工作站打开当天播出节目单时，播出系统配置的集群化后台服务器按照当日节目单自动迁移二级存储内的待播素材至视频服务器在线存储中，这样能够避免播出服务器一直处于既写入数据又读取、解码数据的高强度运算状态，提高播出系统的稳定性。此外，应急垫片服务器采用台内原有播出服务器改造，更换具有支持高清解码通道的板卡，保障高清播出信号不中断。

播出系统采用热备的2N的播出控制方式，共设计4台播控工作站。系统采用播控分离的方式，即使播控机出现故障，视频服务器也会按照已提交的节目单继续播出，控制机恢复，自动接管任务，为安全播出又增加一道防线。视频服务器、字幕伺服器、切换器等设备都受播出工作站的控制，同时播出工作站也能完成直播节目混合播出以及定时上键等。

3.2 总控系统

总控的设计按照32×32路的全高清方式设计，为整个频道最终升级到高清打下基础。进入总控系统的信号包括CCTV1、西藏卫视、视频服务器信号、垫片信号以及其他台内外的直播、转播信号。所有标清的信号都经过上变换后再进入总控矩阵，保证台内播出信号都为高清。在串行数字分量系统中，用矩阵切换HD-SDI信号时，由于切换时的信号瞬时中断会造成CRCC（循环沉余校验码）误差，从而影响输出信号的定时。这种误差会造成输出信号的紊乱和噪波。即使进入矩阵的信号在时间上完全一致的切换点位于场消隐期间，也仍然不能消除这种现象，这与模拟系统的情况完全不同。为避免总控系统调度某个直播信号出现上述问题，所有进入总控系统之前的信号都需要串联帧同步器用于消除CRCC误差，避免由切换引起图像抖动。

3.3 分控系统

分控系统实现每个频道视音频信号的切换、应急、分配，传输，字幕的叠加、音频的处理、解嵌等。切换器进行了主备部署设计，主切换器和备切换器的信号源完全一致，受自动播出系统控制进行同步自动播出。其中，选用的16×4切换器支持2路PGM输出、2路PST输出，其中PGM和PST的第二路均可配置为独立的AUX输出，支持时钟恢复功能。在主、备切换器的下游，接入3选1应急开关，一旦出现故障可以进行自动切换，切换出现问题可以通过baypass旁路直通。

3选1应急开关下游安装数字键混台标一体机和东方盛行公司的SDI字幕伺服器配合使用，键混器将内置的台标和字幕以下游键方式与主信号进行混合，而不采用串接叠加的方法，这样可以避免因设备串接而造成信号质量下降，从而确保通道指标，更为重要的是使用键混器可以随时控制字幕播出的输出与否，更加有利于安全播出。

本次播出系统中采用的播出字幕机能够与节目单进行联动播出，无需再进行单独控制，台标、挂角字幕、倒计时字幕、游动字幕都能够与音视频节目播出自动同步，播出字幕机无人值守，安全可靠，人为误操作大大减少，真正将播出值班人员从以往繁重的手工字幕播出工作中解放了出来。

在键混器下游安装音频处理器，处理声音忽大忽小的问题，实现自动增益与手动增益选择，确保声音在合适的范围内，并且一旦出现故障可以通baypass旁路保证播出信号不中断。

3.4 同步校时系统

同步校时系统包括黑场同步系统及卫星校时系统，黑场同步系统实现整个播出系统内各个设备间的信号同步，避免切换时画面抖动和信号不同步情况发生，是播出系统必不可少的组成部分。卫星校时系统满足播出系统内部和外部标准时间同步的功能，时间服务器通过和卫星连接，实时接受标准时间，可根据不同时区进行时间的同步，达到和中央电视台时间同步。

3.5 监看系统

为了满足播出信号的监看需求，保障每个播出设备节点以及直播信号都能得到监视，设计整体式电视墙，大屏液晶显示器全高清画质监看。多画面监测报警系统采用多画面结构，能显示频道标题、时间、底图文字等，并有音量指示，同时具有视音频信号的质量监控和报警，包括视频静帧/黑场/信号丢失/视频超标/静音/音频超标/EDH状态错误等，并能实现自动识别SD/HD输入信号。

3.6 安全送播系统

国家广电总局出台相关指令，对播出的安全高度重视，在广播电视相关信息系统安全等级保护定级指南中，省市的播出级别都定义为三级。播出系统比其他业务网络系统安全级别高，和其他业务系统应有防护隔离措施。日喀则市广播电视台在过往采用过多种物理隔离方式完成文件送播。例如，在采用非编将要送播文件进行解码输出，播出上载工作站进行采集，两者之间通过视频线进行连接，此种方式效率太低，对于比较紧急新闻时间局限性比较大。在标清播出时代，日喀则市广播电视台还采用了专业的媒体网关对播出系统和制作系统、媒资系统等系统之间进行物理隔离，但在送播高清文件时，网关30～60MB/s的传输速度劣势就被放大，不能满足大量高清文件送播的需求。

在建设高标清同播系统时，日喀则市广播电视台建立了能够应对大数据量的高效安全传输系统，非编网以及其他业务板块和播出网络板块之间的数据交换依靠安全送播系统完成，安全送播系统具有物理隔离，又有白名单认证、杀毒解析、私有链路传输等功能，实现制播安全隔离，系统如图5所示。

图5 安全送播系统

自动技审作为安全送播系统软件的一个重要组成部分，安装在制作系统的送播客户端上，主要负责对所有送播内容进行自动技术审查（技审参数包括黑场、彩场、静帧、静音、亮度、色度等），确保节目的技术质量，也是保证优质播出的第一道关口。

安全送播中采用基于高安全Infiniband架构PCIe链路作为高安全版块的安全边界，是依据等保要求的网络隔离。这种解决方案的优势在于采用非公用的物理链路、采用非公用的传输协议，还能实现高速的数据交互，数据交互速率在使用过程中没有低于400 MB/s，满足日喀则市广播电视台传输高清文件的需求。

4 结语

根据广电总局关于大力发展高清电视的指导精神，迎合社会发展和广播电视技术进步的趋势，也为了提高日喀则广播电视台的社会舆论引导能力，满足人民群众精神文明生活的需求。日喀则广播电视台经过详细考察、论证、设计建成的这套高标清同播系统适用于全标清向全高清过渡的时代，立足高清兼顾标清。考虑到经济性、高效性、易用性，选择了高清主干兼容标清的播出方式，并利用AFD的延伸技术解决台内大量标清文件的播出问题。在建立高标清同播系统时，遵循安全、稳定、高标清兼容的原则进行设计，整个播出系统无单一崩溃点，并采用安全送播系统满足等保要求的同时完成高清文件的送播。系统在建设完成后，经过专家技术鉴定，并长期稳定运行，完全达到了理想的效果。

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