融媒体中心高清数字化制播系统构建

郑德强

（山东省日照市五莲县融媒体中心，山东 日照 262300）

0 引言

随着互联网、大数据、云计算等信息技术的迅猛发展，传统媒体正经历前所未有的融合变革。传统广播电视媒体与互联网新媒体的深度融合，构建了覆盖面广、传播力强、互动性高的融媒体形态。五莲县融媒体中心通过整合和创新传播技术、内容和渠道，实现了“全媒体+”的发展模式。其中，构建先进的融媒体中心，推进媒体数字化转型，是传媒业实现融合发展的关键。融媒体中心是融合多种媒体功能于一体的现代化传媒设施，集新闻采编、高清播出及监控管理等功能于一体。构建高效的数字化融媒体中心，不仅能够提升制作播出效率，还可以实现跨屏传播，丰富受众的获取渠道。研究构建适应融媒体时代发展的高清数字化制播系统，对推进我国传媒业数字化转型具有重要意义。

1 融媒体中心高清数字化制播系统构建的关键技术

1.1 视频服务器技术

数字化制播系统中，视频服务器发挥着处理和管理视频资源的核心作用。从存储架构上看，视频服务器通常采用网络附加存储或者存储区域网络技术，通过磁盘阵列方式实现大容量稳定存储，使用RAID 5、RAID 6 等磁盘阵列冗余技术。在视频编解码模块方面，视频服务器一般会集成图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU），利用其并行计算能力，实现高效稳定的视频编解码算法处理，支持H.264、H.265 等主流编码标准[1]。为降低编码过程中的延迟，也可采用基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技术的硬件编码方案。视频编解码模块还需要承担视频格式转换、图像处理等功能。

1.2 编解码技术

数字化制播系统中，视频编码与解码技术负责压缩数字视频的数据量，以优化传播效率。目前，业界主流的视频编码标准是H.264 和H.265。H.264标准利用时域上的运动补偿技术检测视频序列相邻帧之间的运动变化，进行差分编码来减少冗余信息，还使用空域变换与量化算法进一步消除静态图像中的冗余信息，经过熵编码形成压缩编码比特流。为应对高清视频压缩编码带来的巨大计算需求，编码设备中会部署GPU 甚至FPGA 进行硬件加速。

1.3 信号交换与控制技术

高效稳定的信号交换与智能化控制技术是保证多个信号源实现灵活配置的关键。矩阵式交换机可以提供大量输入和输出接口，并在任意端口之间建立自由的信号连接和传输，实现非阻塞式的交换功能。针对视频信号，数字视频路由器是矩阵交换机的一个重要应用，需要具备支持未来4K 甚至8K超高清视频格式的接口模块，比如3G、12G-SDI 等。内部矩阵与交换通路需要提供足够大的信号传输带宽，并考虑具备128×128 乃至更大规模的矩阵结构，以满足数百路高清信号的自由切换需求[2]。

2 总体框架

融媒体中心高清数字化制播系统的构建，需要从总体上规划和设计系统的框架结构，以适应未来业务需求的变化和技术的发展。基于此，本研究构建了台网分离、采编播出分离的高清数字制播系统总体框架，可划分为采编子系统、播出子系统和质量监控子系统3 个较大的组成部分，如表1 所示。

表1 系统总体框架设计表

2.1 采编子系统

采编子系统承担新闻文字、图片、音频及视频等多媒体内容的采集编辑工作，是制播系统的“采集源头”[3]。采编子系统主要包括新闻采编平台、非线编平台和统筹支撑平台。新闻采编平台用于实现新闻类文字、图片、音频和视频内容的采集编辑功能，能够支持多种终端进行采编操作，实现内容的多平台发布；非线编平台主要面向某些包装类的电视节目，提供二维和三维动画、虚拟演播室等功能；统筹支撑平台实现对包括采编在内的各类资源的统一管理、计划管理、具体任务的系统派发等功能，起到系统调度和支撑的作用。

2.2 播出子系统

播出子系统负责将采编子系统制作完成的内容进行系统化管理、调度和播出，是内容的“发布端”。播出子系统包含甲方播出平台和乙方播出平台。甲方播出平台主要负责统筹管理和调度各个综合频道的内容播出，乙方播出平台则专注负责系统内各个专业频道的内容播出管理。播出子系统通过高端矩阵式视频音频信号交换机，能够获取各类信号源内容，并按照规划目标进行信号切换，最终实现内容的播出发布。系统还提供主备冗余机制，在主系统出现故障时快速切换到备用系统，确保电视节目内容的持续不间断播出。

2.3 监控子系统

监控子系统在总控制室通过设立大屏幕视频墙，能够全面监控信号源状态、播出链路情况以及各类系统操作情况，实现对整个系统的统一监视和管理。监控系统还可设立预警机制，在检测到系统故障时快速定位并展开处理，最大限度地减少故障对系统运营的影响。该高清数字化制播系统采用先进的IP 化网络平台架构，使用千兆光纤技术打造系统内部的环形联网，支持系统内各组成部分之间的快速互联互通，最终实现超高清4K 制作和播出效果[4]。

3 功能模块

3.1 采编模块

采编模块主要完成从采集素材到产出成品节目内容的整个过程。采集单元支持多种格式信号的数字化采集，选用配备12G-SDI 接口的专业设备，满足未来4K 超高清信号的采集需求。编辑单元选用配置至少12 核中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、64 GB 内存以及独立显存不小于8 GB的专业级别图形处理卡的终端机，确保终端机有足够的计算处理能力，安装支持4K 格式视频编辑的专业非线性编辑软件，应对超高清素材的剪辑和特效制作等需求，模块包含超高清（Ultra High Definition，UHD）分辨率下中英文文字幕的嵌入解决方案，三维动画虚拟场景的渲染功能，以及通过视频复合器实现多路画面混合输出的功能。

3.2 内容播出模块

内容播出模块解决编码、传输和信号分配等任务，实现内容的稳定播出，部署支持HEVC/H.265 标准的专业硬件编码器，配套千兆以太网技术的传输网络平台，通过二层网络交换机实现内容分发，应对大并发高清点播产生的带宽需求。模块选用具备128×128 大矩阵规模的高端数字视频路由器，实现多路4K 信号的自由切换和分配功能。冗余设计的主备播出控制系统，确保播出调度的可靠性。

3.3 系统监控模块

系统监控模块基于数据统计与智能算法，监测各类信号质量指标、设备运行状态，具备故障智能识别与快速预警功能，通过集中式运维管理平台，提供全局化的监控与辅助决策能力。

4 网络架构

数字化制播系统作为一个庞大的传媒集成平台，其网络架构的设计直接关系到系统的性能表现和可靠性。网络部分的设计目标是：支持系统内高速互联互通，实现资源共享，保证播出业务的稳定性。为达到上述目标，系统网络架构采用分层设计的思路。

4.1 网络核心层

网络核心层使用以40 Gb·s-1高速交换机为核心的二层地理信息系统（Geographic Information System，GIS）架构，不同功能子网通过汇聚层交换机汇聚接入。各功能子网打通按需分配网络资源的能力，实现频道间的动态带宽分配，可以根据实时业务需求合理调配网络资源。采用冗余结构的汇聚设备和交换设备，并启用竞争负载均衡和聚合链路技术，提高网络带宽利用效率，保证核心层的高可用性。

4.2 系统接入层

系统接入层部署1 Gb·s-1网络接口，通过光纤接入汇聚层交换机。关键业务系统如播出系统接入至少2 个独立的汇聚设备实现冗余保护。采用针对媒体数据流的服务质量（Quality of Service，QoS）智能化流量控制技术[5]，区分业务优先级，保证播出流量的优先传输。接入层端口启用流量控制和风暴控制功能，防止大流量突发对网络的冲击。现场区域采用千兆以太网技术部署，通过光纤传输与核心层、汇聚层连接，保证高清视频、音频信号源的实时传输，具备热备插拔的网络接口模块，支持在线热插拔。设备与汇聚层的链路可以在线无缝切换，确保核心业务的不间断运行。

5 结语

数字化技术的飞速发展为媒体行业带来了深刻变革。传统的模拟制播方式正在逐步被数字化方案所取代，媒体组织也在积极推进数字化转型。随着技术的不断进步，未来数字制播系统将向更智能化、服务化和个性化方向发展，为受众提供更丰富、便捷的内容服务。制播系统的数字化转型是一个长期而复杂的过程，需要业内持续学习新技术、汲取经验教训，以不断提高数字化应用水平，共同努力推动数字媒体技术在广电行业的创新与应用。