融媒體中心高清數(shù)字化制播系統(tǒng)構(gòu)建

鄭德強(qiáng)

（山東省日照市五蓮縣融媒體中心，山東 日照 262300）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)媒體正經(jīng)歷前所未有的融合變革。傳統(tǒng)廣播電視媒體與互聯(lián)網(wǎng)新媒體的深度融合，構(gòu)建了覆蓋面廣、傳播力強(qiáng)、互動性高的融媒體形態(tài)。五蓮縣融媒體中心通過整合和創(chuàng)新傳播技術(shù)、內(nèi)容和渠道，實(shí)現(xiàn)了“全媒體+”的發(fā)展模式。其中，構(gòu)建先進(jìn)的融媒體中心，推進(jìn)媒體數(shù)字化轉(zhuǎn)型，是傳媒業(yè)實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展的關(guān)鍵。融媒體中心是融合多種媒體功能于一體的現(xiàn)代化傳媒設(shè)施，集新聞采編、高清播出及監(jiān)控管理等功能于一體。構(gòu)建高效的數(shù)字化融媒體中心，不僅能夠提升制作播出效率，還可以實(shí)現(xiàn)跨屏傳播，豐富受眾的獲取渠道。研究構(gòu)建適應(yīng)融媒體時代發(fā)展的高清數(shù)字化制播系統(tǒng)，對推進(jìn)我國傳媒業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要意義。

1 融媒體中心高清數(shù)字化制播系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 視頻服務(wù)器技術(shù)

數(shù)字化制播系統(tǒng)中，視頻服務(wù)器發(fā)揮著處理和管理視頻資源的核心作用。從存儲架構(gòu)上看，視頻服務(wù)器通常采用網(wǎng)絡(luò)附加存儲或者存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過磁盤陣列方式實(shí)現(xiàn)大容量穩(wěn)定存儲，使用RAID 5、RAID 6 等磁盤陣列冗余技術(shù)。在視頻編解碼模塊方面，視頻服務(wù)器一般會集成圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），利用其并行計算能力，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的視頻編解碼算法處理，支持H.264、H.265 等主流編碼標(biāo)準(zhǔn)[1]。為降低編碼過程中的延遲，也可采用基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)的硬件編碼方案。視頻編解碼模塊還需要承擔(dān)視頻格式轉(zhuǎn)換、圖像處理等功能。

1.2 編解碼技術(shù)

數(shù)字化制播系統(tǒng)中，視頻編碼與解碼技術(shù)負(fù)責(zé)壓縮數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量，以優(yōu)化傳播效率。目前，業(yè)界主流的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是H.264 和H.265。H.264標(biāo)準(zhǔn)利用時域上的運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)檢測視頻序列相鄰幀之間的運(yùn)動變化，進(jìn)行差分編碼來減少冗余信息，還使用空域變換與量化算法進(jìn)一步消除靜態(tài)圖像中的冗余信息，經(jīng)過熵編碼形成壓縮編碼比特流。為應(yīng)對高清視頻壓縮編碼帶來的巨大計算需求，編碼設(shè)備中會部署GPU 甚至FPGA 進(jìn)行硬件加速。

1.3 信號交換與控制技術(shù)

高效穩(wěn)定的信號交換與智能化控制技術(shù)是保證多個信號源實(shí)現(xiàn)靈活配置的關(guān)鍵。矩陣式交換機(jī)可以提供大量輸入和輸出接口，并在任意端口之間建立自由的信號連接和傳輸，實(shí)現(xiàn)非阻塞式的交換功能。針對視頻信號，數(shù)字視頻路由器是矩陣交換機(jī)的一個重要應(yīng)用，需要具備支持未來4K 甚至8K超高清視頻格式的接口模塊，比如3G、12G-SDI 等。內(nèi)部矩陣與交換通路需要提供足夠大的信號傳輸帶寬，并考慮具備128×128 乃至更大規(guī)模的矩陣結(jié)構(gòu)，以滿足數(shù)百路高清信號的自由切換需求[2]。

2 總體框架

融媒體中心高清數(shù)字化制播系統(tǒng)的構(gòu)建，需要從總體上規(guī)劃和設(shè)計系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)未來業(yè)務(wù)需求的變化和技術(shù)的發(fā)展。基于此，本研究構(gòu)建了臺網(wǎng)分離、采編播出分離的高清數(shù)字制播系統(tǒng)總體框架，可劃分為采編子系統(tǒng)、播出子系統(tǒng)和質(zhì)量監(jiān)控子系統(tǒng)3 個較大的組成部分，如表1 所示。

表1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計表

2.1 采編子系統(tǒng)

采編子系統(tǒng)承擔(dān)新聞文字、圖片、音頻及視頻等多媒體內(nèi)容的采集編輯工作，是制播系統(tǒng)的“采集源頭”[3]。采編子系統(tǒng)主要包括新聞采編平臺、非線編平臺和統(tǒng)籌支撐平臺。新聞采編平臺用于實(shí)現(xiàn)新聞類文字、圖片、音頻和視頻內(nèi)容的采集編輯功能，能夠支持多種終端進(jìn)行采編操作，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的多平臺發(fā)布；非線編平臺主要面向某些包裝類的電視節(jié)目，提供二維和三維動畫、虛擬演播室等功能；統(tǒng)籌支撐平臺實(shí)現(xiàn)對包括采編在內(nèi)的各類資源的統(tǒng)一管理、計劃管理、具體任務(wù)的系統(tǒng)派發(fā)等功能，起到系統(tǒng)調(diào)度和支撐的作用。

2.2 播出子系統(tǒng)

播出子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將采編子系統(tǒng)制作完成的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)化管理、調(diào)度和播出，是內(nèi)容的“發(fā)布端”。播出子系統(tǒng)包含甲方播出平臺和乙方播出平臺。甲方播出平臺主要負(fù)責(zé)統(tǒng)籌管理和調(diào)度各個綜合頻道的內(nèi)容播出，乙方播出平臺則專注負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各個專業(yè)頻道的內(nèi)容播出管理。播出子系統(tǒng)通過高端矩陣式視頻音頻信號交換機(jī)，能夠獲取各類信號源內(nèi)容，并按照規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行信號切換，最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的播出發(fā)布。系統(tǒng)還提供主備冗余機(jī)制，在主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時快速切換到備用系統(tǒng)，確保電視節(jié)目內(nèi)容的持續(xù)不間斷播出。

2.3 監(jiān)控子系統(tǒng)

監(jiān)控子系統(tǒng)在總控制室通過設(shè)立大屏幕視頻墻，能夠全面監(jiān)控信號源狀態(tài)、播出鏈路情況以及各類系統(tǒng)操作情況，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)視和管理。監(jiān)控系統(tǒng)還可設(shè)立預(yù)警機(jī)制，在檢測到系統(tǒng)故障時快速定位并展開處理，最大限度地減少故障對系統(tǒng)運(yùn)營的影響。該高清數(shù)字化制播系統(tǒng)采用先進(jìn)的IP 化網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)，使用千兆光纖技術(shù)打造系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)形聯(lián)網(wǎng)，支持系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間的快速互聯(lián)互通，最終實(shí)現(xiàn)超高清4K 制作和播出效果[4]。

3 功能模塊

3.1 采編模塊

采編模塊主要完成從采集素材到產(chǎn)出成品節(jié)目內(nèi)容的整個過程。采集單元支持多種格式信號的數(shù)字化采集，選用配備12G-SDI 接口的專業(yè)設(shè)備，滿足未來4K 超高清信號的采集需求。編輯單元選用配置至少12 核中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、64 GB 內(nèi)存以及獨(dú)立顯存不小于8 GB的專業(yè)級別圖形處理卡的終端機(jī)，確保終端機(jī)有足夠的計算處理能力，安裝支持4K 格式視頻編輯的專業(yè)非線性編輯軟件，應(yīng)對超高清素材的剪輯和特效制作等需求，模塊包含超高清（Ultra High Definition，UHD）分辨率下中英文文字幕的嵌入解決方案，三維動畫虛擬場景的渲染功能，以及通過視頻復(fù)合器實(shí)現(xiàn)多路畫面混合輸出的功能。

3.2 內(nèi)容播出模塊

內(nèi)容播出模塊解決編碼、傳輸和信號分配等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的穩(wěn)定播出，部署支持HEVC/H.265 標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)硬件編碼器，配套千兆以太網(wǎng)技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，通過二層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)，應(yīng)對大并發(fā)高清點(diǎn)播產(chǎn)生的帶寬需求。模塊選用具備128×128 大矩陣規(guī)模的高端數(shù)字視頻路由器，實(shí)現(xiàn)多路4K 信號的自由切換和分配功能。冗余設(shè)計的主備播出控制系統(tǒng)，確保播出調(diào)度的可靠性。

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控模塊

系統(tǒng)監(jiān)控模塊基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計與智能算法，監(jiān)測各類信號質(zhì)量指標(biāo)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，具備故障智能識別與快速預(yù)警功能，通過集中式運(yùn)維管理平臺，提供全局化的監(jiān)控與輔助決策能力。

4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)字化制播系統(tǒng)作為一個龐大的傳媒集成平臺，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能表現(xiàn)和可靠性。網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計目標(biāo)是：支持系統(tǒng)內(nèi)高速互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)資源共享，保證播出業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。為達(dá)到上述目標(biāo)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分層設(shè)計的思路。

4.1 網(wǎng)絡(luò)核心層

網(wǎng)絡(luò)核心層使用以40 Gb·s-1高速交換機(jī)為核心的二層地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）架構(gòu)，不同功能子網(wǎng)通過匯聚層交換機(jī)匯聚接入。各功能子網(wǎng)打通按需分配網(wǎng)絡(luò)資源的能力，實(shí)現(xiàn)頻道間的動態(tài)帶寬分配，可以根據(jù)實(shí)時業(yè)務(wù)需求合理調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源。采用冗余結(jié)構(gòu)的匯聚設(shè)備和交換設(shè)備，并啟用競爭負(fù)載均衡和聚合鏈路技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用效率，保證核心層的高可用性。

4.2 系統(tǒng)接入層

系統(tǒng)接入層部署1 Gb·s-1網(wǎng)絡(luò)接口，通過光纖接入?yún)R聚層交換機(jī)。關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)如播出系統(tǒng)接入至少2 個獨(dú)立的匯聚設(shè)備實(shí)現(xiàn)冗余保護(hù)。采用針對媒體數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）智能化流量控制技術(shù)[5]，區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級，保證播出流量的優(yōu)先傳輸。接入層端口啟用流量控制和風(fēng)暴控制功能，防止大流量突發(fā)對網(wǎng)絡(luò)的沖擊。現(xiàn)場區(qū)域采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)部署，通過光纖傳輸與核心層、匯聚層連接，保證高清視頻、音頻信號源的實(shí)時傳輸，具備熱備插拔的網(wǎng)絡(luò)接口模塊，支持在線熱插拔。設(shè)備與匯聚層的鏈路可以在線無縫切換，確保核心業(yè)務(wù)的不間斷運(yùn)行。

5 結(jié)語

數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展為媒體行業(yè)帶來了深刻變革。傳統(tǒng)的模擬制播方式正在逐步被數(shù)字化方案所取代，媒體組織也在積極推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來數(shù)字制播系統(tǒng)將向更智能化、服務(wù)化和個性化方向發(fā)展，為受眾提供更豐富、便捷的內(nèi)容服務(wù)。制播系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個長期而復(fù)雜的過程，需要業(yè)內(nèi)持續(xù)學(xué)習(xí)新技術(shù)、汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，以不斷提高數(shù)字化應(yīng)用水平，共同努力推動數(shù)字媒體技術(shù)在廣電行業(yè)的創(chuàng)新與應(yīng)用。