電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案技術(shù)研究

呂斌

摘 要 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動了多個行業(yè)的創(chuàng)新，在電視制作行業(yè)，高清視頻信號的出現(xiàn)，對電視制作播出提出了更高的要求?；诖?，文章將電視制作播出系統(tǒng)在創(chuàng)新改革中存在的問題作為基礎(chǔ)，給出了一種IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，該方案將SDI基帶信號轉(zhuǎn)變成IP數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)了電視制作播出系統(tǒng)的優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的靈活性與拓展性，從整體上提升了電視制作播出系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞 電視制作播出系統(tǒng)；IP化；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中圖分類號 TN94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）221-0089-02

在電視技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，3D、4K超高清設(shè)備的出現(xiàn)，提高了電視節(jié)目的清晰度，使電視節(jié)目的色彩更為豐富。但是在實際的應(yīng)用過程中，由于3D、4K等超高清設(shè)備對信號有較高的要求，使得傳統(tǒng)電視制作播出系統(tǒng)難以滿足其需求，這就要求技術(shù)人員進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新，確保電視制作播出系統(tǒng)能夠制作出高質(zhì)量的節(jié)目。因此，對于IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案技術(shù)的分析是很有必要的。

1 電視制作播出系統(tǒng)存在的問題

互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，促進(jìn)了電視技術(shù)的發(fā)展，電視節(jié)目制作播出技術(shù)的水平有顯著的提升。在2K高清電視節(jié)目制作播出逐漸呈現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展的同時，3D、4K甚至8K技術(shù)的出現(xiàn)，對電視制作播出提出了更高的要求。4K超高清設(shè)備憑借豐富的色彩、較高的性價比與圖像清晰度，促進(jìn)了4K技術(shù)的發(fā)展。但是在電視制作播出系統(tǒng)中，3D、4K等超高清電視技術(shù)的應(yīng)用受到了阻礙，傳統(tǒng)電視制作播出系統(tǒng)的帶寬并不適用于3D、4K等先進(jìn)技術(shù)。

一般來說，標(biāo)清SD的電視制作播出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE295、帶寬為270Mbit/s；高清HD的電視制作播出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE292、帶寬為1 485Mbit/ s；3D電視制作播出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE424、帶寬為2970Mbit/s；4K電視制作播出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE2036、帶寬為11 880Mbit/s。

觀察上述數(shù)據(jù)可知，在帶寬方面，4K高清電視的信號約為2K信號的8倍。在實際的電視制作播出系統(tǒng)中，4K高清電視信號的每一路都是由4根3G-SDI綁定。這就表示4K電視制作播出系統(tǒng)所用的設(shè)備電纜約為傳統(tǒng)系統(tǒng)的四倍，需要的跳線排及接口數(shù)量也有所增加，提高了電視制作播出系統(tǒng)的建設(shè)難度。與此同時，4K電視制作播出系統(tǒng)由四根線纜傳輸一路信號，一旦其中一根線纜出現(xiàn)問題，將會對電視信號的傳輸造成影響，電視制作波出系統(tǒng)的信號故障率提升了近4倍。因此，技術(shù)人員需要采取先進(jìn)的技術(shù)，有效解決上述問題[1]。

2 電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案

2.1 解決方案的整體思路

通過上述分析可知，在電視制作播出系統(tǒng)的發(fā)展過程中，存在一定的問題，需要技術(shù)人員采用有效的方案解決?；谏鲜鰡栴}，電視工程行業(yè)的專家提出了電視IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的解決方案，想要通過IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電視SDI基帶信號與IP數(shù)據(jù)包（SDI OVER IP）的有效轉(zhuǎn)換，將光纖等性能優(yōu)異的高速網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)代替以往的傳輸線路。

在IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，電視制作播出系統(tǒng)中的設(shè)備大都利用網(wǎng)絡(luò)連接方式，僅有少數(shù)設(shè)備需要將SDI基帶信號轉(zhuǎn)變成SDI OVER IP。其中，網(wǎng)絡(luò)連接方式屬于雙向多通道連接，有助于電視制作播出系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化。

和傳統(tǒng)的基帶信號傳輸方式相比，網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)包的傳輸方式能夠有效提升電視信號的傳輸效率及質(zhì)量。眾所周知，在實際的電視圖像傳輸過程中，不僅具備有效圖像周期，還在行、場消隱期中會出現(xiàn)較多的空余時間。在這些空余時間內(nèi)，系統(tǒng)主要進(jìn)行圖像格式的傳輸以及音頻數(shù)據(jù)的嵌入等操作，而這些操作需要的時間相對較短，大部分空余時間都被浪費。

因此，技術(shù)人員可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高傳輸帶寬的應(yīng)用效率，在空余時間內(nèi)進(jìn)行其他有價值信息的傳輸，實現(xiàn)傳輸帶寬的最大化應(yīng)用；技術(shù)人員可以充分利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)（比如JPEG 2000等技術(shù)），降低圖像傳輸?shù)拇a率，以此降低系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，使一條線路進(jìn)行多路電視信號的傳輸。

2.2 解決方案的優(yōu)化

2.2.1 解決方案存在的不足

上文中提到將SDI基帶信號轉(zhuǎn)變成SDI OVER IP的解決方案，在方案的落實過程中，存在信號延時問題，對電視制作播出系統(tǒng)的性能提升造成了不利影響，需要受到技術(shù)人員的重視。在電視節(jié)目制作播出的過程中，多路電視信號需要進(jìn)行實時傳輸與處理，如果電視信號出現(xiàn)延時問題，將會對節(jié)目制作造成困難。一般來說，電視節(jié)目制作過程中出現(xiàn)的信號延時需要控制在5幀以內(nèi)。

與此同時，在電視信號傳輸?shù)倪^程中，信號延時需要具備一定的穩(wěn)定性，不可以超過電視節(jié)目制作播出系統(tǒng)的緩沖時間，以此保障電視圖像與聲音的流暢性，避免電視節(jié)目產(chǎn)生停頓問題。因此，在進(jìn)行電視制作播出系統(tǒng)的IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建時，技術(shù)人員需要確保系統(tǒng)滿足上述要求[2]。

2.2.2 解決方案的優(yōu)化對策

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，大部分10G交換機(jī)在進(jìn)行大數(shù)據(jù)包（視頻信號）的信號切換時，產(chǎn)生的延時相對較小，和高清電視（1080/50i）的信號相比，交換機(jī)產(chǎn)生的延時要比其1行的周期（18微秒）更低。同時，在局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)下，交換機(jī)具備更好的延時恒定性，與時間同步系統(tǒng)進(jìn)行配合應(yīng)用，IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案可以有效避免信號延時問題的出現(xiàn)。為了保障SDI基帶信號與SDI OVER IP的有效轉(zhuǎn)化，貫徹了落實IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，電視工程師協(xié)會（SMPTE）頒布了《SMPTE 2022》標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。

在避免信號延時的同時，技術(shù)人員需要保障時間的精確同步。在電視節(jié)目制作領(lǐng)域，圖像切換精度是將幀、場作為單位，圖像切換需要在場消隱期進(jìn)行，避免切換過程中發(fā)生閃動問題，而圖像切換的穩(wěn)定性則由時間精確同步來實現(xiàn)。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會分別于2002年和2008年頒布了IEEE1588-2002標(biāo)準(zhǔn)以及IEEE1588-2008升級標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中明確定義了精確時間協(xié)議PTP。

該協(xié)議指出，要想使系統(tǒng)中的主時鐘（同步機(jī)應(yīng)用的時鐘）和系統(tǒng)的從時鐘（終端設(shè)備應(yīng)用的時鐘，包括交換機(jī)以及SDI-IP轉(zhuǎn)換器等設(shè)備）的精準(zhǔn)同步。具體而言，技術(shù)人員需要明確系統(tǒng)的主時鐘和從時鐘存在的基準(zhǔn)時間差（用offset表示），還需要明確系統(tǒng)主時鐘和從時鐘在進(jìn)行數(shù)據(jù)包通信時，受到信號交換以及線路等因素影響導(dǎo)致的延時，從而實現(xiàn)時鐘的科學(xué)準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

上述時鐘精準(zhǔn)同步的工作原理如下：在系統(tǒng)中，主時鐘會按照一定的周期（通常是每2s一次），進(jìn)行報文信息的同步發(fā)送，系統(tǒng)的所有從時鐘會及時回應(yīng)，并進(jìn)行報文信息發(fā)送時間的記錄，并在相應(yīng)的信息中添加“時間戳”?；趶臅r鐘的時間記錄，接收端能夠計算出網(wǎng)絡(luò)的延時以及基準(zhǔn)誤差。為了有效處理主從時鐘傳遞的信息，PTP協(xié)議定義了報文類型，通過不同報文的應(yīng)用，實現(xiàn)時間同步。

其一，同步報文（Sync），同步報文中含有的時間為信息預(yù)計發(fā)送的時間，并不是信息真實發(fā)出的時間。

其二，跟隨報文（Follow_up），在跟隨報文發(fā)送之后，系統(tǒng)開始進(jìn)行時間記錄，直到從時鐘接收到同步報文，由跟隨報文中記錄的真實發(fā)出時間和接收端的真實接收時間，得出主時鐘和從時鐘的時差，實現(xiàn)從時鐘時間的校準(zhǔn)。

其三，延遲請求報文（Delay_Req），在實際的數(shù)據(jù)信息傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)存在一定的延時，所以技術(shù)人員需要分析時差中的延時，大都通過延遲請求報文，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的定義。

其四，延遲應(yīng)答報文（Delay_Resq），當(dāng)接收端接收到同步報文之后，從時鐘會發(fā)出延遲應(yīng)答報文，用于記錄真實的接收時間，以此得出時鐘間的誤差及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r[3]。

3 電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案技術(shù)分析

在實際的應(yīng)用過程中，上文中構(gòu)建的IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案具備如下優(yōu)勢。

第一，架構(gòu)簡單。上述解決方案利用10G光纖進(jìn)行高清電視信號的傳輸，能夠有效降低電視制作播出系統(tǒng)中設(shè)備所需的連接電纜數(shù)量，減少設(shè)備的接口，實現(xiàn)系統(tǒng)的簡化。再加上網(wǎng)絡(luò)傳輸信號具備雙向性，電視制作播出系統(tǒng)只需要一條線纜，就能夠?qū)崿F(xiàn)攝像機(jī)和切換臺的有效連接，高效傳輸誰頻信號、切換指示信號以及返送信號等信號。

第二，靈活性強(qiáng)?；贗P化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，電視制作播出系統(tǒng)的主體架構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，技術(shù)人員可以充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計，有助于系統(tǒng)靈活性的提升。比如，技術(shù)人員可以利用IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)協(xié)議，進(jìn)行在線包裝設(shè)備中音視頻信號以及鍵盤等信息的網(wǎng)絡(luò)配置，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的自動化配置，避免了繁瑣的接線工作，在很大程度上提高了系統(tǒng)的靈活性。

第三，拓展性強(qiáng)。基于IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，電視制作播出系統(tǒng)可以看作是互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備可以看作是計算機(jī)設(shè)備。從理論角度而言，技術(shù)人員可以根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的升級更新，提高系統(tǒng)的拓展性，降低系統(tǒng)的升級更新成本。另外，在IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的支持下，電視制作播出系統(tǒng)可以在傳輸音視頻信號的同時，傳輸信息數(shù)據(jù)，為電視節(jié)目的制作與再加工提供了便利[4]。

4 結(jié)論

綜上所述，電視制作播出系統(tǒng)需要根據(jù)電視技術(shù)的發(fā)展腳步進(jìn)行創(chuàng)新，不斷提升電視節(jié)目的質(zhì)量。通過本文的分析可知，技術(shù)人員需要認(rèn)識到電視制作播出系統(tǒng)的不足，合理應(yīng)用IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合PTP協(xié)議中的四種報文，實現(xiàn)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案的優(yōu)化，充分發(fā)揮其重要作用，實現(xiàn)電視制作播出系統(tǒng)的創(chuàng)新，為廣大觀眾提供豐富且優(yōu)質(zhì)的電視節(jié)目。

參考文獻(xiàn)

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