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都市頻道制作網的設計與實現
都市頻道制作網的設計與實現
2004年度河南省廣播電視優秀科技論文二等獎2000 年河南電視臺都市頻道建立起了第一套非線性新聞制作網，主要用于《都市報道》和《都市快報》兩檔新聞節目的制作，經過近 4 年的成功應用，無論是編輯、記者還是系統管理人員都積累了豐富的經驗，由傳統的線性編輯方式向數字化、網絡化的非線性編輯方式的轉變已經深入人心。因此，在 2003 年初，我們提出了建立一個能夠涵蓋頻道除新聞類節目以外所有節目的非線性編輯制作網的設想。
• 初步設想
在我們提出的初步設想中，制作網除了普通的非線性編輯網的特征外，應該還具有以下幾個特點：
• 集中上載：由于我頻道物理空間的限制，同時也因為成本的原因，我們希望制作網的上載工作能夠集中完成，一方面可以有效利用各種上載源設備（如不同格式的放機等）；另一方面可以兼顧節目收錄；同時并不影響編輯站點的正常編輯工作。
• 全 I 幀與長 GOP 混編：對一些節目量大但編輯相對簡單的節目（例如電視劇僅僅是插播一些廣告或字幕）采用全 I 幀就會大量占用存儲空間，顯得有些得不償失。
• 與硬盤播出系統連接：若不能以文件的方式在制作網與硬盤播出系統之間傳遞節目，對于電視劇這樣節目時間長而編輯相對簡單的節目，反復的上載、下載還不如傳統的對編設備方便省時。
經過一段時間的市場調研，我臺硬盤播出系統的廠商不同意提供其文件包裝格式，因此與硬盤播出系統連接的設想已不可行，同時也使得電視劇使用制作網進行編輯有些得不償失。最終形成的方案要求滿足以下需求：
• 完成除《都市報道》．《都市快報》（仍使用原新聞網）和電視劇（仍使用傳統編輯設備）外的所有節目的編輯。
• 與演播室系統聯接，完成演播室節目的直接采集。
• 實現集中上載和自動收錄。
• 安全．穩定的大容量存儲。
• 系統設計
系統主要由兩大部份組成，非線性編輯網絡系統和集中上載系統。
• 非線性編輯網絡系統：系統以 S2A3000 為中心，采用雙網結構，主要由存儲子系統、服務器子系統、客戶端子系統等組成，編輯用高碼率視頻采用 MPEG2 4:2:2P@MlL 50I ，編輯 / 檢索用低碼率視頻采用 MPEG4 格式。
• 存儲子系統。集中存儲是實現網絡共享的基礎，因此存儲設備的選擇是網絡安全性和穩定性的關鍵。根據我們對系統容量的測算以及技術先進性．系統穩定性．成本情況的考慮，最終選擇了美國 Data Direct 公司的 S2A3000 作為高碼率視頻的存儲系統。 S2A3000 是 Data Direct 公司提出的 SAN Appliance （存域網絡設備）概念的產品，將交換設備． RAID 設備．連接設備．管理設備整合為一體，由控制器和硬盤塔兩部分組成，主要具有以下幾和特點：
• 高訪問帶寬：對內系統擁有可并發工作的 12 個內部磁盤通道，為大容量 I/O 操作和 RAID 技術提供了充足的帶寬；對外最高可擁有 8 個 100M 外部主機通道，可與 FC 交換機或主機相連，提供最高 800MB/s 外部訪問帶寬。根據我們具體情況，我們采用了 2 個激活的外部訪問端口，可提供 200M 訪問帶寬。
• 高可用性：系統中的所有設備都提供了冗余并實現了鏈路冗余。系統中的兩個可熱插拔的高速傳輸控制器 (HSTD) 形成冗余的 HSTD 對，并且每個硬盤都擁有 2 個磁盤通道同時與 2 個 HSTD 連接，形成相互冗余的鏈路。磁盤冗余采用了設計獨特的 DataRAID 技術，硬盤陣列由多個 RAID 組（稱作 Tier ）組成，每個 Tier 中有 4 個數據盤． 1 個校驗盤和 1 個 Spare 盤組成， Spare 盤可隨時替換出現故障的數據盤或校驗盤，并可自動進行數據熱修復。 Spare 盤還可以動態地為所有 Tier 提供備份服務。系統最多可以支持 4 個硬盤箱共 96 塊硬盤。根據我們的實際情況，我們選擇了 1 個 SF4016 硬盤箱共 16 塊硬盤，形成 3 個 Tier ，每個 Tier 有 4 個數據盤和 1 個校驗盤， 3 個 Tier 共享 1 個 Spare 盤。
• 可管理性：系統提供了一整套系統管理軟件，包括 vLUN Manager （虛擬邏輯單元管理器）． Configuration manager （配置管理器）． Firmware Update Manager （ Fireware 升級管理器）和 Performanage manager （性能管理器），為實現系統的集中．安全管理提供了保障。
除了 S2A3000 外，我們還選擇了 1 個擁有雙主機端口的 SCSI 磁盤陣列作為系統數據庫和低碼率素材的存儲設備，與 S2A3000 一起組成整個系統的數據存儲中心。
• 服務器子系統。系統中一共配置了 4 臺 DELL 1650 機架式服務器，其中兩臺安裝了 Windows 2000 Advanced Server 和 SQL Server 并與 SCSI 磁盤陣列相連，以群集的方式形成了一個雙機熱備系統，作為整個系統的主域控制器和數據庫服務器。一臺安裝了 Tivoli 公司的 SANergy FS 軟件，作為整個 FC 網絡硬盤共享的 MDC （ Meta Data Controller ）服務器，用于管理數據共享。最后一臺作為網管服務器，主要安裝了業務中間件（作為核心數據訪問和客戶端應用軟件的接口）和網管軟件，同時也作為 MDC 服務器的備份。
• 編輯工作站子系統。根據我頻道各欄目的編輯工作量并兼顧今后的發展趨勢以及投資成本，選用 9 臺有卡工作站（其中 8 臺在制作機房， 1 臺用于演播室節目采集）． 2 臺無卡工作站。有卡工作站采用 Matrox 公司的 DigiSuite LX 系列板卡，其中兩臺用于下載的工作站和 1 臺用于演播室節目采集的工作站采用 LX+SDI+MAX 組合，而其它的站點則采用 LX+MAX 組合。
• 集中上載系統：系統以 Sony 公司的視頻服務器 MAV70 XGI 為中心，可同時使用 4 個上載通道和 1 個回看通道，由 1 臺計算機作為控制服務器控制 4 個通道的同時上載。素材采集完成后，通過 MAV70 XGI 的千兆異步網絡接口以 FTP 方式將素材交由轉碼系統進行轉碼，然后通過光纖網傳至非線性編輯網絡中的 S2A 3000 中進行存儲。
• MAV70 XGI 是 Sony 公司推出的主要用于播出的視頻服務器，由于其穩定的性能、支持多路視頻輸入輸出、支持 FTP 文件傳輸等特性被選為集中上載系統的中心服務器。
MAV70 XGI 擁有 5 個插槽可用于不同的編碼板卡和解碼板卡的組合，但由于帶寬的限制，最多同時支持 4 個輸入通道，因此我們選用 4 個 BKMA-7020 編碼卡用于素材采集，其中第一和第二個通道帶有 BKMA-7050 模擬輸入板， 1 個 BKMA-7010 編、解碼卡用于回看，并帶有一個 BKMA-7060 模擬輸出板。
MAV70XGI 擁有 8 個熱插拔硬盤插槽，采用 RADI 3 技術，可選用 36G 或 73G 兩種規格的硬盤。由于在系統只作為素材在轉碼前的緩沖存儲，無需長時間保存大量素材，因此我們選用了價格較低的 36G 硬盤。
MAV70 XGI 千兆異步網絡接口（通過選用 BKMA-7045 異步網絡接口板）并不能將信息直接輸出到網絡中，而是通過 SCIS 線與一臺被稱作網關服務器的計算機相連，通過 FTP 以文件方式將采集的視頻文件讀入網關服務器，然后通過網關服務器的以太網接口傳入編輯網絡。網關服務器和 MAV70XGI 之間只能同時建立 3 條 FTP 連接，最大傳輸率為 260MBps ，圖 1 為 MAV70 XGI 示意圖。
(2) 集中上載控制子系統。控制計算機同時顯示四個控制界面，分別控制四個輸入通道，其中第一個通道可用于節目的自動收錄，其他 3 個通道則分別與 3 臺放像機相連。每個通道都可實現批量采集。
(3) 轉碼子系統。由 1 臺轉碼控制服務器和 2 臺轉碼工作站組成，當完成采集后，上載控制服務器通知轉碼控制服務器開始轉碼，轉碼控制服務器則根據設備情況調度轉碼工作站進行轉碼。轉碼工作站通過以太網絡從 MAV70 XGI 的網關服務器中讀取需要轉碼的文件，將其轉為能為 DigiSuite LX 板卡處理的文件格式，同時根據需要生成低碼率文件，并通過 FC 網絡傳入 S2A 3000 中進行存儲。
三、系統實現
非線形編輯系統是選用的索貝公司的創意 21 系統，該系統已在多家電視臺應用，屬于比較成熟的系統，此處不再復述。本文著重敘述一下集中上載系統的實現。
索貝公司原來也有一套用于自動收錄的系統，但與我們的需求尚有不小的距離，后來該公司派開發人員直接到系統安裝現場，與我們共同協商，現場開發實現了集中上載系統。根據我們的不斷討論，最終對系統的實現提出了以下明確的需求：
• 由于系統直接交由編輯、記者操作，因此要有極高的容錯能力和健壯性。
• 一臺上載控制計算機同時控制四個通道，包括對 VTR 的控制和對衛星信號的自動收錄，并且界面要簡潔、清楚，容易操作。
• 自動收錄擁有最高權限，當自動收錄任務即將開始時，系統自動結束該通道上的其他任務。
• 自動完成素材的轉碼和入庫工作，可根據攔目設置是否采集低碼率素材。
• 當一個上載任務開始后，該通道被鎖定，任務完成后自動釋放該通道并彈出磁帶。
最終形成的集中上載系統主要由兩大部分組成，即收錄部分與轉碼部分。
1 ．收錄部分：收錄部分主要是將外部的視音頻信號進行編碼，生成 MPEG2 全 I 幀文件。其主要功能是通過一臺上載控制計算機分別控制四個通道上的 VTR 或其它信號源以及 MAV70 XGI ，可采用打點．硬錄．定時錄制等方式完成對信號的采集．編碼。
為了進一步擴大上載信號源的種類，我們在 MAV70 XGI 的第一個通道上接上了一臺 SONY 4A 切換臺，可以接入四個不同的信號源（我們接入了 2 路衛星信號． 1 臺 DVD ． 1 臺松下的 640 型錄機），這樣就將原來的 4 路不同的信號源擴展為了 7 路信號源。每個 VTR 的 422 遙控接口以及 MAV70 XGI 上的 5 個 422 遙控接口都通過一個 MOXA 卡（一種 422 控制接口，可由一臺計算計通過 422 接口控制多臺設備）與控制計算機相連。
控制計算機的顯示界面上同時顯示四個窗口，分別對應四個通道，見圖 2 。每個通道都可以通過相應的控制窗口進行獨力控制。其中第一個窗口既可作為 VTR 的控制窗口，又可以作為自動定時收錄的控制窗口。
2 ．轉碼部分。 MAV70 XGI 中的 MPEG2 文件包裝格式與編輯系統所使用的格式不同，因此必須對其重新打包，即所謂的轉碼。 MAV70 XGI 有四個上載通道，但通過其網關服務器最多只能同時建立三條 FTP 鏈路，因此必須通過調度才能有效完成轉碼工作。轉碼部分主要有一臺轉碼控制服務器和兩臺轉碼工作站組成。控制服務器主要完成轉碼的調度工作，轉碼工作站則主要完成從 MAV70 XGI 讀取文件，完成轉碼并寫入 S2A3000 的工作。一臺轉碼工作站可同時完成兩個文件的轉碼。當上載控制服務器控制信號源和 MAV70 XGI 完成素材采集工作后，即向轉碼控制服務器發消息，要求轉碼，轉碼控制服務器則根據當前的設備使用情況進行調度，最終通過一臺轉碼工作站完成轉碼。
索貝公司在開始我們的項目之前，已經擁有了一套 MAV70 XGI 的上載控制系統和一套獨立的轉碼系統，在我們的制作網安裝的初期，只是根據我們的需求更改和完善了界面，增強了部分功能，并將兩個系統集成在了一起，但在我們的試用過程中發現了一些問題，經過我們雙方不斷地交流，分析問題的原因和尋找解決方法，最終使制作網成為了一個穩定．完善的系統。下面著重描述一下幾個當初比較突出的問題。
1 ．“入庫”問題。當轉碼工作站完成轉碼并將素材寫入 S2A3000 中時，上載工作并未完成，因為相關的素材信息（素材的名稱．采集時間．所有者等信息）尚未寫入數據庫，這時在編輯工作站的素材庫中是無法找到該素材的（除非手工引入）。因此，上載工作的最后一道工序應該是“入庫”，即將素材信息寫入數據庫的過程。在最初的集中上載系統中，素材信息是由上載控制服務器獲取的，但它在素材采集完成后，只是通知轉碼服務器開始轉碼，而轉碼系統并不關心素材信息。在轉碼完成后，轉碼服務器通知上載控制服務器，最后由上載控制服務器完成入庫。這一過程邏輯上并無問題，但在實際使用中卻發現只要上載控制．轉碼以及相互間的通訊中任何一個環節出現問題，素材都將無法正常采集入庫。因此在早期的使用過程中，系統必須遵循一個嚴格的開機順序，當任何一個環節出現問題時，必須關機，再嚴格按順序重新開機。后來經過與索貝開發人員的交流，將系統改為：上載控制服務器在通知轉碼系統開始轉碼時，同時將素材信息交給轉碼控制服務器，當轉碼完成后，由轉碼控制服務器完成入庫工作，這樣就大大提高了系統的健壯性。
2 ．“邊采邊轉 ” 問題。直接由編輯工作站采集素材所需時間完全是 1 ： 1 的。而集中上載時，將素材采集到 MAV70 中就需要 1 ： 1 的時間，轉碼過程也需要時間。對于只轉 MPEG2 高質量素材的，由于只是文件的重新打包，效率較高，大約只需 0.2 倍時間就可完成轉碼，這樣整個集中上載時間大約為 1 ： 1.2 。但對于已習慣于編輯工作站直接采集素材的編輯．記者們來講，上載工作完成后還要等待一段時間才能看到素材實在有些不習慣。 MAV70 XGI 支持邊上載，邊以 FTP 方式讀出數據，因此我們提出了“邊采集邊轉碼”的問題，即不是在素材全部采集到 MAV70 之后才開始轉碼，而是在素材剛剛采集一部分，形成一段緩沖之后就開始轉碼，這樣就可大大提高上載效率，基本上可已以近似 1 ： 1 的時間完成上載。
3 ．“分時轉碼”問題。當需要高．低碼率同時采集時，轉碼就不僅僅是重新打包，還要完成 MPEG4 的重新編碼，這時轉碼（真正意義上的轉碼）效率大大下降。同時，在完成 MPEG4 的編碼時，轉碼工作站并不釋放 FTP 通道，使得本來就稀缺的資源（因為有四個上載通道，但只有三個 FTP 讀取通道）又被占用。因此我們提出了“分時轉碼”問題，即首次轉碼時只完成高質時素材的轉碼（即 MPEG2 文件的重新打包），而當轉碼工作站空閑時，再回頭完成 MPEG4 編碼。
四．結束語。
都市頻道制作網從設備的安裝，到最后軟件的設計完成共經歷了四個月時間，通過與開發商的不斷交流和探討，最終基本上達到了我們的設計要求，通過半年來的使用，系統穩定，運行良好。
但在開發過程中也遇到了許多無法克服的困難，使得原有的設想難以完全實現，最突出的就是文件包裝的問題，雖然編碼方式擁有國際標準，但由于不同廠家之間不同的文件封裝格式使得相同編碼的素材在不同廠家的系統之間不能相互交換。其實文件的封裝格式根本不涉及核心技術，完全是人為的壁壘。因此，我們產業的管理部門應該考慮建立一個文件的交換標準，以使產業內的各種資源得以充分利用，也大大降低不必要的成本支出。
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