IP 時代下的電視播出系統架構思考

吳世佳

（?？趶V播電視臺，海南 海口 570126）

0 引言

隨著20 世紀80 年代末電視由模擬向數字化轉變，串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）在電視系統中幾乎無處不在，隨之而來的是電視行業最繁榮的時期。2010 年后，隨著互聯網技術、信息技術（Information Technology，IT）的蓬勃發展，4K、8K 超高清技術的出現及基于網際互連協議（Internet Protocol，IP）網絡的傳輸標準日益完善，電視系統傳統的SDI 技術架構在帶寬、互聯網應用、資源的靈活配置等方面顯得越來越力不從心。而面向互聯網的IP 技術、虛擬化技術、云技術以海量的帶寬、算力、存儲資源池、靈活的業務部署方式以及多樣的兼容性為電視播出系統的架構提供了新的思路。

電視系統傳統的SDI 架構具有延遲低、無壓縮、低抖動、基于幀的切換以及設備連接簡單等優點，但其在建設成本、帶寬、傳送距離及智能化等方面相較于日益成熟的IP 技術架構處于劣勢。面向互聯網的IP 技術具有海量的帶寬、多樣的兼容性、高可擴展性、靈活的數據交換方式以及布線簡單等特點。目前，信號IP 壓縮編碼方式及基于IP 網絡的傳輸標準日益成熟、完善。2022 年，北京冬奧會實現了全球首次“云上奧運”，是電視轉播的一次重大技術進步。因此，電視播出系統架構從SDI 向全IP 架構轉變，全IP 架構電視播出和IP 化的云播出共存，將是電視播出系統架構的趨勢。本文將對電視播出系統架構的過去、現在、未來進行說明分析，引出大家對今后電視播出系統架構選擇的更深層次的思考。

1 電視播出系統架構的過去——傳統SDI 架構

SDI 架構是電視人的老朋友。隨著20 世紀80 年代末電視由模擬向數字化轉變，它在電視系統中幾乎無處不在，成為當時電視播出系統的典型架構。SDI 是基于電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）串行鏈路標準，通過75 Ω 同軸電纜傳輸未壓縮的數字視頻的一種實時傳輸系統[1]。由于SDI 接口中傳輸的是無壓縮的串行數字信號，因此壓縮數字信號要進入SDI 系統，必須經過解壓才能進入。SDI 接口可簡單地分為SD-SDI（270 Mb·s-1，SMPTE 259M）、HD-SDI（1.485 Gb·s-1，SMPTE 292M）、3G-SDI（2.97 Gb·s-1，SMPTE 424M）、12G-SDI（12 Gb·s-1，SMPTE ST-2082）。SDI 的優點在于使用同軸電纜進行未壓縮的原始視頻數據的實時傳輸，真實呈現畫質無損的視頻內容，保證圖像的實時性。現行SDI 接口標準的對比如表1 所示。

表1 現行SDI 接口標準對比

一個傳統SDI 架構高標清同播的電視播出系統如圖1 所示，切換臺是核心，播出控制機通過控制切換臺切換播出服務器信號、總控矩陣信號、中國中央電視臺（China Central Television，CCTV）衛星或同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）信號，墊片信號等信號源，輸出節目信號（Program，PGM）通過帶等響度功能二選一開關給主備高清編碼器后，經復用器送下游傳輸單位。切換臺Clean 口信號經下變換器，做標清同播，同時切換臺還負責上臺標、上鍵的工作。PGM、預置（Preset，PST）、CLEAN 等信號通過視分分配去多畫面系統。技術人員通過多畫面對系統中不同點信號進行實時監看，就可以準確地判斷系統故障所在，從而快速地解決電視播出遇到的問題。這種傳統HD-SDI 架構的電視播出系統具有以下特點：實時傳輸視頻信號，保證圖像的實時性；固有的近乎即插即用功能使得系統的建設更加輕松、安全；電纜和設備的可靠性高，使得整個系統具有相當高的可靠性；測量和系統診斷工具成熟，系統出現致命故障的風險極低。SDI 就是憑借這些優秀的特性，引領電視播出系統架構數十載。

圖1 傳統SDI 架構高標清同播系統圖

2 電視播出系統架構的現在——SDI與IP 的融合

隨著我國廣播電視全面進入4K/8K 時代，SDI已逐漸不能滿足4K/8K 化制播所要求的高幀率、高碼率、寬色域等帶來的低延遲、高帶寬的要求。同時，伴隨著互聯網技術的不斷發展，相關設備的不斷成熟，新媒體的不斷拓展、高清化網絡制播的發展，以SDI 為基礎架構的制播體系已難以滿足廣播電視中心未來技術發展和業務擴展的需求。實現制播架構的IP化，將IP技術與SDI技術相互融合，勢在必行[2]。SMPTE ST 2022 及其后續SMPTE ST 2110 系列標準的相繼發布，直接加速了SDI 與IP 技術的融合。

過去SDI over IP 的解決方案中，僅把以太網絡作為數據的傳輸通道來使用，并未對SDI 信號封裝做處理。SMPTE ST 2022 系列標準詳細定義了SDI在網絡中傳輸的IP 網絡高碼率媒體信號傳輸、IP網絡恒定/可變碼率MPEG TS 流單向傳輸、IP 網絡實時視頻/音頻前向糾錯等SDI 信號的IP 化傳輸標準。其中最重要的SMPTE ST 2022-6 標準依據實時傳輸協議（Real-time Transport Protocol，RTP）、精確時鐘同步協議（Precision Time Protocol，PTP）[3]、用戶數據包協議、網絡分組管理協議等協議構成元數據，定義了SDI 信號的IP 封裝格式?；赟MPTE ST 2022 系列標準，就可以不僅僅只能通過同軸電纜發送或接收高碼率SDI 視頻信號了。

隨后，SMPTE 發布了ST 2110 系列標準，對SMPTE ST 2022-6 標準的不足進行了補充。兩者最大的差別在于：SMPTE ST 2022-6 標準只是單純地對SDI 信號進行IP 封裝，對于視頻、音頻、輔助數據未進行區分；而SMPTE ST 2110 標準則是把SDI信號中的視頻、音頻、輔助數據單獨封裝后分別進行傳輸[4]。

SMPTE ST 2110 標準與SMPTE ST 2022-6 標準對于SDI 信號數據不同的封裝方式導致兩者在系統設計思路上存在根本性的不同。采用SMPTE ST 2022-6 標準建設的系統，其IP 流都是經過壓縮的，當需要單獨處理視頻、音頻或者輔助數據的時候，需要對流進行解嵌，處理完成后再進行加嵌。

而采用SMPTE ST 2110 標準建設的系統，由于其視頻、音頻、輔助數據流單獨封裝、分別傳輸，當需要單獨處理視頻、音頻或者輔助數據的時候，可以直接對相應的流進行處理，免去了SMPTE ST 2022-6 系統中對流解嵌再加嵌的過程。這樣不僅提升了系統的可擴展性，而且增加了系統帶寬的彈性。由于SMPTE ST 2110 系統中分別傳輸了3 種不同的流，相較于SMPTE ST 2022-6 系統的單一流，ST 2110 系統中視頻、音頻流之間的同步就難得多。因此SMPTE ST 2110 系統采用PTP 作為整個系統的同步信號，采用RTP 時間戳進行音頻、視頻流自身的同步，采用網絡時鐘協議（Network Time Protocol，NTP）進行音頻、視頻流之間的同步，這也是SMPTE ST 2110-10 標準比較核心的內容。一個典型的SDI 和IP 融合的電視播出系統如圖2 所示。

圖2 SDI 與IP 互為主備的電視播出系統圖

通過圖2 不難看出，傳統SDI 架構和IP 架構播出系統最大的不同在于：播出系統中信號格式不同，SDI 架構播出系統中信號為基帶信號，而IP 架構播出系統中信號為SMPTE ST2110 IP 流信號[5]；切換方式不同，SDI 架構播出系統采用RS-232/RS-442接口控制切換臺輸出SDI 信號，IP 架構播出系統運用Internet 組管理協議（Internet Group Management Protocol，IGMP）Join/Leave 方式實現信號靜凈切換；同步方式不同，SDI 架構播出系統采用BB 信號作為系統同步信號，IP 架構播出系統則采用PTP、NTP、RTP 時間戳等作為視頻、音頻流及系統的同步；播出控制方式不同，SDI 架構播出系統采用RS-232/RS-422 接口進行播出控制，IP 架構播出系統采用軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）、IGMP 等協議進行播出控制。

當下SDI 和IP 融合的電視播出系統中，大多采取SDI 架構和IP 架構互為備份的冗余設計，這樣設計的目的在于，應用新技術的同時能保證安全播出的底線。傳統的SDI 架構部分保留了基帶矩陣，使用播出控制機運用RS-232/RS-442 接口控制切換臺輸出SDI 信號，在這一部分系統架構中，基帶信號、BB 信號、RS-232/RS-422、通用輸入（General Purpose Input，GPI）這些SDI 架構播出系統中的要素依然存在。IP 架構部分則引入了互聯網協議網關（Internet Protocol Gateway，IPG）、SDN 交 換 機和PTP 同步，外來基帶信號通過IPG 網關轉換為IP架構系統所需要的IP 流進入系統，而需要播出的節目素材則通過視頻服務器直接以IP 流的方式輸出，切換方式采用IGMP Join/Leave 進行播出信號的靜凈切換。

3 電視播出系統架構的未來——全IP化的云播出

安全是電視播出的生命線，因此當下大部分IP架構電視播出系統采用SDI 與IP 互為備份的方式，在應用新技術的同時能保證播出的安全。隨著IP技術和相關設備的日益成熟，全IP 架構的電視播出系統必然是大勢所趨。但隨著互聯網的飛速發展，網絡直播、網絡點播已經對傳統的電視行業造成了巨大沖擊，若只是單純地把IP 技術運用到廣電行業、廣播電視中心，仍然將業務停留在傳統大屏，忽視互聯網端、移動端，顯然不僅無法滿足其業務發展的需求，而且對廣播電視中心的生存也會構成威脅。為滿足互聯網端、移動端的需求，“云”提供了一個不錯的選擇。2022 年，北京冬奧會成功實現了全球首次“云上奧運”，實現了“云轉播”，為電視播出系統的架構提供了新的思路。

傳統的電視轉播中，轉播車、攝像機、光纖或者衛星傳輸鏈路是必不可少的要素。而云上轉播將設備功能軟件化，提供虛擬化的視頻處理及基于IP 網絡的流信號。一些中小型轉播媒體不需要轉播現場，就可以遠程接收、轉播賽事內容并可以進行特效視頻、內容集錦制作及精彩回放等。云上轉播借助云技術的高帶寬、低延遲、高并發的特點，提供全景觀看的電影特效式畫面及高自由視角觀賽特效，對于體育賽事中運動員的精彩瞬間進行360°全方位自由觀看視角捕捉，為觀眾帶來更加多樣的節目觀看方式和更加豐富的沉浸式觀看體驗，這是傳統轉播技術無法實現的。

云上轉播利用虛擬化的計算資源及存儲資源池，實現制播的云化、遠程化，極大地降低現場轉播負載。節目轉播現場除攝像設備以外，所有導、切制作均可以在云端完成。通過云轉播平臺，工作人員只需要筆記本電腦，就可以實現多路信號的云上切換。節目制作人員在咖啡店、家里或者其他任何地方，都可以借助云端提供的虛擬化視頻處理功能完成節目的制作。目前，不論是廣播級的攝像機還是手機等非專業攝像設備，都能在云轉播系統前端發揮應有的作用。通過“云轉播”，觀眾可以看到多路轉播信號，實現多維視角觀看。相比于傳統轉播只能觀看一路信號，云轉播有著更加良好的觀看體驗。阿里體育公有云播出的應用案例如圖3所示。

圖3 阿里體育公有云播出架構

圖3 是阿里體育使用公有云進行播出的成功案例，其云播具有以下特點：用于阿里體育版權的一些低成本體育賽事的轉播、輪播，部署在阿里云，真實公有云租賃環境，PGM 采用RTMP 點對點協議，直播信源也采用RTMP，RTMP 流均經過流媒體服務器，以實現轉發功能，具備相對完整的云管控功能（后頁為Web 界面），支持公有云快速部署。

盡管2022 年冬奧會實現了全球首次“云上奧運”，實現了“云轉播”，并且給觀眾帶來隨時隨地的、全新視角的沉浸式視覺體驗，但云播出在許多關鍵性問題上也面臨諸多挑戰。

私有云環境下，云播出面臨的挑戰包括無壓縮IP ST 2110 信號兼容性（碼流指標包括PIT、流量整形、PTP 同步指標等），網絡媒體開放規范（Networked Media Open Specification，NMOS）功能及兼容性，ST 2110 信號監測與信號故障應急，系統中IP 流可觀測性以及軟件運行狀態監測。

公有云環境下，云播出面臨的挑戰包括網絡安全（EBU-R143），節目單、文件同步的安全傳輸以及時效性保證（支持異構第三方），低延遲要求，公網下信號的安全、可靠傳輸，軟件運行監控以及信號監測（信號實時性、故障應急）。

上述關鍵性問題使得云播出在當下應用場景限于電視播出系統第三備、第四備、災備，輕量級播出及互聯網運營。

4 結語

本文詳細介紹了電視播出系統的過去、現在和未來，總結了云播出技術在一些關鍵性問題上面臨的挑戰。盡管面臨挑戰，隨著廣播電視技術和互聯網技術的不斷發展，全IP 化的云播出仍是電視播出系統架構一個很好的選擇。