北京電視臺(tái)IP化數(shù)據(jù)流交換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/朱江

引言

近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)電視臺(tái)向IP化的轉(zhuǎn)型和過(guò)渡的趨勢(shì)，電視媒體不斷利用互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的技術(shù)平臺(tái)擴(kuò)展自身媒體屬性，拓展了一系列基于流媒體技術(shù)的如IPTV、網(wǎng)站、移動(dòng)端等新媒體平臺(tái)產(chǎn)品。我臺(tái)在這方面也進(jìn)行了大力發(fā)展和研究，在此發(fā)展趨勢(shì)的大背景下，目前在臺(tái)內(nèi)構(gòu)建一套基于IP流的統(tǒng)一交互平臺(tái)就顯得尤為必要。通過(guò)該系統(tǒng)，將我臺(tái)自有IP流、外來(lái)直播流和其他流資源進(jìn)行統(tǒng)一匯聚，并通過(guò)IP化切換矩陣和IP實(shí)時(shí)流轉(zhuǎn)碼技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流的調(diào)度和多平臺(tái)分發(fā)功能。滿足臺(tái)內(nèi)外各業(yè)務(wù)平臺(tái)多樣化的內(nèi)容需求，為后期的全臺(tái)IP化改造和IP運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支持。

1.需求分析

本系統(tǒng)的建設(shè)目的和設(shè)計(jì)初衷是以基于IP化實(shí)時(shí)流轉(zhuǎn)碼技術(shù)架構(gòu)為支撐，以我臺(tái)自有本地信源、直播流等視音頻內(nèi)容源為基礎(chǔ)，輔以其他外部流資源，通過(guò)IP化切換矩陣，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流調(diào)度分發(fā)，并根據(jù)需求進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼，疊加臺(tái)標(biāo)、字幕等內(nèi)容，滿足IPTV、網(wǎng)站以及其他第三方平臺(tái)多樣化的內(nèi)容直播需求。其系統(tǒng)需求如下：

1.1 構(gòu)建IP實(shí)時(shí)流統(tǒng)一匯聚平臺(tái)

將目前北京電視臺(tái)、IPTV集控平臺(tái)與新聞制作平臺(tái)中的IP直播內(nèi)容和未來(lái)需要接入的IP直播信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一匯聚，提供一種標(biāo)準(zhǔn)的IP實(shí)時(shí)流接入手段。

1.2 構(gòu)建IP實(shí)時(shí)流統(tǒng)一調(diào)度平臺(tái)

將匯聚的全臺(tái)IP流實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度與分配，便于電視臺(tái)、IPTV集控平臺(tái)和相關(guān)新媒體演播室的直播內(nèi)容調(diào)用。

1.3 構(gòu)建IP實(shí)時(shí)流統(tǒng)一發(fā)布平臺(tái)

通過(guò)IP流集中調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全臺(tái)IP直播信號(hào)的輪詢監(jiān)控，并通過(guò)與其掛接的直播實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)IP信號(hào)的按需轉(zhuǎn)碼發(fā)布，實(shí)現(xiàn)對(duì)目前系統(tǒng)對(duì)于直播信號(hào)的字幕疊加、LOGO疊加與相關(guān)協(xié)議、碼率與格式的適配支持。

2.解決方案

根據(jù)北京電視臺(tái)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行整體IP流系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，我們將整個(gè)系統(tǒng)分為內(nèi)容匯聚和調(diào)度系統(tǒng)、多屏轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)及發(fā)布節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

從臺(tái)內(nèi)和臺(tái)外各類(lèi)SDI/IP信號(hào)匯聚，經(jīng)由IP調(diào)度管理后，提供標(biāo)準(zhǔn)IP信號(hào)到轉(zhuǎn)碼集群，然后經(jīng)由轉(zhuǎn)碼集群轉(zhuǎn)碼為適合多屏業(yè)務(wù)發(fā)布的格式，提供到發(fā)布平臺(tái)?？傮w框架如圖1所示。

圖1 總體業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

從業(yè)務(wù)功能層面設(shè)計(jì)，本平臺(tái)主要體現(xiàn)在：

保持臺(tái)內(nèi)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，只針對(duì)IPTV輸出端進(jìn)行信號(hào)對(duì)接。

更多考慮IP運(yùn)營(yíng)機(jī)制，將IP調(diào)度平臺(tái)輸出的多格式碼率信號(hào)推送給更多業(yè)務(wù)平臺(tái)應(yīng)用（如互聯(lián)網(wǎng)媒體、內(nèi)容制作外包服務(wù)商、IP信源分析、OTT平臺(tái)等） 。

設(shè)置多個(gè)外場(chǎng)信號(hào)接口，外場(chǎng)信源可直接將信號(hào)投入矩陣，經(jīng)矩陣調(diào)度，可將實(shí)時(shí)信號(hào)推送給臺(tái)內(nèi)播控平臺(tái)。

靈活自由的播控管理功能，可自動(dòng)或手動(dòng)編單，按照規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成播出任務(wù) 。

采用IP矩陣調(diào)度管理和編轉(zhuǎn)碼集群分開(kāi)管理模式。管理都采用B/S架構(gòu)，并可根據(jù)臺(tái)內(nèi)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況靈活配置。

針對(duì)IP矩陣調(diào)度后的發(fā)布節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。采用多畫(huà)面內(nèi)容監(jiān)看報(bào)警和IP碼流分析報(bào)警模式。

從技術(shù)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，本平臺(tái)部署位于北京電視臺(tái)智慧媒體網(wǎng)絡(luò)域，與智慧媒體核心交換機(jī)直接互聯(lián)，同時(shí)，借助于臺(tái)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)出口，與臺(tái)外信號(hào)進(jìn)行輸入輸出交互，形成單播、組播在臺(tái)內(nèi)網(wǎng)的混合傳輸模式，滿足IP信源在臺(tái)內(nèi)、外的輸出以及系統(tǒng)本身信令管理的目的。系統(tǒng)主要包含“內(nèi)容匯聚與調(diào)度管理”“多屏轉(zhuǎn)碼集群”“發(fā)布節(jié)點(diǎn)監(jiān)看和監(jiān)測(cè)”三個(gè)主要子系統(tǒng)。針對(duì)以上三個(gè)子系統(tǒng)，以下解決方案中將分別進(jìn)行闡述（如圖2）。

圖2 總體技術(shù)框架圖

2.1 內(nèi)容匯聚和調(diào)度系統(tǒng)

系統(tǒng)可適配各類(lèi)IP信號(hào)和SDI信號(hào)匯聚，轉(zhuǎn)換為指定IP流格式，通過(guò)圖形化界面，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)度和切換管理，達(dá)到IP流實(shí)時(shí)切換和IP地址/端口的重定向，輸出到指定多屏轉(zhuǎn)碼集群。采用分布式調(diào)度節(jié)點(diǎn)服務(wù)的方式。該模式特點(diǎn)是對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)本身沒(méi)有嚴(yán)格要求，理論可適配目前臺(tái)內(nèi)以及市場(chǎng)上的所有主流交換設(shè)備。同時(shí)，調(diào)度管理服務(wù)本身，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要，無(wú)限制地調(diào)整調(diào)度節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的擴(kuò)容。對(duì)未來(lái)可能增加的其他業(yè)務(wù)調(diào)度格式，也可無(wú)縫適配。支持SDI信號(hào)和IP信號(hào)內(nèi)容匯聚。IP信號(hào)支持格式多樣，包括HD/SD-SDI信號(hào)、IP信號(hào)，封裝格式（HTTPRTPUDP）和編碼格式（TS壓縮，H.264/Mpeg2 video，Mp3/AAC/Mpga audio ）。

2.1.1 多格式適配

表1 IP調(diào)度多格式適配

2.1.2 雙切換模式

系統(tǒng)包含5臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)中心管控，四臺(tái)節(jié)點(diǎn)調(diào)度。一臺(tái)節(jié)點(diǎn)調(diào)度服務(wù)器最大支持4路無(wú)縫切換或者20路有縫切換。目前，系統(tǒng)支持80路有縫切換和16路無(wú)縫切換模式，兩種切換模式可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求調(diào)換各自比重（如圖3）。

圖3 切換流程示意圖

兩種切換模式即“無(wú)縫切換”和“有縫切換”，“無(wú)縫切換”即傳統(tǒng)播出中所說(shuō)的零幀切換，由于在流匯聚過(guò)程中進(jìn)行了流編碼，所以，此種模式是基于I幀的切換，效果等同于傳統(tǒng)播出切換?！坝锌p切換”在流匯聚過(guò)程中不進(jìn)行流編碼，故做不到零幀切換，切換時(shí)長(zhǎng)在1秒鐘左右。在實(shí)際使用中，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要配置各調(diào)度節(jié)點(diǎn)，采用“有縫”或是“無(wú)縫”，且日后可以隨時(shí)更改各調(diào)度服務(wù)器，進(jìn)行“有縫”&“無(wú)縫”間業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)換。

表2 切換模式對(duì)比表

“無(wú)縫切換”模式主要面向在線直播應(yīng)用。頻道節(jié)目間切換可無(wú)縫處理?！坝锌p切換”主要面對(duì)收錄，或非頻繁切換的在線節(jié)目調(diào)度使用。

兩種切換模式均具備自動(dòng)墊片功能，墊片素材可以是視頻和圖片。具體兩種切換模式對(duì)比如表2。

2.1.3 編排管理

系統(tǒng)的編排管理模塊是用來(lái)將匯聚進(jìn)來(lái)的IP信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)編排，提供節(jié)目編單功能，并提供對(duì)外接口，支持節(jié)目單的上載和導(dǎo)出，滿足節(jié)目編單和自動(dòng)調(diào)度處理的業(yè)務(wù)需求。

2.1.3.1 自定義播出時(shí)間控制

自定義時(shí)間線，調(diào)整輸入輸出播出控制，自動(dòng)生成表單，按自定義時(shí)間編排播出，主要應(yīng)用于應(yīng)急活動(dòng)，如外場(chǎng)信號(hào)接入，突發(fā)信源接入。操作靈活，應(yīng)急性高。可直接投放IPTV、手機(jī)網(wǎng)頁(yè)和演播室等多平臺(tái)推送。

2.1.3.2 節(jié)目單播出控制

支持編單功能，可按照節(jié)目單進(jìn)行編單自動(dòng)切換調(diào)度處理。支持B/S的Web管理界面。主要用于IP播控管理，系統(tǒng)支持手動(dòng)編單管理，支持節(jié)目單自動(dòng)導(dǎo)入功能，可與臺(tái)內(nèi)播控系統(tǒng)對(duì)接。

2.1.3.3 開(kāi)放式接口

提供開(kāi)放API，可支持定制管理流程（根據(jù)時(shí)間線編單調(diào)度），也可與第三方管理系統(tǒng)對(duì)接?？芍С志巻蜗到y(tǒng)，自動(dòng)切換、頻道節(jié)目置換（如圖4）。

圖4 節(jié)目編單界面

2.1.4 流程展示

系統(tǒng)的調(diào)度操作界面設(shè)計(jì)為“棋盤(pán)格”式的可視化風(fēng)格，將輸入信源和輸出信源以連線的方式表示調(diào)度路徑，并在調(diào)度鏈路展示實(shí)時(shí)畫(huà)面幀，供操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)看信號(hào)狀態(tài)。

單個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)為 20×20的可調(diào)度范圍，每個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立打開(kāi)一個(gè)瀏覽器窗口，支持簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作（如圖5）。

圖5 單臺(tái)調(diào)度節(jié)點(diǎn)節(jié)目展示

多個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)，集合成更大的Matrix，提供更多路的調(diào)度狀態(tài)顯示和操作（如圖6）。

圖6 多臺(tái)調(diào)度節(jié)點(diǎn)節(jié)目展示

2.2 多屏轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)

多屏轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)接收從IP內(nèi)容匯聚與調(diào)度管理平臺(tái)提供的IP流，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼為業(yè)務(wù)人員指定的多屏多終端流格式。輸送到后端多屏播出平臺(tái)。本系統(tǒng)采用4臺(tái)編碼器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)碼任務(wù)，共可完成15路高清節(jié)目及45路標(biāo)清節(jié)目的1入3出轉(zhuǎn)碼，系統(tǒng)接收IP調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度輸出的節(jié)目流，轉(zhuǎn)碼為下游平臺(tái)所需的多格式節(jié)目流，向下游交換機(jī)進(jìn)行推送。系統(tǒng)同時(shí)配置1臺(tái)集群管理服務(wù)器，完成外部轉(zhuǎn)碼指令的接收及各臺(tái)在線轉(zhuǎn)碼服務(wù)器的任務(wù)調(diào)整及分配（如圖7）。

圖7 轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)框架圖

2.2.1 “CPU+GPU”軟硬結(jié)合轉(zhuǎn)碼

獨(dú)有的“CPU+GPU”的軟硬件結(jié)合的組合編轉(zhuǎn)碼方案，實(shí)現(xiàn)了高速編轉(zhuǎn)碼和高質(zhì)編轉(zhuǎn)碼，利用GPU的千核“并行數(shù)學(xué)運(yùn)算”能力及獨(dú)有的硬件（CUDA）算法，提升轉(zhuǎn)碼效率，且保證質(zhì)量，單機(jī)并發(fā)數(shù)可以大大提高，與CPU軟件解決方案相比，有明顯的效能優(yōu)勢(shì)；與硬件編碼板卡相比，編碼質(zhì)量更好，且更新更靈活。

2.2.2 支持豐富的輸入輸出流格式

豐富的輸入流協(xié)議，大幅擴(kuò)展業(yè)務(wù)形態(tài)，便于開(kāi)展直播節(jié)目匯聚TS Over UDP、TS Over HTTP、FLV Over HTTP、Apple HLS、RTSP、RTMP、SDI/HD-SDI、ASI；豐富的輸出流協(xié)議，真正支持多屏TS Over UDP、Apple HLS、MS Smooth Streaming、Adobe RTMP、Adobe HDS、ASI。

2.2.3 轉(zhuǎn)碼輸出能力及在線包裝

能夠在直播畫(huà)面的任何位置加入臺(tái)標(biāo)、遮擋，加黑邊/去黑邊等，同時(shí)允許在Web控制臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)預(yù)覽修改后的播放效果。支持實(shí)時(shí)預(yù)覽插件可實(shí)時(shí)直觀地對(duì)圖像處理效果及實(shí)時(shí)信源進(jìn)行查看。本系統(tǒng)設(shè)定的輸入格式為：15路高清，H.264，1920*1080 ；45路標(biāo)清，H.264，720*576 。輸出格式：15路高清，1920*1080 8Mbps碼流；1024*576 1.2Mbps碼流；640*360 800Kbps碼流； 45路標(biāo)清輸出：720*576 2.5Mbps碼流；640*360 800Kbps碼流；640*360 500kbps碼流。

2.3 發(fā)布節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)IP內(nèi)容匯聚與調(diào)度平臺(tái)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)度后，用于發(fā)布的IP信號(hào)，實(shí)現(xiàn)IP多畫(huà)面監(jiān)看和IP碼流分析報(bào)警。

2.3.1 多畫(huà)面顯示監(jiān)測(cè)報(bào)警

完成碼流解碼視音頻內(nèi)容的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、多畫(huà)面組合和碼流監(jiān)測(cè)信息顯示等功能。支持色彩格式顯示、色彩格式異常報(bào)警、黑場(chǎng)、靜音、伴音靜幀、無(wú)伴音靜幀、音量過(guò)高、音量過(guò)低等故障、多畫(huà)面組合顯示、碼流監(jiān)測(cè)信息顯示、全程錄像和故障觸發(fā)錄像，并可任意選擇TS over IP組播碼流，任意選擇節(jié)目，進(jìn)行畫(huà)面組合監(jiān)聽(tīng)、監(jiān)看和監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)支持40路標(biāo)清或8路高清H.264多畫(huà)面拼接監(jiān)看（HDMI、DVI輸出）。

2.3.2 碼流監(jiān)測(cè)探針系統(tǒng)

支持UDP、RTP、HTTP、RTMP、RTSP、HLS等傳輸協(xié)議，支持FLV、MP4、3GP、TS、MP2T、MP2T+RTP等封裝格式的流媒體質(zhì)量監(jiān)測(cè)。支持流媒體自動(dòng)探測(cè)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中所有正在發(fā)生的流媒體傳輸業(yè)務(wù)，準(zhǔn)確識(shí)別各種協(xié)議類(lèi)型，提取媒體URL、媒體響應(yīng)時(shí)間、媒體時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵信息。支持MDI（RFC4445）、TR101 290指標(biāo)分析，支持對(duì)單個(gè)流的深度分析，包括帶寬、PID、PSI/SI信息等。

3.系統(tǒng)特點(diǎn)與主要貢獻(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際使用情況來(lái)看，有以下幾個(gè)特點(diǎn)和貢獻(xiàn)：

眾所周知，傳統(tǒng)的SDI over IP 的解決方案目前在傳統(tǒng)電視制作和播出中還存在一定的困難。部署一套無(wú)壓縮的IP化傳輸系統(tǒng)并非一蹴而就，且與SDI相比，IP流在切換精度方面還有差距，網(wǎng)絡(luò)管理與協(xié)議處理也遠(yuǎn)比SDI復(fù)雜。但是，本系統(tǒng)更偏向于在互聯(lián)網(wǎng)側(cè)開(kāi)展應(yīng)用，不涉及傳統(tǒng)電視的高碼率應(yīng)用，在避免了上述問(wèn)題的同時(shí)發(fā)揮了IP化的優(yōu)勢(shì)，可復(fù)用臺(tái)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，且信號(hào)匯聚調(diào)度靈活、可伸縮，并與臺(tái)外互聯(lián)網(wǎng)資源實(shí)現(xiàn)有效融合。

IP化數(shù)據(jù)系統(tǒng)與我臺(tái)IPTV平臺(tái)相結(jié)合，可發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)。IPTV作為目前IP流系統(tǒng)的主要輸入信號(hào)源，通過(guò)匯聚以及調(diào)度、轉(zhuǎn)碼可靈活地進(jìn)行調(diào)配并輸送給臺(tái)內(nèi)、臺(tái)外目標(biāo)平臺(tái)和合作伙伴，同時(shí)滿足了傳統(tǒng)SDI傳送超高清（4K/8K）的要求。在IP化體系中，使電視臺(tái)傳送高清、超高清信號(hào)在傳輸帶寬的問(wèn)題得到了解決。

IP化數(shù)據(jù)系統(tǒng)同時(shí)與其他平臺(tái)對(duì)接方便，調(diào)整快速靈活，降低了施工成本，基本做到只需解決網(wǎng)絡(luò)層面的問(wèn)題即可投入使用。同時(shí)，與臺(tái)外第三方互聯(lián)網(wǎng)資源的接入，作為輸入信號(hào)上游反哺給臺(tái)內(nèi)、IPTV等重要平臺(tái)，做到傳統(tǒng)廣電播出與互聯(lián)網(wǎng)播出的巧妙結(jié)合，使傳統(tǒng)電視資源、IPTV、互聯(lián)網(wǎng)視頻資源有效融合、良性循環(huán)。

此次的IP化數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)秉承了傳統(tǒng)廣電的特點(diǎn)，具有高度的可靠性，同時(shí)兼具互聯(lián)網(wǎng)、新媒體快速、靈活、多變的特點(diǎn)。在現(xiàn)有系統(tǒng)規(guī)模下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了較好的業(yè)務(wù)擴(kuò)展的彈性，未來(lái)隨著業(yè)務(wù)規(guī)模不斷擴(kuò)大，以本平臺(tái)為基礎(chǔ)可靈活擴(kuò)容。同時(shí)，與臺(tái)外第三方、互利網(wǎng)公司鏈路、業(yè)務(wù)的打通，不僅為我臺(tái)嘗試探索了一條圍繞IP化的發(fā)展道路，而且為IP化可運(yùn)營(yíng)模式在臺(tái)內(nèi)的落地做了一定程度的準(zhǔn)備和鋪墊。

4.總結(jié)與展望

在廣電制播系統(tǒng)IP化的大背景下，在構(gòu)建超高清制播系統(tǒng)需求的推動(dòng)下，本系統(tǒng)的建成是對(duì)于行業(yè)內(nèi)繼續(xù)使用SDI信號(hào)還是過(guò)渡到全I(xiàn)P技術(shù)的一次成功和有效的探索和嘗試，也是對(duì)我們現(xiàn)在面臨IP化改造過(guò)程中所遇到的困惑一些回答。我們會(huì)不斷地將新技術(shù)應(yīng)用于電視臺(tái)技術(shù)系統(tǒng)改造中，以技術(shù)創(chuàng)新為業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)發(fā)展服務(wù)。