新奧特 | 超高清全IP視頻切換臺系統

　　廣播級視頻切換臺系統設備，作為廣電行業(yè)節目制播的核心設備，負責系統中各種信號的接入和切換輸出，該類(lèi)設備長(cháng)期被國外廠(chǎng)商壟斷，國產(chǎn)化的廣播級超高清IP視頻切換臺產(chǎn)品還處于空白狀態(tài)。市場(chǎng)上主流的廣播級視頻切換臺基于FPGA架構開(kāi)發(fā)，硬件開(kāi)發(fā)成本大、周期長(cháng)，且相關(guān)廠(chǎng)家已擁有較長(cháng)時(shí)間的技術(shù)積淀，技術(shù)壁壘高，難以突破。

　　視頻切換臺的功能單一，切換效果固化且簡(jiǎn)單，需要配備多種設備擴展其功能，整體流程復雜，人力、物力資源消耗大，各類(lèi)超高清制播設備的價(jià)格也較昂貴，以致超高清節目制播成本居高不下。

　　IP化標準歷經(jīng)復合流發(fā)展、分離流發(fā)展、網(wǎng)絡(luò )和資源管理發(fā)展等階段，多項標準已非常成熟。使用IP化技術(shù)進(jìn)行視頻信號的傳輸調度已成為下階段發(fā)展中的共識，可充分解決現有環(huán)境下制播系統向超高清發(fā)展面臨的困境。

　　國產(chǎn)化的SDN交換設備日漸成熟，在多地都已經(jīng)完成了實(shí)際應用案例。

　　新奧特超高清全IP視頻切換臺系統設計研發(fā)超高清全IP視頻切換臺系統，系統采用全IP架構，基于SDN交換機+通用計算機平臺。系統充分考慮應用流程簡(jiǎn)化、靈活操控、成本控制等問(wèn)題的同時(shí)，也滿(mǎn)足了超高清節目制作中用戶(hù)在包裝特效、新媒體支持、多場(chǎng)景制作等方面的提出的需求。

　　系統基于通用SDN交換機和軟件定義體系架構，研發(fā)切換臺調度管控軟件和視頻信號處理模塊，以較低成本實(shí)現超大規模SMPTE ST 2110 4K IP視頻信號低延遲傳輸和凈切換，以基于GPU的超高清三維渲染引擎呈現切換臺的三維多視窗和CG轉場(chǎng)特效。

　　系統同時(shí)具有超高清視頻文件播放、三維圖文渲染包裝、流媒體信號接入和輸出、字幕制作、Tally控制、錄制等功能，實(shí)現全媒體現場(chǎng)制作。

　　系統基于軟硬一體設計，硬件面板配置通道按鍵、轉換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶(hù)切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉場(chǎng)按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時(shí)部署在PC端及PAD、手機等移動(dòng)端。軟硬面板可協(xié)同工作，模塊化擴展，適配不同應用場(chǎng)景。

　　系統具有擴展性強，功能完善，靈活可變等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足電視臺的超高清、超融合、全媒體節目發(fā)展變化和節目制播需求。

　　國產(chǎn)超高清全IP視頻切換臺系統已在超高清節目制作中實(shí)踐應用，可滿(mǎn)足相關(guān)部門(mén)的節目生產(chǎn)要求，提高了節目生產(chǎn)效率，安全可靠。

　　系統架構圖

　　項目主要技術(shù)參數、系統指標：

　　?支持IP 2110信號的輸入和輸出;

　　?支持色域ITU-R BT.709和色域ITU-R BT.2020的渲染輸出;

　　?支持SDN IP調度管理;

　　?系統信號輸入數量與交換機相關(guān)，支持超大規模信號調度管理;

　　?系統支持PTP時(shí)鐘鎖相;

　　?支持PGM信號和PVW信號的凈切換輸出;

　　?具備信號切換模塊，支持信號硬切換、特技切換、動(dòng)畫(huà)轉場(chǎng)切換;

　　?支持多格式本地視頻文件的邏輯設置和播出;

　　?支持三維多視窗場(chǎng)景的編輯和輸出;

　　?支持流媒體信號的輸入和輸出;

　　?支持三維圖文包裝內容渲染;

　　?支持Tally控制;

　　?支持本地文件錄制;

　　?支持硬件操控面板的控制;

　　?支持虛擬軟面板的控制;

　　?支持硬件面板和虛擬面板的系統操控;

　　項目技術(shù)及工藝創(chuàng )新要點(diǎn)：

　　項目技術(shù)點(diǎn)：

　　a.技術(shù)架構

　　本系統中包含視頻信號調度模塊、視頻處理模塊及控制模塊。視頻信號調度模塊包含SDN調度管理服務(wù)器;視頻處理模塊中包含SMPTE ST 2110 IP信號接入、文件播放、圖文包裝、流編解碼、Tally、信號錄制、信號切換、特技切換、三維多視窗場(chǎng)景切換等多個(gè)功能組件;控制模塊中包含硬件操控面板、軟操控面板。系統采用全IP架構，強大的渲染能力，將諸多演播室功能融合于系統內部，無(wú)需額外增加設備。

　　功能模塊架構

　　b.信號調度凈切

　　基于通用SDN交換機和軟件定義體系架構，研發(fā)切換臺調度管控軟件，滿(mǎn)足無(wú)壓縮、低延遲4K IP視頻信號調度應用需求，支持SMPTE ST 2110、SMPTE ST 2022-7、SMPTE ST 2059-2等標準;支持SDN交換機端口管理，流信號的管理和監測，實(shí)現視頻數據、音頻數據、輔助數據的一鍵式切換。

　　本系統采用創(chuàng )新無(wú)壓縮IP視頻信號雙層調度切換機制，用戶(hù)使用操控面板發(fā)出切換指令，視頻信號調度模塊聯(lián)合視頻處理模塊，最終完成SDN交換機中IP 2110信號的調度和視頻處理模塊的畫(huà)面凈切換輸出。全IP架構，靈活性高，擴展性強，可通過(guò)交換機端口擴展，以較低成本實(shí)現超大規模ST 2110 4K IP視頻信號低延遲傳輸和凈切換。

　　通用型SDN交換機+創(chuàng )新調度

　　c.三維渲染引擎

　　視頻處理模塊中的超高清三維渲染引擎，采用了諸多先進(jìn)的算法和技術(shù)語(yǔ)言，提供了豐富的功能組件：

　　渲染引擎采用通用的三維渲染技術(shù)Direct3D和與之配套的高性能GPU。渲染引擎內部采用16位RGBA浮點(diǎn)渲染，并采用浮點(diǎn)紋理格式，擁有遠超常規整數渲染的高動(dòng)態(tài)范圍和高精度;三維渲染引擎使用GPU語(yǔ)言實(shí)現了高效的多路超高清畫(huà)面色彩空間和像素格式的轉換算法，使用GPU支持的快速內存操作保證了大量數據的快速傳輸，在技術(shù)實(shí)現上保證了使用10bit格式輸入輸出多路HDR視頻的實(shí)時(shí)性;三維渲染引擎具備強大的視頻播放能力。其技術(shù)涉及CPU解碼、GPU上載、GPU紋理處理、幀/場(chǎng)處理和渲染展示等。

　　搭載超高清三維渲染引擎，視頻處理模塊可完成視頻切換臺中畫(huà)面轉換的渲染，可為轉換提供CG轉場(chǎng)特效，CG轉場(chǎng)特效設置簡(jiǎn)單，畫(huà)面效果豐富。內置的超高清視頻播放列表和多視窗場(chǎng)景資源也可作為信源通道參與切換;內置的圖文包裝播出列表可完成圖文字幕的渲染和疊加。

　　三維多視窗場(chǎng)景

　　d.軟硬面板一體化操控

　　系統基于軟硬一體設計，硬件面板配置通道按鍵、轉換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶(hù)切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉場(chǎng)按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時(shí)部署在PC端及PAD、手機等移動(dòng)端。軟硬面板可協(xié)同工作，模塊化擴展，適配不同應用場(chǎng)景。

　　操控指令

　　e.同步信號

　　PTP時(shí)間精度可達到亞微秒級，可滿(mǎn)足廣電行業(yè)更高精度的時(shí)間同步要求。本系統中配置一套同步系統采用ST 2059-2 的PTP 信號，所有IP設備均可聯(lián)通PTP時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘校準，實(shí)現全環(huán)境中信號的時(shí)鐘同步。

　　f.延遲

　　在IP系統中的信號傳輸，同樣也會(huì )有延遲的問(wèn)題，系統流程上設備內部進(jìn)行信號處理或系統間信號傳輸交互都需要耗費一定的時(shí)間。本系統中交換機傳輸、視頻處理模塊切換構成了系統輸入到輸出的總體延遲。

　　視頻處理模塊接收到IP 2110信號流后，先進(jìn)行信號的采集解碼，然后將視頻內容和音頻內容分別推送至視頻池和音頻池。視頻池中的內容經(jīng)過(guò)切換處理后通過(guò)內部鍵混增加圖文字幕信息，最終視頻畫(huà)面內容被推送到IO卡進(jìn)行編碼輸出。音頻池中的內容也遵循音頻混合邏輯，在音頻混合器中完成合成，被推送到IO卡進(jìn)行編碼輸出。音頻內容和視頻內容在視頻處理模塊渲染引擎中進(jìn)行高速處理合成，有效降低了系統的整體絕對延遲。

　　視頻處理模塊內部流程圖

　　g.Tally控制

　　系統提供Tally控制模塊，可通過(guò)TSL 5.0協(xié)議發(fā)布三色Tally信息。系統中需要Tally顯示的攝像機，聯(lián)通與Tally模塊的通信。當切換處理核心模塊進(jìn)行信號切換時(shí)，會(huì )將切換信息傳送給Tally模塊,由Tally模塊將信息發(fā)送至接收端。

　　h.音頻處理

　　系統提供虛擬調音臺，系統為接入信號(SMPTE ST 2110、NDI、流媒體、DDR)自動(dòng)創(chuàng )建一路音頻控制器。系統還可支持外置聲卡的接入，支持音頻的輸入和輸出。

　　音頻控制器支持UV表顯示和調節，Tally顯示，伴隨及禁音狀態(tài)顯示。虛擬調音臺默認切換邏輯為“伴隨切換”，音頻輸出通道的內容會(huì )隨著(zhù)PGM通道內容切換自動(dòng)進(jìn)行切換，未進(jìn)入PGM通道播出的信源的音頻內容被自動(dòng)禁音。另外系統還支持“禁音”和“伴隨混音”的邏輯，“禁音”設置具有最高權限;音頻控制器“伴隨混音”設置打開(kāi)，該路音頻內容將會(huì )持續在輸出通道中進(jìn)行混音。

　　i.系統安全

　　為確保系統運行的穩定與安全，系統在程序運行平臺、信號冗余保護、應急處理等方面都做了一定的考慮和處理：

　　基于Linux操作系統開(kāi)發(fā)切換臺調度管控軟件，系統具有高安全性、高靈活性、管理靈活等特點(diǎn)。

　　本系統SDN交換機支持主備流配對，切換時(shí)支持同步切換。在核心處理系統中，支持SMPTE ST 2022-7主備路冗余信號的同時(shí)輸入和同步凈切換，實(shí)現信號的冗余保護

　　基于異態(tài)路由調度策略機制，實(shí)現一鍵智能應急切換。操控面板配備智能應急按鍵。當切換臺輸出信號出現異常時(shí)，應急人員無(wú)需判斷故障節點(diǎn)，只需按智能應急按鍵進(jìn)行應急。系統根據事先設置的異態(tài)路由調度策略機制以及按鍵的次數進(jìn)行緊急切換應急。應急操作簡(jiǎn)單，從而提高應急效率。

　　工藝創(chuàng )新要點(diǎn)：

　　a.研發(fā)切換臺調度管控軟件和視頻信號處理模塊，以較低成本實(shí)現超大規模ST 2110 4K IP視頻信號低延遲傳輸和凈切換，實(shí)現對 IP視頻流的實(shí)時(shí)切換和特效處理;

　　b.本系統具備超強的本地超高清視頻播放能力;支持多種流媒體信號接收;系統內嵌在線(xiàn)包裝模塊，可實(shí)現三維圖文包裝內容的內部疊加和字幕播出;系統具備音頻處理模塊，支持聲音的多種控制邏輯;系統支持PGM信號錄制為多格式本地文件和多格式、多編碼、多地址指向的流媒體推送;支持TSL 5.0 Tally信號的發(fā)布，多功能融合，可實(shí)現全媒體現場(chǎng)制作。

　　c.系統基于軟硬一體設計，硬件面板配置通道按鍵、轉換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶(hù)切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉場(chǎng)按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時(shí)部署在PC端及PAD、手機等移動(dòng)端。軟硬面板可協(xié)同工作，模塊化擴展，適配不同應用場(chǎng)景。