发展及其应用

浅析硬盘播出系统的原理、发展及其应用

郭秋娜

随着广播电视技术在数字化、信息化、网络化方面的高速发展,各级广播电视台正加紧进行播出机房的改造,即将传统的自动播出系统改造成硬盘播出方式。视频服务器(Video Server)作为一种新的技术手段被应用于播出系统。早期的视频服务器通道数量少、存储容量低,主要用于广告的插播,视频服务器仅仅作为硬盘录像机使用。计算机技术的高速发展使视频服务器技术有了巨大的进步,计算机本身的处理能力、总线带宽、存储容量和网络传输速度的大幅度提高,使视频服务器的性能有了很大提高,在播出系统中的地位有了根本性的变化。由过去的代替部分录像机的功能变成播出的主要手段,这对播出系统的设计产生了重大影响,播出系统进入到共享方式的全硬盘自动播出系统的时代。

一、硬盘播出系统的设计思想

全硬盘播出系统设计强调的是“无溃点设计”,这与传统的自动播出系统在具体的设计方法上有了很大的变化。传统自动播出主要在技术手段上实现系统的应急,对信号源和播出设备的故障,在情况发生后做及时处理,能确保播出信号不中断,但不能保证内容的连续性,即“只应急,不备份”。全硬盘播出则引进大量的计算机安全处理技术,对播出信号源和控制信息作备份设计,以实现所谓“热备份,热切换”,从而保证播出故障发生时播出内容的连续性,全面地提高播出系统的安全性。在整个播出系统中,系统的安全播出涉及到的环节除了物理设备以外,还包括信号源、控制信息和数据库信息等,因此硬盘播出系统在所有关键环节均采用了冗余备份的手段,典型技术是硬盘结构上采用视频服务器双机镜像结构、主备数据服务器、主备播控机,软件技术则包括系统的自动监控技术、主从自动同步技术等。

二、素材采集

对于视频服务器的输入/输出,不仅包括视频信号还包括压缩数据信号。视频信号可以是模拟或数字信号,压缩数据可以是SDTI/MPEG或是数据文件。目前,我们至少可以使用3种方式将素材调入服务器。

1.视频信号采集方式。

视频信号的采集包括模拟和数字视频信号采集,这是公认的适用于所有录像机和品牌服务器的采集方式。模拟及数字视频采集到视频服务器中,根据所选定的压缩格式、比特率和GOP构成,被编码为不同级别信号质量的数字视频。

优点:简单。因为它是所有录制设备所公认的方式,我们可以在考虑硬盘存储空间及视频质量两个方面的同时,选择适宜的压缩比。例如,广告节目的质量要高于老电影的质量,同时这种方式在采集时易于观测。

缺点:素材经过多次编/解码后,信号质量会降低,反复的信号录制极易导致错误的发生,这就要求播出前要进行多次检查。

2.压缩数据流的方式。

压缩数据流方式包括用于DV的SDTI,用于MPEG的SCTI-CP或MTS。用于SDTI和MTS的数据压缩方式的选择取决于素材发送者,因为数据直接传入服务器硬盘并不经过编码。

优点:素材采集无须经过编/解码过程,信号质量不会损失,SDTI可以高于实时4倍的速度采集。在传送过程中,数据被保存并自检,无须在播出前检查。

缺点:难以实现录制监控。

3.文件传送方式。

以文件方式传送素材到服务器通常是最快捷、最可靠的方式,但这仅限于服务器到服务器之间的传送。传送文件的格式尤为重要,当前有GXF(General Exchange Format)和MXF(Material Exchange Format)两种标准格式,这两种都是Pro-MPEG组织制定和推广的文件格式。GXF用于播出素材的传送,是一种现有的格式;MXF是一种相对复杂的文件传送格式,在传送素材的同时,它还可以传送EDL(编辑决定表)及其他的编辑信息。

优点:素材传送不会带来质量损失,无须再次编/解码,素材可以实现以太网或光纤网的速度传送,以高于实时20到30倍的速度传送。传送过程实现自我检验,无须再次检验素材。

缺点:不同的服务器制造商还不能实现传送文件的交互。

三、压缩编码格式

在编码过程中,压缩后的码率越高,图像质量越好,但同时占用的存储空间也越大,可以根据实际需要来选择相应的压缩比。目前,普遍采用的编码方式有3种:Motion-JPEG,MPEG-2和DVCPRO。

1.Motion-JPEG。自从服务器进入市场以来,Motion-JPEG就成为压缩方式的首选,该格式高效、稳定,编/解码板的价格合理。

优点:Motion-JPEG易于实现编辑、增加渐变等效果,从而实现快速、高效的播出及操作,它多年来已成为一种标准的通用格式。至今虽仍应用于后期制作但面临着被淘汰的危险。

缺点:自从多种编/解码器问世以来,没有哪一种编码及压缩格式成为标准,如果一种服务器仅限于Motion-JPEG一种方式,就很难实现视频素材的相互交换。

2.MPEG-2。用于广播级的MPEG格式是MPEG-2(4∶2∶2)。MPEG-1是一种用于浏览的(VCD)流行格式,但它的质量达不到播出要求,而MPEG-2(4∶2∶2)不仅提供了达到播出质量的高效压缩方式,同时还包括高质量的色度信息。MPEG-2提供了高达50Mb/s的压缩比,并利用冗余压缩方式,在提供高质量视频信号的同时,在实现低比特率方面比其他压缩格式更为有效。利用冗余压缩方式可以降低所需压缩数据的总量,在许多情况下,同样的视频质量,采用MPEG-2压缩比Motion-JPEG压缩节省近1/3的比特率。

优点:在获得高质量视频及低比特率方面卓有成效。MPEG是一种易于编辑的标准格式,不同的MPEG系统可以共用同样的数据文件(有些数据需要转换后使用),MPEG文件可以作为压缩数据通过MTS或SCTI-CP传送。

缺点:GOP MPEG在许多系统中难以实现编辑、修改等操作,因为不是每帧都包含帧重组时所需的全部数据,在用于编辑时需要编码为I帧,这样就大大增加了所需比特率,如同Motion-JPEG。

3.DV、DVCPRO。DV、DVCPRO是一种基于帧的压缩格式。它有两种选项:25Mb/s和50Mb/s,25Mb/s是4∶1∶1的格式,50 Mb/s是4∶2∶2的格式。由于它是基于帧的压缩,在编辑方面较MPEG更为容易。

优点:用DVCPRO摄像机拍摄的素材可以直接传到服务器或非线性编辑机上,这样可以保证较高的视频质量。

缺点:DVCPRO的压缩比固定为25Mb/s和50 Mb/s,限制了在选择视频压缩比方面的灵活性。

四、硬盘存储方式

硬盘存储方式在过去几年发展很快,有效地降低了存储的成本,尤其是RAID(独立磁盘冗余阵列)的出现,大大推动了视频服务器的开发进程。目前,几乎所有的视频服务器都采用了RAID阵列技术,使视频服务器的可靠性、存储容量与带宽都有了明显的提高。

RAID阵列有5级,其中有3种流行的格式:

1.RAID-1:是为了实现容错而采用的对数据进行镜像存储的一种方式。也就是说,如果你有5块数据盘,则你还需要5块盘做镜像备份。

2.RAID-3:利用冗余磁盘阵列来提供数据的容错。即,需要一个献出分区的硬盘来实现。用户可以定义多个数据盘、一个分区硬盘。比如,4块数据盘和一个分区硬盘组成一个RAID组。RAID-3在传送大量数据时能提供最出色的性能和保护,对于非常大且较少处理的视频素材来说,它是一个理想的选择。

3.AID-5:将备份盘遍及所有硬盘。RAID-5更适用于那些小且需要较多处理的文件。

目前,较多播出系统中的硬盘首选硬件支持的RAID-3技术。

五、播出工作方式的变革

硬盘播出系统的工作模式,已经由过去的分控独立工作方式发展成为多部门协同工作的模式。典型的方式是播出、广告、新闻、总编、制作等多个部门按照工作流程组织起来,以视频网络和计算机网络为基础,构成一个完整的播出业务综合平台,形成一个基于流程的网络化生产环境,大大提高了工作效率和安全性。

随着广播电视数字化进程的日益加快,硬盘播出已成为电视台播出系统的必然发展趋势。如何正确选择硬盘播出系统的类型,关系到电视台的未来发展,因此要十分慎重。愿通过本文对硬盘播出系统的浅析,给大家在硬盘播出系统的选型上提供一定的参考。