全媒体环境下演播室的IP化改造设想

潘琦婕 江苏省广播电视总台电视技术部

1．引言

随着互联网技术的飞跃发展，融媒体的概念已成为广播电视领域的热点和发展趋势。随着云计算技术被大规模推广，云计算平台将成为未来电视台的核心基础平台。在此前景下，电视节目制作系统将逐步从传统的广播电视架构中脱离出来，并以全新的IP化形态构建。探索广电技术与互联网技术的融合之道，推动广电技术的IT化发展进程势在必行。本文根据演播室系统 IP化的建设背景，通过分析传统演播室的优缺点和演播室系统的构建趋势，提出建设 IP化系统的可行性方案及相应问题对策，为云平台建设提供支撑。

2. 演播室IP化建设背景

当前，广播电视的发展正面临着战略转型。以互联网、移动网络为代表的新技术正迅速崛起，广播电视作为传统主流媒体正面临着严峻挑战。移动互联网、云计算、大数据等新新技术对广电节目制作、播出、服务模式产生了全方位影响。

2015年，中央全面深化改革领导小组通过《关于推动传统媒体和新兴媒体融合发展的指导意见》，习近平总书记强调“坚持先进技术为支撑、内容建设为根本，推动传统媒体和新媒体的内容、整合渠道、平台、经营、管理的深度等方面，形成立体多样、融合发展的现代传播体系”。加快广电节目制播系统与新一代互联网技术的深度融合，创新服务方式和服务流程，实现广电媒体向融合媒体的演变，已成为广电生存和发展的必由之路。

为促进媒体融合，电视台需要改变单一的采编和传播方式，向“台网”融合转变。我们需要利用IP化、云计算等技术，致力于打造先进的技术平台，为台内节目生产制作、开展全媒体业务做好技术支撑。

3. 应用平台的关键技术

随着网络服务形态的多元化，传统媒体已经不再是各类信息资讯唯一的传播渠道，节目内容层面的去中心化形态已然成为全媒体环境的发展现状。作为广电发展的根基，先进的广电技术永远要服务于节目内容，所以基于物理层面技术平台的去中心化，要为内容层面的去中心化提供支撑。技术平台要想实现去中心化，没有广电技术的IT化作为前提是不行的。为了充分推动广电的IT化进程，云计算和IP架构是搭建基础平台的关键技术。这两种技术都将改变当前技术平台的核心架构。目前我台荔枝云私有云已初具规模，构建基于云的全IP工作流程是发展方向，演播室系统全IP化也在逐步推进。

4. 演播室制作IP化现状分析及可行性

目前，我台部分演播室与总台制作部之间已经完成了IP化节目交换。例如演播室进行部分IP化改造后，各个业务系统通过云平台进行节目文件化交换，实现了全程文件化、网络化。由于演播室系统与制作网络和播出网络的连接，演播室不再是一个封闭的系统，节目采编播流程也愈加方便。如今，演播室系统依然以SDI信号为主，而进一步构建全IP工作流程的核心是SDI信号的IP化。

在过去的20多年中，SDI作为广电行业信号传输的特有标准已经应用于广电行业的各个系统，目前我台的演播室系统基本上是以SDI基带信号为系统架构。SDI电视系统的优点是：可靠性和稳定性高，通用性和帧精度高，低延时、低抖动；结构逻辑关系清晰，方便故障定位和排查，系统同步简单，协议开放，无需授权。随着信息技术的不断发展，节目制作信号源也日益丰富：从原来的模拟信号、SDI信号、HDSDI信号，到4K信号、网络信号等非演播室系统内的信号源，基础架构的种类日益增多，信号调度的矩阵规模越来越大，系统对矩阵的兼容性和处理能力也有了更高的要求，而且系统布线及信号的处理更加复杂，有必要整合大量不同类型的电缆。随着广电技术的发展，SDI信号渐渐出现了信号不兼容、系统扩展性受到限制、线缆整合困难等这样的缺点。

采用IP信号作为演播室的基础架构就相对简单，一根网线就可以解决数据、控制和同步的传输。IP系统架构可以复用现有网络基础设施，在此基础上提高端口密度，增加双向传输特性。网线取代同轴电缆可大幅降低线缆体积和重量，还有一个显而易见的好处就是降低了系统成本。按 IP封装模式进行的传输未经过新的信号转换，没有重新编码的过程，以原始质量传递的原始码流避免了多次编码产生的信号质量劣化，最大程度保障了文件质量。如果在视频系统内均通过IP形式进行数据的传输，传输质量被保持在最高，对节目生产效果可起到最大的支撑作用。通过将演播室系统IP化，并在基于SDN(software defined network，软件定义网络)的网络中将各种数据流统一调度、智能管理，将有效提升节目生产的灵活性和可伸缩性，电缆布线也较 SDI信号更加精简，更易于演播室设备的管理和维护。

5. 演播室IP化的关键技术及系统构成

以日益成熟的4K超高清信号传输为例，如果用SDI接口传输，有以下实现方式：一是最原始的方法，4个子图像转换为4路3Gbps数据流，之后即可以直接生成4路对应的3G-SDI信号，但这种方式连线复杂。二是将12G数据压缩到单个3G-SDI信号，采用现有的高清视频线缆传输，但这种方式对数据压缩太大。三是通过12G-SDI接口传输未压缩的视频，采用高性能的视频线缆来传输，但是12G-SDI速率较高，传输距离短。由此可见，用视频线缆来传输4K信号虽然可行，但是会使演播室系统变得过于复杂。

如果采用IP化架构来传输，这一问题将得到解决。IP技术的格式无关性是区别于SDI的显著特点之一。SDI从270 M到1.5 G再到3 G，传输方式从Single- Link到 Quad- Link，随着专用设备的升级，传输格式的升级必须紧跟其后。系统IP化改造后，信号以IP包的形式被封装和传输，信号格式和内容与网络传输通道无关。以IP信号传输不仅信号格式与系统扩展自由，方便与制作系统公用平台链接，而且可以实现高效信号分享，方便所有接入设备实现统一监管和维护。因此，在4K超高清电视基础架构中，IP化方向已经受到了广泛的认同——即用RJ-45以太网口或光纤接口取代BNC接口，用 IP交换机取代 SDI基带矩阵。为了解决这个问题，越来越多的设备开始安装IP接口，更多的电视演播室考虑用IP化基础架构来建设4K超高清视频系统。

在演播室系统IP化的过程中，录制设备的发展趋势是文件化、无带化。标清磁带录像机随着电视台节目的高清化普及将渐渐退出历史舞台，越来越多演播室采用硬盘录像机、P2录像机。硬盘录像机具有记录格式多样化的特点，解决了录像设备格式和后期制作格式不兼容的问题。且硬盘录像机基于PC平台，自带网络接口，兼容 TCP/IP等网络传输协议，可以通过网络直接与后期系统进行互联，减少了素材传输环节，大大提高了工作效率。P2录像机则具有便携、操作简便、录制误码率低的特点，现在已经普遍用于演播室、外景活动等各种形式的节目录制中。

SMPTE（电影电视工程协会）标准体系的基础部分定义了如何将SDI信号的全部信息（包括视频、嵌入音频、附属 HANC和 VANC、时间码、元数据等）在IP网络中以RTP包的形式传输。封包后的视频、音频和附属数据可用于电视及任何类型的实时内容交换网络，既可以是局域网，也可以是广域网。SMPTEST也定义了网络内的定时同步机制，将广电常用的GenLock功能复制到了IP网络中，通过IP实现同步锁定，准确地传输同步定时信息。SDI系统中，设备需额外接入同步信号以保证信号同步和画面的正常切换，IP系统架构不需要专用线缆传输同步信号，同步信息嵌入在网络中。切换台等系统设备需要全面支持IP输入输出，可以同时处理SDI和IP信号。电视演播室系统 IP化架构的理想状态，是使用通用IP交换机。设备通过IP接口直接与交换机相连并具有统一的协议。

演播室系统全IP化是发展趋势，但IP化的优势是以网络带宽充裕为前提的。从高清过渡到超高清系统，最常用的3840×2160p50，数据量将是原来的8倍。如果用SDI信号来承载，即需要从1.5G升级到12G。而目前广泛采用的以太网速率是10GbE，单链接网络信号显然已经无法承载无压缩的12G-SDI信号，那么如何构建超高清、全 IP的系统呢？

我们可以尝试以SMPTE ST2022-6的链接与映射为基础，采用4个3G-IP链路绑定来传输一个超高清信号，此方案虽然可行，但是降低了设备利用率，使得布线任务剧增、给走线空间增加了负担，且至少需要两条10GbE的链接。这个方案虽然可以实现无压缩传输，但广电行业尚未出台基于IP的超高清传输标准，信号分配问题及延时问题都需要解决。

还有一个无压缩的方案是采用更高速的以太网。根据以太网联盟(Ethernet Alliance)2016年度报告——“ Ethernet Roadmap”，25 GbE大规模推广应用的前景被看好，很有可能取代10GbE，成为下一个以太网单链接的速率。SMPTE超高清电视生态系统研究组(UHDTV Ecosystem Study Group)在最新研究报告(2014年)中也向SMPTE建议，开发基于IP的超高清无压缩实时接口标准。同时将 SMPTE ST2022-6扩展到12G-SDI，如果这样的标准出台，使用4链接25GbE，可以以更高的性价比来实现100GbE网络，这样的网络速率也足以对云平台建设提供更大的支撑。

超高清全 IP化的另一个思路是对信号进行轻压缩以适配现有网络，但是在广电行业内，以轻压缩数据流为基础进行实时直播、切换需要的是高质量、低延时和低压缩比。目前有满足压缩比要求的已经被 SMPTE标准化的方案，但是编解码延时、不同编码格式之间的交互，码流之间的同步都要经过大量实践来证明其可行性。另外，整个传输链路中的各个设备(如：摄像机、切换台、录像机、字幕机)都要支持此压缩方法，不同的压缩方法需要各自专用的编解码器实现操作，当系统中采用了不同压缩格式的设备时，互操作性是个问题。

6. 全IP化系统的优化

（1）服务质量

在构建全IP系统架构过程中，要重视服务质量需求。 基于SDN技术(软件定义网络)，可合理地对网络中的设备和业务进行配置和规划，实现对网络流量的灵活控制，使网络变得更加智能化。例如，在网络任务繁忙的节假日之前，网络会出现堵塞、任务队列、找不到素材等情况，使用SDN技术，可保证视音频流获得稳定带宽，实现全部可能路径上的智能负载均衡，避免数据流之间相互冲突，从而得到需要的网络服务质量。

（2）网络安全

IP化架构相较于SDI架构，系统内的任何设备都有被外部非法访问甚至攻击的可能；IP化架构存在网络传输延迟、数据包丢失和同步不精确等问题，防止未经授权的访问是至关重要的。在构建全IP系统网络的过程中，可以考虑网络认证、设备认证和用户认证三方面的安全防护手段，在保持系统安全的基础上实现IP技术的优点。 通过实施用户认证功能，可消除非法或未经授权用户的操作。系统管理员还可为每个特定用户分配特定权限，使得非法访问的风险降到最低；设备认证功能是要对接入网络的设备进行身份识别认证，通过设备认证，系统管理员可以控制住该非法访问设备的使用权限，从而避免其对系统造成破坏；网络认证的目的是保障系统网内环境不被网外干扰，以提供安全的网络环境。（3）互联互通

演播系统全IP化正处在发展初期，各厂商和标准化组织出于各种因素的考虑，推出的封装格式和标准大多彼此不兼容。在构建全IP网络系统的过程中，如何设计网络架构，使得不同厂商的设备、不同格式的IP流能像SDI那样便捷的互联互通，仍然需要经过不懈努力。一旦这个问题得以解决，IP化进程也能前进一大步。

（4）问题排查

在基于SDI信号的演播室系统中，系统的优点是明显的：系统逻辑清楚，故障节点容易排查，问题能够及时发现，及时解决。随着IP信号在演播室中越来越多的应用，素材很多都来源于网络。如果是电视台制作系统以外的素材，则取决于素材来源网络的稳定性和演播室外部网络是否顺畅连接。如果是台内系统之间的素材迁移，则很难判断问题节点的具体位置，这个问题可以有待相应软件进行解决。

7. 结束语

广电行业无论如何发展，坚持以先进技术为引领是内容为王的前提。二十年来，我们见证了从模拟到数字，从标清到高清，从文件取代磁带的变化，广电行业正在被发展迅猛的IT技术不断颠覆。当前，信息网络技术的迭代发展正在不断改变着媒体的格局。没有积极运用先进技术的意识和能力，就不能在激烈的媒体竞争中站稳脚跟。传统媒体技术人员只要克服技术恐慌、不断适应新技术的应用，就能在不断发展的全媒体环境下创建新的天地。