北京電視臺IP化數據流交換系統的設計與實現

文/朱江

引言

近年來，隨著傳統電視臺向IP化的轉型和過渡的趨勢，電視媒體不斷利用互聯網、移動通信網的技術平臺擴展自身媒體屬性，拓展了一系列基于流媒體技術的如IPTV、網站、移動端等新媒體平臺產品。我臺在這方面也進行了大力發展和研究，在此發展趨勢的大背景下，目前在臺內構建一套基于IP流的統一交互平臺就顯得尤為必要。通過該系統，將我臺自有IP流、外來直播流和其他流資源進行統一匯聚，并通過IP化切換矩陣和IP實時流轉碼技術 ，實現實時流的調度和多平臺分發功能。滿足臺內外各業務平臺多樣化的內容需求，為后期的全臺IP化改造和IP運營提供技術支持。

1.需求分析

本系統的建設目的和設計初衷是以基于IP化實時流轉碼技術架構為支撐，以我臺自有本地信源、直播流等視音頻內容源為基礎，輔以其他外部流資源，通過IP化切換矩陣，實現實時流調度分發，并根據需求進行分布式實時轉碼，疊加臺標、字幕等內容，滿足IPTV、網站以及其他第三方平臺多樣化的內容直播需求。其系統需求如下：

1.1 構建IP實時流統一匯聚平臺

將目前北京電視臺、IPTV集控平臺與新聞制作平臺中的IP直播內容和未來需要接入的IP直播信號進行統一匯聚，提供一種標準的IP實時流接入手段。

1.2 構建IP實時流統一調度平臺

將匯聚的全臺IP流實時信號進行統一調度與分配，便于電視臺、IPTV集控平臺和相關新媒體演播室的直播內容調用。

1.3 構建IP實時流統一發布平臺

通過IP流集中調度系統實現對全臺IP直播信號的輪詢監控，并通過與其掛接的直播實時轉碼系統，實現IP信號的按需轉碼發布，實現對目前系統對于直播信號的字幕疊加、LOGO疊加與相關協議、碼率與格式的適配支持。

2.解決方案

根據北京電視臺網絡現狀進行整體IP流系統架構和功能設計，我們將整個系統分為內容匯聚和調度系統、多屏轉碼系統及發布節點監控系統。

從臺內和臺外各類SDI/IP信號匯聚，經由IP調度管理后，提供標準IP信號到轉碼集群，然后經由轉碼集群轉碼為適合多屏業務發布的格式，提供到發布平臺?？傮w框架如圖1所示。

圖1 總體業務架構圖

從業務功能層面設計，本平臺主要體現在：

保持臺內現有網絡架構體系，只針對IPTV輸出端進行信號對接。

更多考慮IP運營機制，將IP調度平臺輸出的多格式碼率信號推送給更多業務平臺應用（如互聯網媒體、內容制作外包服務商、IP信源分析、OTT平臺等） 。

設置多個外場信號接口，外場信源可直接將信號投入矩陣，經矩陣調度，可將實時信號推送給臺內播控平臺。

靈活自由的播控管理功能，可自動或手動編單，按照規定時間節點自動完成播出任務 。

采用IP矩陣調度管理和編轉碼集群分開管理模式。管理都采用B/S架構，并可根據臺內實際網絡情況靈活配置。

針對IP矩陣調度后的發布節點進行監控。采用多畫面內容監看報警和IP碼流分析報警模式。

從技術角度進行設計，本平臺部署位于北京電視臺智慧媒體網絡域，與智慧媒體核心交換機直接互聯，同時，借助于臺內互聯網出口，與臺外信號進行輸入輸出交互，形成單播、組播在臺內網的混合傳輸模式，滿足IP信源在臺內、外的輸出以及系統本身信令管理的目的。系統主要包含“內容匯聚與調度管理”“多屏轉碼集群”“發布節點監看和監測”三個主要子系統。針對以上三個子系統，以下解決方案中將分別進行闡述（如圖2）。

圖2 總體技術框架圖

2.1 內容匯聚和調度系統

系統可適配各類IP信號和SDI信號匯聚，轉換為指定IP流格式，通過圖形化界面，實現信號調度和切換管理，達到IP流實時切換和IP地址/端口的重定向，輸出到指定多屏轉碼集群。采用分布式調度節點服務的方式。該模式特點是對基礎網絡交換機本身沒有嚴格要求，理論可適配目前臺內以及市場上的所有主流交換設備。同時，調度管理服務本身，可根據業務需要，無限制地調整調度節點數量，以實現業務的擴容。對未來可能增加的其他業務調度格式，也可無縫適配。支持SDI信號和IP信號內容匯聚。IP信號支持格式多樣，包括HD/SD-SDI信號、IP信號，封裝格式（HTTPRTPUDP）和編碼格式（TS壓縮，H.264/Mpeg2 video，Mp3/AAC/Mpga audio ）。

2.1.1 多格式適配

表1 IP調度多格式適配

2.1.2 雙切換模式

系統包含5臺服務器，一臺中心管控，四臺節點調度。一臺節點調度服務器最大支持4路無縫切換或者20路有縫切換。目前，系統支持80路有縫切換和16路無縫切換模式，兩種切換模式可根據實際業務需求調換各自比重（如圖3）。

圖3 切換流程示意圖

兩種切換模式即“無縫切換”和“有縫切換”，“無縫切換”即傳統播出中所說的零幀切換，由于在流匯聚過程中進行了流編碼，所以，此種模式是基于I幀的切換，效果等同于傳統播出切換?！坝锌p切換”在流匯聚過程中不進行流編碼，故做不到零幀切換，切換時長在1秒鐘左右。在實際使用中，可根據業務需要配置各調度節點，采用“有縫”或是“無縫”，且日后可以隨時更改各調度服務器，進行“有縫”&“無縫”間業務模式轉換。

表2 切換模式對比表

“無縫切換”模式主要面向在線直播應用。頻道節目間切換可無縫處理。“有縫切換”主要面對收錄，或非頻繁切換的在線節目調度使用。

兩種切換模式均具備自動墊片功能，墊片素材可以是視頻和圖片。具體兩種切換模式對比如表2。

2.1.3 編排管理

系統的編排管理模塊是用來將匯聚進來的IP信號進行手動或自動編排，提供節目編單功能，并提供對外接口，支持節目單的上載和導出，滿足節目編單和自動調度處理的業務需求。

2.1.3.1 自定義播出時間控制

自定義時間線，調整輸入輸出播出控制，自動生成表單，按自定義時間編排播出，主要應用于應急活動，如外場信號接入，突發信源接入。操作靈活，應急性高。可直接投放IPTV、手機網頁和演播室等多平臺推送。

2.1.3.2 節目單播出控制

支持編單功能，可按照節目單進行編單自動切換調度處理。支持B/S的Web管理界面。主要用于IP播控管理，系統支持手動編單管理，支持節目單自動導入功能，可與臺內播控系統對接。

2.1.3.3 開放式接口

提供開放API，可支持定制管理流程（根據時間線編單調度），也可與第三方管理系統對接。可支持編單系統，自動切換、頻道節目置換（如圖4）。

圖4 節目編單界面

2.1.4 流程展示

系統的調度操作界面設計為“棋盤格”式的可視化風格，將輸入信源和輸出信源以連線的方式表示調度路徑，并在調度鏈路展示實時畫面幀，供操作人員實時監看信號狀態。

單個調度節點為 20×20的可調度范圍，每個調度節點都可以獨立打開一個瀏覽器窗口，支持簡單的鼠標操作（如圖5）。

圖5 單臺調度節點節目展示

多個調度節點，集合成更大的Matrix，提供更多路的調度狀態顯示和操作（如圖6）。

圖6 多臺調度節點節目展示

2.2 多屏轉碼系統

多屏轉碼系統接收從IP內容匯聚與調度管理平臺提供的IP流，實時轉碼為業務人員指定的多屏多終端流格式。輸送到后端多屏播出平臺。本系統采用4臺編碼器實現相應的轉碼任務，共可完成15路高清節目及45路標清節目的1入3出轉碼，系統接收IP調度系統調度輸出的節目流，轉碼為下游平臺所需的多格式節目流，向下游交換機進行推送。系統同時配置1臺集群管理服務器，完成外部轉碼指令的接收及各臺在線轉碼服務器的任務調整及分配（如圖7）。

圖7 轉碼系統框架圖

2.2.1 “CPU+GPU”軟硬結合轉碼

獨有的“CPU+GPU”的軟硬件結合的組合編轉碼方案，實現了高速編轉碼和高質編轉碼，利用GPU的千核“并行數學運算”能力及獨有的硬件（CUDA）算法，提升轉碼效率，且保證質量，單機并發數可以大大提高，與CPU軟件解決方案相比，有明顯的效能優勢；與硬件編碼板卡相比，編碼質量更好，且更新更靈活。

2.2.2 支持豐富的輸入輸出流格式

豐富的輸入流協議，大幅擴展業務形態，便于開展直播節目匯聚TS Over UDP、TS Over HTTP、FLV Over HTTP、Apple HLS、RTSP、RTMP、SDI/HD-SDI、ASI；豐富的輸出流協議，真正支持多屏TS Over UDP、Apple HLS、MS Smooth Streaming、Adobe RTMP、Adobe HDS、ASI。

2.2.3 轉碼輸出能力及在線包裝

能夠在直播畫面的任何位置加入臺標、遮擋，加黑邊/去黑邊等，同時允許在Web控制臺的遠程實時預覽修改后的播放效果。支持實時預覽插件可實時直觀地對圖像處理效果及實時信源進行查看。本系統設定的輸入格式為：15路高清，H.264，1920*1080 ；45路標清，H.264，720*576 。輸出格式：15路高清，1920*1080 8Mbps碼流；1024*576 1.2Mbps碼流；640*360 800Kbps碼流； 45路標清輸出：720*576 2.5Mbps碼流；640*360 800Kbps碼流；640*360 500kbps碼流。

2.3 發布節點監控系統

對IP內容匯聚與調度平臺經過信號調度后，用于發布的IP信號，實現IP多畫面監看和IP碼流分析報警。

2.3.1 多畫面顯示監測報警

完成碼流解碼視音頻內容的實時監測報警、多畫面組合和碼流監測信息顯示等功能。支持色彩格式顯示、色彩格式異常報警、黑場、靜音、伴音靜幀、無伴音靜幀、音量過高、音量過低等故障、多畫面組合顯示、碼流監測信息顯示、全程錄像和故障觸發錄像，并可任意選擇TS over IP組播碼流，任意選擇節目，進行畫面組合監聽、監看和監測。本系統支持40路標清或8路高清H.264多畫面拼接監看（HDMI、DVI輸出）。

2.3.2 碼流監測探針系統

支持UDP、RTP、HTTP、RTMP、RTSP、HLS等傳輸協議，支持FLV、MP4、3GP、TS、MP2T、MP2T+RTP等封裝格式的流媒體質量監測。支持流媒體自動探測，自動發現網絡節點中所有正在發生的流媒體傳輸業務，準確識別各種協議類型，提取媒體URL、媒體響應時間、媒體時長等關鍵信息。支持MDI（RFC4445）、TR101 290指標分析，支持對單個流的深度分析，包括帶寬、PID、PSI/SI信息等。

3.系統特點與主要貢獻

整個系統根據實際使用情況來看，有以下幾個特點和貢獻：

眾所周知，傳統的SDI over IP 的解決方案目前在傳統電視制作和播出中還存在一定的困難。部署一套無壓縮的IP化傳輸系統并非一蹴而就，且與SDI相比，IP流在切換精度方面還有差距，網絡管理與協議處理也遠比SDI復雜。但是，本系統更偏向于在互聯網側開展應用，不涉及傳統電視的高碼率應用，在避免了上述問題的同時發揮了IP化的優勢，可復用臺內網絡基礎設施，且信號匯聚調度靈活、可伸縮，并與臺外互聯網資源實現有效融合。

IP化數據系統與我臺IPTV平臺相結合，可發揮更大優勢。IPTV作為目前IP流系統的主要輸入信號源，通過匯聚以及調度、轉碼可靈活地進行調配并輸送給臺內、臺外目標平臺和合作伙伴，同時滿足了傳統SDI傳送超高清（4K/8K）的要求。在IP化體系中，使電視臺傳送高清、超高清信號在傳輸帶寬的問題得到了解決。

IP化數據系統同時與其他平臺對接方便，調整快速靈活，降低了施工成本，基本做到只需解決網絡層面的問題即可投入使用。同時，與臺外第三方互聯網資源的接入，作為輸入信號上游反哺給臺內、IPTV等重要平臺，做到傳統廣電播出與互聯網播出的巧妙結合，使傳統電視資源、IPTV、互聯網視頻資源有效融合、良性循環。

此次的IP化數據交換系統秉承了傳統廣電的特點，具有高度的可靠性，同時兼具互聯網、新媒體快速、靈活、多變的特點。在現有系統規模下，系統設計考慮了較好的業務擴展的彈性，未來隨著業務規模不斷擴大，以本平臺為基礎可靈活擴容。同時，與臺外第三方、互利網公司鏈路、業務的打通，不僅為我臺嘗試探索了一條圍繞IP化的發展道路，而且為IP化可運營模式在臺內的落地做了一定程度的準備和鋪墊。

4.總結與展望

在廣電制播系統IP化的大背景下，在構建超高清制播系統需求的推動下，本系統的建成是對于行業內繼續使用SDI信號還是過渡到全IP技術的一次成功和有效的探索和嘗試，也是對我們現在面臨IP化改造過程中所遇到的困惑一些回答。我們會不斷地將新技術應用于電視臺技術系統改造中，以技術創新為業務穩定運行和持續發展服務。