4K全景HD演播室集群化系統(tǒng)設計與IP化測試應用

趙偉智

吉林廣播電視臺 吉林省 長春市 130021

近年來，隨著高清顯示組件的生產(chǎn)以及相關技術模式的應用，對于廣電行業(yè)而言興起了基于4K 技術的全景HD 演播室建設發(fā)展趨勢。不同于現(xiàn)階段普遍使用的高清電視（1920×1080 分辨率），4K 是具有4096×2160 分辨率的超清、超精的高細致畫面，分辨率能夠達到高清顯示效果的4 倍，在4096×2160 分辨率的畫面中，能夠達到885 萬像素的高清晰畫面使用標準。4K 技術能夠配合畫面顯示效果的大動態(tài)變化范圍，即HDR，畫面色彩度、飽滿度更高，顯示效果更好。因此，如何充分利用4K 帶來的技術沖擊和視覺效果提升體驗，構建滿足實際使用需求的基于4K全景HD 演播室，是值得研究的問題。

引 言

全景HD 演播室智能化系統(tǒng)主要是基于NDI 網(wǎng)絡協(xié)議設計并施工建設，4K 信號通過NDI、IP化進一步實現(xiàn)并充分利用。視頻影像、圖文數(shù)據(jù)以及工作信號、5G 背包回傳的視音頻信號、圖文包裝信號等都通過Internet 接入 4K 全景 HD 演播室集群化系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)完成超高清節(jié)目的制作以及多通道錄制，可同時進行網(wǎng)絡推流直播。4K 信號傳輸采用5G 傳輸技術或SDI12G 傳輸模式。技術優(yōu)勢的體現(xiàn)需要在系統(tǒng)設計中考慮到4K 全景HD 演播室的實際情況和建設實踐的各個環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)資源采集端，需要設計布置支持大動態(tài)變化范圍HDR 技術以及廣色頻WCG 高質(zhì)量的拍攝、剪輯等相關制作能力的采集設備來形成高質(zhì)量、高效率的4K 畫面；輸出端需要配套A104K、Mariana5D4K、資源分配以及相關的虛擬設置系統(tǒng)等，提高全景HD 演播室的封裝效果；中間數(shù)據(jù)處理過程作為信號處理和傳輸?shù)臉蛄菏菙?shù)字矩陣和信號切換的必經(jīng)階段，在信號形成階段、信號傳輸過程能夠平穩(wěn)過渡，形成鏡像信號，最終在輸出端能夠生成PGM 信號。因此，從采集端—處理端—輸出端等諸多環(huán)節(jié)，采取集群化系統(tǒng)設計模式與IP 化技術應用，在4K 全景HD 演播室系統(tǒng)建設中完成優(yōu)化設置和參數(shù)配置，從而形成智能化、自動化程度較高的系統(tǒng)管理模式，能夠較好的提高工作效率和穩(wěn)定性能。

1 系統(tǒng)架構與集群化設計

現(xiàn)階段基于4K 技術的演播室，能夠在數(shù)據(jù)端進行海量數(shù)據(jù)存儲，在數(shù)據(jù)變化前提下近實時同步高清信號，并采用多路+多信道模式的信號輸出方式，可以為IP 化測試做好相關技術準備，即實現(xiàn)從客戶端—容器組相關信號處理全模式處理過程，如圖1 所示。

圖1 集群化系統(tǒng)設計與運維結構圖

因此，系統(tǒng)設計與技術測試需要重點滿足三個方面：一體化云端、IP 技術介入以及智能終端管理。

1.1 一體化云端

采取彈性網(wǎng)絡架構模式的云端數(shù)據(jù)中心，在充分運用網(wǎng)絡虛擬機的基礎上，規(guī)劃“本地云+私有云”形式，簡化系統(tǒng)框架結構，優(yōu)化了信息流轉(zhuǎn)過程，增強了整體智控的安全性和穩(wěn)定性，能夠高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高速傳輸和存儲，不僅能夠大幅增強海量數(shù)據(jù)云端存儲的能力，也能夠穩(wěn)定實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)傳輸。在一體化云端設計建設中，各個云服務的節(jié)點可以設立在本地云端數(shù)據(jù)中心內(nèi)，可以滿足本地數(shù)據(jù)實時調(diào)用，也可以實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)處理，既屬于電視臺的數(shù)據(jù)中心體系，也作為私有云服務于本地系統(tǒng)。該云端的建設能夠提高數(shù)據(jù)信號的制作、內(nèi)容優(yōu)化分發(fā)以及安全性保證，在推動云端處理技術的基礎上構建全網(wǎng)系的融媒體平臺，利用“多路協(xié)同”“一云同屏”等云服務將系統(tǒng)設計功能應用在實際系統(tǒng)建設中。

1.2 IP 化技術介入

IP 化技術能夠從技術底層重新建設電視節(jié)目生產(chǎn)、傳輸以及輸出等全領域全流程，如何設計技術介入節(jié)點以及標準，重點解決NE9000 切換、PTP 同步、SDN 開放架構、組播NAT、超大規(guī)模IP 矩陣等技術問題，能夠高效融入4K 全景HD 演播室集群化系統(tǒng)設計過程中。在應用設計中，這里采取的是SMPTE-ST2110 的 4K 模 式 IP 化技術，建設SPINE LEAF 的基礎構架，以網(wǎng)絡服務器、云端交換機以及大型路由設備進行超大型網(wǎng)絡規(guī)劃建設，從基礎設計方面顛覆傳統(tǒng)的系統(tǒng)建設模式，采用大型交換機、路由器組建超大型IP 網(wǎng)絡，徹底改變原有技術架構及流程，最高數(shù)據(jù)吞吐量能夠達到80Tbps，支持超過4000 路的4K 全景信號承載。

1.3 智能終端管理

智能終端管理通過建設基于物聯(lián)網(wǎng)—智慧云平臺對4K 全景演播廳的內(nèi)部數(shù)據(jù)信息處理、管理流程主要包括：流程標準的構建，通過安裝監(jiān)測系統(tǒng)，利用智能化數(shù)據(jù)采集與分析技術對播出環(huán)節(jié)各階段的數(shù)據(jù)進行采樣分析，同時監(jiān)測終端自動按照預設監(jiān)測頻率監(jiān)測數(shù)據(jù)，把實測結果上傳至云平臺；DATAMINER 控制平臺，人工實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合、基層業(yè)務運營管控、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡移動物聯(lián)、用戶需求增值服務，依據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的預警、反饋信息以及數(shù)據(jù)情況，進行人為解決問題，對接需求、處理異常等信息。以位置信息作為數(shù)據(jù)存儲的索引，將節(jié)目硬件信息和固件版本信息進行映射，依托云平臺響應的“l(fā)eo”標準并作出反饋，確保系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)功能與IP化測試應用

2.1 云端中心與IP 化安全認證

“本地云+私有云”云端數(shù)據(jù)中心采取的是業(yè)內(nèi)公認的技術標準以及最高等級的UPTIMET3 的標準技術認證，其中PUE=1.19，可以看出系統(tǒng)設計的容錯率和標準要遠高于傳統(tǒng)的云處理平臺。

2.1.1 功能化設計

4K 全景HD 演播廳大數(shù)據(jù)采集，可通過數(shù)據(jù)爬蟲實時不間斷采集各種來源的結構化或非結構化海量數(shù)據(jù)。其中目前主流的基于SQOOP 和ETL 的企業(yè)級數(shù)據(jù)采集方式實現(xiàn)HDFS 和NOSQ 的數(shù)據(jù)同步，也包括同步實時文件采集和處理技術flume、基于ELK 的日志采集和增量采集等。

2.1.2 安全性測試

基于SMPTE-ST21104K 模式IP 化技術的網(wǎng)絡底層設計，云端中心的數(shù)據(jù)依托于網(wǎng)絡服務器、云端交換機數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)交互和共享分發(fā)，基礎數(shù)據(jù)量建設大于100T，ST2110 4K 信號能夠滿足數(shù)模轉(zhuǎn)化、制式轉(zhuǎn)換TOC 以及相關數(shù)據(jù)LEAF 的技術支撐。根據(jù)數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)處理量以及智能化信號處理技術智能選擇適合的播出網(wǎng)絡和傳輸通道，即局部建立單獨的、體系的小型播出平臺，能夠支撐IP 化應用的網(wǎng)絡安全機制，并滿足互聯(lián)互通端口功能，在組播NAT 調(diào)度、SDN 控制、PTP 服務等方面IP 化技術測試與應用在核心上有著重要意義。

2.2 數(shù)據(jù)處理與IP 化資源調(diào)度

加密技術與存儲空間主要利用SSH 技術背景的數(shù)據(jù)池技術，采取網(wǎng)頁式的平臺以及JSP 的開發(fā)環(huán)境，Docker 化多結構部署，在云端處理中均采取數(shù)字加密方式進行存儲，能夠在不同的數(shù)據(jù)平臺之間擴展與兼容，實現(xiàn)結構化、系統(tǒng)化與目標化的數(shù)據(jù)查詢、分析與比對的功能，基于多方安全計算、隱私保護以及區(qū)塊鏈等技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的“可用不可見”，解決數(shù)據(jù)協(xié)同計算過程中的數(shù)據(jù)安全和隱私保護問題，進而提高數(shù)據(jù)使用效率和存儲空間，更加安全可靠。

科學合理的IP 化數(shù)據(jù)資源調(diào)配，除了技術強化安全防護能力外，還需要優(yōu)化機制。目前，縣級廣播電視臺基本設置了相應機構，可根據(jù)實際情況，靈活順暢地對節(jié)目播出內(nèi)容和相關信息進行調(diào)整。該類技術需要依托分布式信息處理機制，對節(jié)目內(nèi)容能夠?qū)崟r掌握，對播出環(huán)節(jié)能夠及時干預，對審核機制能夠全時監(jiān)測，需要網(wǎng)絡信息技術與應急管理策略的有機結合，對電視節(jié)目播出的全過程綜合監(jiān)管，并根據(jù)上級指示、終端指令進行具體的實際操作，應急反應迅速可靠，能夠與用戶端、監(jiān)測端建立及時的信息交流與反饋，便于上級部門針對具體問題展開綜合部署與現(xiàn)場指揮，通過合理、優(yōu)化解決策略，避免突發(fā)情況造成的惡劣影響。

結束語

本文提出的4K 全景HD 演播室集群化系統(tǒng)設計與IP 化測試應用是針對現(xiàn)階段融媒體的應用與新技術的推廣，能夠有效解決中廣有線電視演播廳設計與播出的一系列問題，經(jīng)過系統(tǒng)設計基礎應用和實踐運行測試，可以看出本文提出的方案能夠有效提高演播系統(tǒng)的工作效率和播出質(zhì)量，強化了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，減輕了技術人員對于系統(tǒng)維護的工作量，為未來智能化、自動化、無人化發(fā)展提供了技術平臺。