廣東綜藝4K超高清系統(tǒng)及應(yīng)急切換在播出中的應(yīng)用

廖忠政

【摘要】本文通過(guò)對(duì)廣東綜藝4K超高清播出系統(tǒng)的介紹，以總體架構(gòu)、視音頻鏈路為基礎(chǔ)，對(duì)4K的應(yīng)急切換在實(shí)際播出中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)探討。

【關(guān)鍵詞】4K超高清 凈切換一致性比對(duì) KPI

一.前言

4K超高清電視比高清電視有更高的圖像分辨率、幀率、動(dòng)態(tài)范圍和更寬廣的色域，可配置更好地適應(yīng)環(huán)境，從而提供更具沉浸感及更好體驗(yàn)的音視頻服務(wù)。推進(jìn)4K超高清電視網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，根據(jù)國(guó)家新聞出版廣電總局關(guān)于規(guī)范和促進(jìn)4K超高清電視發(fā)展的規(guī)劃，我臺(tái)積極探索新模式、新業(yè)態(tài)、新服務(wù)的迫切需求。2017年年初，廣東廣播電視臺(tái)開(kāi)始籌建4K超高清頻道播出系統(tǒng)，同年12月進(jìn)行試播，2018年10月16日，廣東綜藝4K超高清頻道正式開(kāi)播。本文將介紹廣東綜藝4K頻道播出系統(tǒng)的架構(gòu)以及應(yīng)急切換在播出過(guò)程中的具體應(yīng)用。

二.4K超高清系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)目前實(shí)際情況，廣東綜藝4K超高清播出系統(tǒng)采用以文件化播出為主、外來(lái)直播信號(hào)播出為輔的無(wú)壓縮播出架構(gòu)，其中4K超高清節(jié)目文件采用與制作域一致的原碼率和格式，外來(lái)直播信號(hào)通過(guò)總控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)無(wú)壓縮信號(hào)播出。

1.整體框架業(yè)務(wù)范圍

播出控制系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍，對(duì)外系統(tǒng)包括總控系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、備播系統(tǒng)、編單系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)，具體如圖1。劃分成播出控制系統(tǒng)對(duì)外的業(yè)務(wù)交互和對(duì)內(nèi)的業(yè)務(wù)交互。

系統(tǒng)對(duì)外的業(yè)務(wù)交互包括：與總控系統(tǒng)是信號(hào)交互，接收總控調(diào)度過(guò)來(lái)的直播信號(hào)；與傳輸系統(tǒng)也是信號(hào)交互，將播出信號(hào)送到傳輸平臺(tái)；與備播系統(tǒng)是文件交互，接收備播系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的視頻文件和圖文文件，傳輸?shù)讲コ鲆曨l服務(wù)器；與輔助系統(tǒng)主要是日志信息交互，為故障判斷提供幫助；與編單系統(tǒng)是節(jié)目信息交互，接收編單系統(tǒng)的節(jié)目單信息，并將播后信息返回給編單系統(tǒng)；與監(jiān)管系統(tǒng)是軟件運(yùn)行的信息交互，將播出狀態(tài)、軟件運(yùn)行狀態(tài)、故障信息發(fā)送給監(jiān)管系統(tǒng)。

系統(tǒng)對(duì)內(nèi)的業(yè)務(wù)交互主要是播控軟件根據(jù)播出節(jié)目串聯(lián)單，控制視頻服務(wù)器和矩陣完成信號(hào)的切換播出。主要分為常規(guī)播出，即ALL IN ONE視頻服務(wù)器播出，還有應(yīng)急播出，即機(jī)動(dòng)備份播出、墊片播出。

2.軟件架構(gòu)

廣東綜藝4K超高清播出控制系統(tǒng)、管理及監(jiān)控平臺(tái)的軟件架構(gòu)采用云架構(gòu)和微服務(wù)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循模塊化、層級(jí)化的原則，關(guān)系明確，邊界清晰。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載增加時(shí)，可平行擴(kuò)充，組件可獨(dú)立的開(kāi)發(fā)、部署、管理和支持彈性伸縮?；竟δ芙M件能夠快速上線、并可以通過(guò)快速迭代升級(jí)方式完成系統(tǒng)建設(shè)，這也為我臺(tái)將來(lái)的發(fā)展升級(jí)提供可行性。

三.視音頻播出系統(tǒng)

4K超高清播出系統(tǒng)和傳統(tǒng)高清播出系統(tǒng)相比，在通話、同步及時(shí)鐘上基本相同，最大的區(qū)別在于4K視頻信號(hào)由4個(gè)3G-SDI信號(hào)組成，所以每個(gè)信號(hào)的傳輸都需要4根視頻線。還有，監(jiān)看系統(tǒng)的設(shè)備、配置和傳統(tǒng)高清系統(tǒng)差別也有很大區(qū)別。視音頻系統(tǒng)主要由視頻服務(wù)器、監(jiān)看檢測(cè)以及切換部分組成，具體如圖2所示。

1.視頻服務(wù)器

考慮到現(xiàn)今IP播出的發(fā)展趨勢(shì)，以及目前廣電4K超高清播出設(shè)備的實(shí)際情況，建議核心視頻服務(wù)器采用All in one結(jié)構(gòu)，既可滿足線路信號(hào)切換、字幕、臺(tái)標(biāo)等傳統(tǒng)播出功能，又能在基帶電纜傳輸和IP光纖傳輸之間進(jìn)行靈活選擇，具備一定彈性和靈活性。為應(yīng)對(duì)單一設(shè)備集成度過(guò)高所造成的風(fēng)險(xiǎn)，可考慮采用同構(gòu)主備路加異構(gòu)第三備的播出模式，并建立節(jié)目素材技術(shù)審查通道和提前播通道，以提早發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，將播出風(fēng)險(xiǎn)前置。播出視頻服務(wù)器集成圖文疊加和外來(lái)信號(hào)切換功能，節(jié)省了傳統(tǒng)的切換器和鍵控器，使視音頻系統(tǒng)架構(gòu)更加簡(jiǎn)單。視頻服務(wù)器采用主、備和第三備的方式，主備是Harmonic SpectrumX服務(wù)器，第三備采用異構(gòu)的大洋VIPS-4K服務(wù)器，提供了播出安全性。在3臺(tái)視頻服務(wù)器基礎(chǔ)之上，還配置了SONY的墊片播放器，用于循環(huán)播放墊片節(jié)目，做為應(yīng)急信號(hào)源。

2.基帶播出信號(hào)切換

系統(tǒng)配備支持凈切換的倒換設(shè)備，支持同構(gòu)主、備和異構(gòu)第三備三路4K播出信號(hào)進(jìn)行倒換，其中同構(gòu)主、備路要求支持信號(hào)中斷、黑場(chǎng)、靜幀、無(wú)聲等故障檢測(cè)和自動(dòng)倒換，閥值可手動(dòng)設(shè)置，倒換設(shè)備支持遠(yuǎn)程面板控制和斷電旁通主路功能。4X1倒換器做為整個(gè)播出系統(tǒng)的最核心設(shè)備之一，能夠支持幀精度的靜切換。

3.監(jiān)看檢測(cè)

播出信號(hào)監(jiān)看采用4K超高清多畫(huà)面分割器，支持12路4K信號(hào)，可對(duì)主、備、第三備視頻服務(wù)器的信號(hào)、總控直播信號(hào)、墊片信號(hào)、主備4X1輸出信號(hào)和PGM總輸出信號(hào)進(jìn)行畫(huà)面監(jiān)看。對(duì)于4K視音頻信號(hào)質(zhì)量（靜幀、黑場(chǎng)、靜音）檢測(cè)，采用3臺(tái)科利通的Fresco-Supervisio，可對(duì)12路4K信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析檢測(cè)，對(duì)各種信號(hào)異常情況設(shè)定閾值，超過(guò)閾值則進(jìn)行聲音報(bào)警。另外配合大洋睿御監(jiān)管系統(tǒng)，以視音頻監(jiān)控系統(tǒng)圖的形式，顯示各信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)4K圖像畫(huà)面，有問(wèn)題則聲光報(bào)警，便于快速定位故障點(diǎn)，值班人員進(jìn)而及時(shí)做出應(yīng)急處理。

四.應(yīng)急切換的應(yīng)用

1.一致性比對(duì)

單純使用K P I（播出質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)）進(jìn)行畫(huà)面問(wèn)題自動(dòng)判斷，可能存在KPI報(bào)警時(shí)間閾值過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致報(bào)警延誤?？赏ㄟ^(guò)畫(huà)面一致性比對(duì)輔助改善，提高播出系統(tǒng)的安全性。一致性比對(duì)就是在給定的延時(shí)范圍內(nèi)，比較視音頻信號(hào)的一致性，如圖3所示，用于測(cè)量主備（或多路）視頻音信號(hào)之間差異、延時(shí)、偏移，并按照設(shè)定的策略對(duì)播出系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警，并為值班的應(yīng)急處理提供幫助。

廣東綜藝4K超高清系統(tǒng)中，三條信號(hào)鏈路（主路、備路、三備）畫(huà)面內(nèi)容在正常情況下應(yīng)完全相同，使用畫(huà)面內(nèi)容自動(dòng)比對(duì)技術(shù)可讓系統(tǒng)立即判斷并報(bào)出一致性比對(duì)結(jié)果，輔助操作人員快速判斷畫(huà)面是否存在問(wèn)題。

如圖4所示，本系統(tǒng)使用的信號(hào)比對(duì)儀輸入端口為3G-SDI BNC接口，數(shù)量為12個(gè)，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行視音頻指紋提取、并比對(duì)分析一致性，滿足三路Qua-Link 4K畫(huà)面的輸入需求（第四路信號(hào)為墊片，內(nèi)容與其他信號(hào)不一致，不具有比對(duì)可用性）。信號(hào)連接方式為：12路3G-SDI全部接入信號(hào)比對(duì)儀，邏輯上對(duì)同屬一路4K信號(hào)的4路SDI信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記。比對(duì)時(shí)，將各路信號(hào)的相應(yīng)位置四分之一畫(huà)幅進(jìn)行兩兩比對(duì)，有任意四分之一畫(huà)面不同，則認(rèn)為兩路4K信號(hào)內(nèi)容不同。同理，三組4K信號(hào)可分別進(jìn)行兩兩比對(duì)，判定相互一致性。除畫(huà)面內(nèi)容的一致性外，本比對(duì)儀還可對(duì)信號(hào)延時(shí)、插幀、倒序輸入、亮度、聲音內(nèi)容的一致性做出判斷，如實(shí)際業(yè)務(wù)情況需要可及時(shí)上報(bào)相關(guān)一致性問(wèn)題。

通過(guò)指紋比對(duì)技術(shù)比較多路信號(hào)的內(nèi)容一致性，通過(guò)橫向一致性比對(duì)，可用于末級(jí)主備畫(huà)面，指導(dǎo)值班人員進(jìn)行應(yīng)急切換操作；通過(guò)縱向一致性比對(duì)，用于定位完整播出鏈路上的問(wèn)題點(diǎn)，協(xié)助值班人員定準(zhǔn)確定位播出故障設(shè)備，快速恢復(fù)正常播出，保證播出安全。具體如圖5所示。

2.4K凈切換

在實(shí)際播出的應(yīng)用中，本系統(tǒng)鏈路末級(jí)配置的是4臺(tái)雙路二選一倒換器，共計(jì)16個(gè)3G-SDI輸入端口，8個(gè)3G-SDI輸出端口，數(shù)量上可滿足4路4K信號(hào)的四選一需求，每臺(tái)雙路二選一倒換器自帶幀同步，支持凈切換，控制面板通過(guò)GPI實(shí)現(xiàn)4路IP信號(hào)的4路3G-SDI信號(hào)幀精度凈切換。4臺(tái)設(shè)備在接收到GPI切換指令時(shí)，都在視頻切換行處進(jìn)行切換，此時(shí)切換發(fā)生后所有信號(hào)的切換均基于同步的幀精度，即實(shí)現(xiàn)了基于Qua-Link連接的4K基帶信號(hào)的凈切換，如圖6所示。另外，由于切換面板與4臺(tái)雙路二選一倒換器的GPI連接方式為并聯(lián)，所以如果任一臺(tái)二選一設(shè)備出現(xiàn)短路故障，切換面板將無(wú)法判斷其他二選一設(shè)備的GPI控制口電位水平。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們的解決辦法是在控制面板和四臺(tái)二選一倒換器間增加了單向信號(hào)限流裝置，使短路故障的電平無(wú)法影響其他二選一倒換器的GPI控制口電勢(shì)差，避免了切換設(shè)備單點(diǎn)故障對(duì)播出的影響。

3.應(yīng)急案例分析

在本播出系統(tǒng)中使用的是大洋的多畫(huà)面比對(duì)系統(tǒng)，在主、備、第三備視頻服務(wù)器之間進(jìn)行兩兩比對(duì)，輸出結(jié)果，具體如以下的邏輯表。只要比對(duì)結(jié)果不一致，說(shuō)明必有故障發(fā)生，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際比對(duì)的結(jié)果，輸出操作建議，并伴有圖文和聲音報(bào)警。具體如表1格。

舉一個(gè)播出中的常見(jiàn)故障，當(dāng)主視頻服務(wù)器出現(xiàn)靜音故障時(shí)，主與備比對(duì)，主與第三備比對(duì)，備與第三備比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果，得出的操作結(jié)論就是切換到備視頻服務(wù)器，具體如圖7所示，值班員根據(jù)以上的比對(duì)提示操作末端的兩個(gè)4X1切換器，倒換到備服務(wù)器播出。這種應(yīng)急處理模式思維清晰，操作簡(jiǎn)單，有利于播出故障的準(zhǔn)確判斷和快速應(yīng)急。

五.結(jié)束語(yǔ)

目前，廣東綜藝4K頻道主要以硬盤為主，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷播出，節(jié)目素材主要以臺(tái)內(nèi)制作及外購(gòu)為主，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該頻道還大膽嘗試、勇于創(chuàng)新，積極聯(lián)合我臺(tái)體育部對(duì)《CBA籃球賽》、《廣州羽毛球賽》等進(jìn)行直播，取得令人滿意的效果。在應(yīng)急切換方面，希望能有效結(jié)合內(nèi)容一致性比對(duì)、信號(hào)異態(tài)檢測(cè)、節(jié)目技審等手段，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的綜合分析后，真正實(shí)現(xiàn)末端信號(hào)的智能應(yīng)急切換。

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