Dante音頻網絡在大型影劇院中的集成研究

王冠男 常 樂

(1.北京電影學院影視實驗中心,北京100088)(2.北京電影學院影視技術系,北京 100088)

1 引言

隨著網絡技術的發展,越來越多的網絡技術出現在音視頻專業領域,近些年也出現了越來越多的AoIP (Audio Over Internet Protocol,音頻網絡協議),例如Livewire、AVB、Ravenna、Dante,音頻網絡協議也越來越多地在實際案例中得到應用。與傳統數字音頻系統不同的是,AoIP通過網絡進行傳輸,線纜鋪設成本低,網絡線纜可復用,架設靈活方便。Dante音頻網絡作為目前音頻網絡化領域中應用量最大的技術,得到了眾多廠家的支持,越來越多的調音臺與接口箱、外置音頻接口和軟件應用開始支持Dante。目前Dante音頻網絡技術已廣泛應用于會議、大型現場演出、影視后期制作、廣播電視臺等多個專業領域,但完全采用Dante作為核心架構的影劇院還不多見。

2 Dante音頻網絡

Dante是Audinate公司推出的音頻網絡協議,是眾多AoIP傳輸協議中的一種,也是目前音頻領域應用量最大的IP傳輸技術。繼傳統模擬音頻走向現代數字音頻之后,用工業網線代替現有傳統數字音頻線纜,正在逐步成為我國音頻線纜工業不可逆轉的發展趨勢。與傳統的音頻傳輸技術不同的是,Dante是在三層網絡基礎上進行傳輸,完全依托于三層網絡架構,音頻點對點路由可通過Dante Controller進行。Dante音頻網絡可同時傳輸時鐘信號,具有較高的精度,較為復雜的操作在專業音頻信號的傳輸上都可以實施。在千兆Dante音頻網絡中,每個單一鏈接可以雙向傳輸各512 路24Bit量化精度、48k Hz采樣率的音頻信號,或是各256路24Bit量化精度、96k Hz采樣率的音頻信號。

傳統劇院中的音頻架構多基于多通道數字音頻接口 (Multichannel Audio Digital Interface,MADI)技術,各點位接口箱與調音臺之間通過同軸線纜連接,單根同軸線纜能傳輸64路數字音頻,往往需要多根線纜才能滿足達到一定數量通道的傳輸,必須專線專用,通過調音臺進行信號路由分配,信號分布點位多為固定模式且與外部設備連接時必須配備MADI專業接口。在大型影劇院利用Dante音頻網絡技術通過普通的千兆網線即可實現各點位的數字音頻傳輸,信號路由方便,延遲小,網絡可復用,可通過Dante配套的Dante虛擬聲卡軟件實現普通電腦與Dante系統的互通,擴展性強,線路鋪設成本低。簡單來說,Dante用計算機網絡替代了之前繁雜的系統連接,可以輕松地通過以太網線纜以完美的保真度發送數百路音頻通道。

3 Dante音頻網絡在大型影劇院中的構架及應用

3.1 軟硬件條件

北京電影學院懷柔新校區影劇院采用了Dante音頻網絡作為核心架構,其中懷柔新校區E 區為影劇院區,分為E1和E2兩個區域。E1區域為8 廳影院,1層和3層為觀眾觀影廳,2層和4層為放映走廊機房。E2區域為劇院區,包括1個1200人大劇院(以下簡稱大劇院)和1個400人黑匣子劇場(以下簡稱黑匣子),E1和E2兩個區域共用同一棟樓體,影劇院音頻系統可互通直聯。大劇院按照鏡框式舞臺劇場建設,具備主舞臺、側舞臺、后舞臺、樂池等演出空間;后臺功能用房配備多個化妝間與服裝間;舞臺各專業用房與空間包括控制室、功放室、信號交換機房、調光硅室、馬道、柵頂等,并配備獨立直播間(Outside Broadcast,OB)。共涉及地下三層至地上四層,完全按照大型標準劇院設計,具備樓座與池座,最多可同時容納1200名師生。

3.2 總體架構

大劇院音響系統由調音臺、接口箱、無線話筒、有線樂器話筒、揚聲器、功率放大器、同期分軌錄音設備、現場周邊處理設備、其他配件9大部分組成。舞臺音響擴聲系統采用Dante音頻網絡技術作為大劇院和黑匣子音響擴聲系統的核心傳輸架構,在信號交換機房、功放室、OB 直播間和控制室安裝主備交換機,構成主備Dante系統,供這些房間內的音頻設備接入Dante網絡 (圖1)。設備選型方面選用具備Dante網絡音頻接口的設備,調音臺采用英國Solid State Logic Live系列,在不同點位與功能配套用房通過Dante網絡進行音頻信號的路由與傳輸。

圖1 音頻系統拓撲示意圖

由于劇場規模龐大,各機房間隔較遠,線管路由復雜,因此各機房間采用了光纖網絡通訊,而機房內的設備采用傳統網口與交換機進行通訊,保證了遠距離傳輸過程中的網絡可靠性。Dante音頻網絡規劃期間,部分主交換機的選型上配備萬兆交換機,在交換機上劃分出單獨的虛擬局域網 (Virtual Local Area Network,VLAN)將萬兆校園網就近接入Dante音頻網絡,實現Dante 音頻網絡的復用(圖2)。

圖2 Dante音頻網絡復用拓撲圖

3.3 應用與配置

除部分前端與末端設備外,絕大部分設備均采用Dante音頻網絡進行信號傳輸,因此需按照房間與區域對所有設備的IP地址進行劃分。Dante主系統采用200.10.1-7/21段,Dante 備系統采用200.20.1-7/21段,其中信號交換機房的主備交換機為核心交換機,主備交換機配置對應的虛擬局域網端口 (Virtual Local Area Network Interface,VLAN IF),主備交換機分別采用200.10.7.254/21和200.20.7.254/21作為整套Dante音頻網絡系統的網關。核心交換機與各機房交換機通過配置Trunk協議,傳輸指定的多個VLAN。

子網方面,在各個房間的IP地址規劃中采用了21段的子網配置,即255.255.248.0,該配置使子網內的IP地址第三位共包含8組,不同組之間處于同一個局域網內,不涉及組播路由,每個區域的設備采用獨立的IP地址段,便于管理和記憶(表1)。

表1 IP地址分區表

為滿足Dante音頻網絡復用的需求,將劇院區和影院區各機房內的工作站設備聯通,將萬兆校園網就近接入Dante主交換機,并協調網絡中心單獨劃分4個VLAN 用于影劇院和辦公室控制設備的聯通,便于未來遠程管理。對每臺交換機選擇一個VLAN 配置VLAN IF端口IP地址作為遠程管理地址,配置安全外殼協議(Secure shell,SSH)服務,可對交換機進行遠程管理(表2)。

表2 Dante音頻網絡復用匯總

劇院區、影院區、辦公區通過區域匯聚交換機實現連通,劇院區選擇在OB 直播間以萬兆單模的形式接入劇院Dante主網絡,再通過Dante主網絡將6個獨立的VLAN 傳輸至大劇院控制室、功放室、信號交換機房和黑匣子控制室。影院區選擇在放映走廊核心機柜以萬兆單模的形式接入影院網絡,通過影院網絡將8個獨立的VLAN 傳輸至8個影院機房。辦公區通過就近的弱電間接入萬兆網絡匯聚,傳輸6個獨立的VLAN,為所有終端設備的遠程控制、跨場地直播、多場地錄音等創造條件 (圖3)。

圖3 影劇院與辦公區交換機連接示意圖

在Dante音頻網絡的應用中,遇到跨場地直播或錄音時,需注意音頻系統的時鐘同步問題。當各個終端的Dante設備對信號進行模數轉換時,時鐘的不同步可能會直接帶來系統的噼啪噪聲?？紤]到影劇院的常規使用習慣,可將一臺接口箱在正常使用周期內(通常為一個演出周期)處于長期供電開啟狀態,并作為整個Dante音頻網絡系統的主時鐘,其余Dante設備一律跟隨該設備(圖4)。

圖4 Dante Controller中的時鐘選擇

在多場地共用OB直播間的情況下,應通過OB直播間的交換機將多個場地的Dante網絡進行隔離(圖5)。通常情況下,各場地采用各自的時鐘,場地內的調音臺只能識別到該場地Dante系統中的設備,以避免多個場地設備互串引起誤操作。當需要多個場地共用信號源或多場地同步直播時,再將OB直播間內對應的交換機端口打開,把多個場地的Dante音頻網絡連通,整個Dante音頻網絡共用同一個時鐘源。

圖5 多個場地連接端口的隔離

除Dante音頻網絡自身的時鐘外,還要考慮音頻系統與其他專業系統之間的時鐘同步問題?？稍诳刂剖覂仍黾右慌_廣電級主時鐘,時鐘源采用Dante音頻網絡系統時鐘,同步輸出720/50P 的Tri-Level三電平時鐘和625/50i的Black Burst黑場時鐘給視頻系統,保證音視頻系統的時鐘基準同步(圖6)。

圖6 音視頻系統的時鐘同步

通過Dante音頻網絡進行多軌錄音是影劇院中最為常見的應用場景。當需要進行多軌錄音時,通過Dante Controller對調音臺上的軌道和工作站內的軌道進行配對 (圖7),再通過Dante虛擬聲卡軟件或外置的Dante聲卡即可錄制多軌高質量數字音頻。

圖7 DanteController對錄音軌道的配對

在預留了獨立OB 直播間的場地內,應配備專業音頻接口和音頻工作站,并根據直播的需求配備杜比全景聲渲染器 (Dolby Atmos Master Suite,DAMS)以支持128軌Dante音頻錄制和5.1.4全景聲編碼與還放(圖8)。OB制作時,OB調音臺可在OB直播間接入整個Dante音頻網絡,與對應的Dante音頻接口箱直接進行信號路由,實現獨立的錄音與混音。

圖8 OB直播間內的5.1.4還音系統與DAMS渲染器

音頻系統的安全性是實時演出中最為重要的一部分,首先應考慮的是Dante音頻網絡傳輸的備份。Dante音頻網絡中的所有硬件設備均具備Dante Pri和Dante Sec接口,每臺設備的Dante主備接口接入對應的主備交換機獨立傳輸。當系統中的任意設備主接口斷開或主網絡癱瘓時,備系統會自動接入,實現冗余熱備份,保證整套Dante音頻網絡在信號傳輸過程中的可靠性與穩定性。

其次要考慮調音臺端備份。調音臺作為整套音頻系統的核心設備,采用主備調音臺非常必要 (圖9)。多張調音臺的配置即可作為主備使用,也可作為擴展使用。當作為主備調音臺使用時,兩張調音臺要使用同一個Show 文件,每個通道的信號源相同,均從Dante音頻網絡中取信號。在輸出端的配置上,主備調音臺輸出至功放端的Dante路由不同,主調音臺使用功放的Dante 1-4通道,備調音臺使用功放的Dante 5-8通道。當主調音臺出現故障時,可通過功放管理軟件自動無縫切換至功放Dante 5-8通道,實現主備調音臺的切換。

圖9 主備調音臺

最后,要考慮的是功放端的備份。具備Dante接口的功放通常還具備4個通道的模擬輸入接口?？稍诠Ψ攀遗鋫鋯为毜慕涌谙?功放可通過模擬輸入接口從接口箱直接取信號,在功放端Dante主備接口都出現故障時多一層保障。

3.4 小結

Dante是當前AoIP技術里較為成熟與穩定的傳輸協議之一,通過網絡傳輸音頻最大的優勢在于路由靈活方便,布線簡單可復用,成本低。通過以上配置,得出以下幾點結論:

(1)Dante音頻網絡是基于三層網絡傳輸。要解決各房間之間的網絡傳輸基礎問題,需要將架構搭建穩固。尤其是在網絡復用的情況下,一定要提前做好VLAN 的劃分和IP 地址及網關的規劃。多層疊加的交換機會增加Dante系統的延時,需要更好地掌握系統延時,把控交換機的設置。

(2)在大型影劇院中應用Dante音頻網絡技術一定要采用主備交換機,要杜絕主網絡與備網絡互通,要注意交換機上下級連接端口的傳送內容,避免非必要VLAN 的傳輸。

(3)在多個場地共用Dante音頻網絡的情況下,要注意各場地之間的網絡隔離,防止某個場地對其他場地的網絡造成影響。

(4)音視頻系統中的時鐘要固定,Dante音頻網絡的時鐘和傳統的字時鐘、三電平、黑場同步要統一源頭。實際使用時需要根據場地的運行情況和使用規律進行配置,應在每個機房內設置一臺常供電設備,保證Dante音頻網絡的正常運行。當多場地組成互連系統時,要統一時鐘,避免多個時鐘的出現。

4 結語

隨著網絡技術的提升與不斷發展,通過網絡傳輸音頻的可靠性與穩定性也大幅提升,越來越多的網絡音頻技術開始應用于專業視聽場所。Dante音頻技術通過一條網線就可以實現數字音頻信號和眾多控制信號的高質量低延時傳輸,極大程度減少了額外的布線,一方面節約了建設成本和勞動成本,另一方面也降低了維護難度。

但同時由于Dante音頻網絡系統基于三層網絡架構,需要音頻系統工程師具備一定的網絡基礎知識和交換機配置能力,便于充分發揮網絡架構優勢,更好地實現系統需求。相信在技術不斷發展的未來,Dante音頻網絡會在更多的專業視聽場所內大放異彩。