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电视节目的存储及管理
电视节目的存储及管理
`2000中南地区省级电视台技术协会技术论文一等奖《广播与电视技术》2000年第12期发表
前 言
电视台对电视节目的存储目前主要还是采用传统的磁带存储方式，这种原始的方式有很多的弊端：易损，占地大，成本高，难于重新使用。更重要的是难于长期保存，通常在满足磁带保存环境的要求下，磁带的寿命一般在10年左右，到期只能淘汰，再也不能使用。另外，对于长期积存的磁带，各电视台也没有非常有效的管理工具去管理，开发，利用这些越积越多的资源，记者与节目制作人员尽管知道台里有丰富的资料，却由于难于查找所需的节目，而放弃使用这些几乎免费的资源素材，更不用说向社会开放这些资源，满足日益发展的电视节目资源的全球化共享。
随着计算机信息技术与视频技术的发展，出现了稳定高效的数据压缩方式，高速宽带计算机网络，以及大容量数据存储系统，而且国际互联网及企业内部网的超前发展也给电视台节目挡案的网络化存储，查询，共享，交流提供了可能。宽带网络技术及视音频压缩技术的成熟，为电视台网络化铺平了道路，今后传统意义上的电视节目制作，播出设备及带库管理将逐步向多媒体网络设备过渡，网络所具有的高效率与灵活性等优势，会充分体现在电视台的节目传输，分配，制作，播出及存储领域。
今天，越来越多的电视台装配了基于计算机系统平台的非线性编辑设备，新闻制作网及自动化播出设备，但是作为实现共享的数据源——节目资源的存储及管理却还停留在早期磁带库阶段，究其原因，虽可举出种种理由，但无庸讳言的是该环节已阻碍了现代化的视频资源共享方式的展开。本文就是想在这方面做一些积极的探索。
一 . 电视节目的存储
1 . 存储方式的选择
电视台所存储的内容以视音频素材为主，在选择存储方式时，应综合考虑过去，现在，将来已经使用或将要使用的方式，选择高质量，高效率，便于利用的方式存储各种不同类型数据。 图1给出了电视台的节目生产流程。
在专业视频应用领域，不管是压缩还是非压缩，大都集中在分量格式领域，因此在做格式选择时要特别注意。根据具体应用情况，不同阶段选用相适应的信号格式，使整个生产流程平滑过渡，尽量减少信号转换造成的损失，以达到最佳质量效果。
若信号采用不压缩方式记录存储，信号质量最好，无损失。但存储数据量非常大，以1小时无压缩数字视频信号D1计算，其数据量就达100GB以上，对电视台数以万计盘的磁带来说，如此庞大的数据量会使存储成本，管理费用及日维护费用非常高。随着压缩技术的成熟，由压缩所带来的信号损失也越来越小，已完全达到了制作及播出要求，因此选择适合的压缩技术和格式，对信号进行压缩后再存储，降低存储成本是必然的选择。
3、图像质量足够高，满足记录重放复用的要求。
7、压缩效率高，在保证图像质量的前提下，降低存储成本和维护费用，减少网络传输压力。
9、较好的兼容性。兼容HDTV和DTV等数字电视的飞速发展，压缩格式应较易向数字电视过渡且损失较小。
12、良好的互操作性，压缩格式必须可应用于节目制作及传输播出的全过程，以减少格式转换带来的损失。
13、 较长的技术生命周期。
MPEG-2是目前全球电视行业都普遍接受的专业视音频信号压缩格式。已经广泛应用于信号传输中，且在高清晰度电视，数字电视中也已采用了MPEG-2压缩技术，同时MPEG-2在前期素材采集，后期节目制作领域的应用技术也在不断发展成熟。
利用存储的节目进行二次编辑时，无论何种压缩格式，一般均要求采用4：2：2取样格式，因为4；1：1或4：2：0取样格式做二次编辑时，色度还原性较差。
对于现存的JPEG，M-JPEG和MPEG-2压缩方式而言，只有I帧的MPEG-2实际上与JPEG编码相仿，两者均采用DCT（离散余弦变换）算法，但两者在内部处理上有所不同，MPEG-2更加专注于视频信号的处理，而JPEG对图片处理拥有更大的灵活性，而对于电视编辑人员及众多电视观众，这种灵活性对他们是没有意义的。MPEG-2在处理单帧视频信号的压缩效率稍高于JPEG约15%--20%左右，由于两者压缩算法不完全相同，当由M-JPEG转换为MPEG-2时，不单要进行再压缩，同时还要进行压缩格式转换，这种格式的级连转换会造成较大损伤，而对于MPEG-2之间格式转换来说，I帧不必再进行格式转换，仅需进行再压缩即可，因此损失比MPEG与JPEG之间转换小，这就是整个链路最好采用一种格式的原因。
由于目前技术条件的限制，长GOP结构的MPEG-2做编辑尚不成熟，但只有I帧或IB帧的GOP结构的编辑技术已步入实用阶段，随着逐帧MPEG-2编辑技术的逐步完善，从素材采集一直到存储播出整个链路均采用MPEG-2一种大格式成为可能。在不同的应用场合，采用不同的“级”和“类”组合，配以合适的码率，可满足不同的使用要求，如在采集，编辑，制作阶段采用只有I帧和IB帧的短GOP结构组合的MPEG-2 4：2：2编码方式，码率选择30-50Mb/s，重点保证编辑质量与编辑精度；传输播出时可根据使用场合要求的不同选用有IBP帧的GOP（12帧）结构组合的MPEG-2 4：2：2或4：2：0编码方式，码率选择4--10 Mb/s的低码率；存储时也可采用长GOP结构的MPEG-2 4：2：2编码方式，码率选择15--20 Mb/s。这样一来，整个链路均采用MPEG-2一种格式，最大限度的减少了由于数据格式转换带来的图像质量劣化，使系统组合更为合理统一。
2 . 存储介质的比较
计算机技术的飞速发展，也使其拥有的成熟技术及先进理念，迅速渗透进其他行业与领域，存储技术就是如此。计算机的存储系统是由内存，硬盘及辅助海量存储器（硬盘阵列，光盘库，数据流磁带机）构成。根据不同的应用场合，大中小型计算机应用系统配备不同的数据存储设备。我们知道各种存储介质有其各自不同的特点和适用范围，其容量，性能，价格关系构成一金字塔结构，如图2所示，塔尖为内存即芯片级存储，以下依次为硬盘，光盘，数据流磁带。内存由于是芯片级的存储，完全为计算机CPU专用，不能用于大容量视频数据的存储，本文不再详述。下面重点对其他几种介质的性能，价格及其在电视领域的应用前景进行分析比较。
2 . 1 硬盘
硬盘在计算机的硬件配置中是不可缺少的部分，主要用于计算机数据，程序，软件的存储。
硬盘的容量决定于盘片数与面密度，问题是盘片数的增加会使硬盘体积增厚。目前高端硬盘产品SCSI硬盘采用的是正反面都记录的多盘片结构，都有磁头用于数据的读写，存储密度可以达到每盘片1820MB。
硬盘的数据传输分为CPU通过总线在内存与硬盘之间进行数据传输，以及硬盘管理系统驱动磁头寻道并将数据读出或写入盘片。其中后者是决定硬盘总体数据传输率的关键。SCSI硬盘的最小寻道时间为6.5ms。至于CPU与SCSI硬盘之间的数据传输率目前已能达到80 MB/s，而且传输距离也可达到12m（采用68芯或50芯扁平电缆）。
尽管单个SCSI硬盘的容量与数据传输率已相当可观，但为了支持海量存储，业界一直在研究开发独立硬盘阵列冗余技术即RAID技术，将多个SCSI硬盘做为一个逻辑硬盘，保证大型数据文件存储的整体性。RAID技术是目前提高硬盘阵列速度和冗余的主要手段。
硬盘虽然具有读写速度快，数据容量大的特点，但是是否就适应于电视台的各个环节的节目信息存储呢？做个简单的计算就可以得出结论：以中型电视台10万盘磁带的存储量为例，大约需要近20万GB的信息存储量，如果采用18GB的SCSI硬盘，售价9000元，将需要约10000个以上硬盘组成阵列，造价也成了天文数字，显然是不现实的。因此在少量的信息存储应用中硬盘的确有较大的优势，比如在制作领域就大量用于非线性编辑设备，在播出环节也有硬盘录象机大量用于自动播出，以Fibre Channel构造的新型新闻制作网也多采用硬盘阵列作为节目存储的硬平台。
2 . 2 光盘
最新一代的大容量存储设备是DVD，其存储数据的格式为MPEG-2，完全能够满足广播级视音频信号的要求，它达到了目前技术上最理想的容量。DVD光盘的几何尺寸与普通CD相同，但其容量却是CD的8倍-15倍。对于单层DVD，其容量是4.7GB，可存放132分钟的MPEG-2影片，这意味着标准长度的电影和数字音频都可以记录在一张DVD光盘上。要实现必须将所有数据按一定的格式存放在DVD盘上，DVD播放机才能读出这些数据, 播放出高品质的画面和优美动听的音乐。其中影像采用MPEG－2压缩，音效可采用MPEG－2 Audio、DOLBY AC－3、LPCM及DTS，基本上是把视频讯号压缩至1/40左右，但是MPEG－2的压缩率是可变的，MPEG－2速率平均为3.5Mbps，最高约11Mbps，DVD 的分辨率为720＊480，35万像素，水平扫描超过500条，而且还有多国字幕。那么132分钟是怎么算出来的呢？它是MPEG－2 3.5Mbps＋AC－3 5.1CH 384Kbps＊3＋字幕10Kbps＊4=0.59M/S除以单面单层4.7G，大约就是132分钟了，其中AC－3 5.1CH表示6个声道。而采用双层双面技术的DVD盘存储容量达17GB，能连续播放8小时的广播级节目。
通常说的DVD实际上可分为只读（DVD-ROM，DVD-Video,DVD-Audio），只写一次（DVD-R(Recordable)）和可重写三种规格。DVD—Video和DVD—Audio多用于影音电视设备,而DVD—ROM、DVD—R、可重写DVD则多用于计算机设备中。其中DVD—VIDEO和DVD—ROM标准已经统一。
只读DVD的发展状 况见表1。只读DVD技术相对比较成熟，也有一些应用于电视领域的实例，主要是被建成光盘库，用于自动播出或对台存节目资料进行长期保存。这种方式不仅具有容量优势，而且还克服了传统录象带质量易劣化，占用空间大，查询管理困难，利用率低等缺点，并且它在保存图象清晰度，音响保真度，数据传输率，纠错能力及用户间交错功能等方面也优于传统的磁带。表2以DVD-Video为例给出了DVD存储视频，声音和字幕子图象编码的有关参数。
从表2可以看 出，只读DVD-Video的传输码率范围为1--10Mbps（视频），远小于电视节目制作所要求的30--50 Mbps的码率，它只能刚刚达到传输播出的4--10 Mbps的低码率要求，对于存储要求15--20 Mbps的码率要求而言，也显低。要想真正利用DVD于电视节目制作和存储，必须使用更先进的DVD技术。
只写一次的DVD-R使用有机染料作为信息记录层，可以说它是DVD版本的CD-R。目前DVD-R刻录机只有整盘刻写和增量刻写两种刻录方式，一台售价约为5000美元左右，相当昂贵。与只读DVD相比，技术指标上没有更多改进，主要用于DVD节目的编辑，检验和小批量发行，不适宜于电视台节目的制作与大量存储。
对于可重写DVD，目前存在DVD-RAM，DVD-RW和DVD+RW三种相互竞争的规格，各大公司至今还未达成一致意见，也没有统一的国际标准。1997年4月，由10家公司组成的DVD联盟发表了单面存储容量为2.6GB，双面存储容量为5.2GB的DVD-RAM标准，该标准采用了相变介质记录方式，它的记录和读出完全采用光学技术，利用激光使记录介质在结晶态与非结晶态之间的可逆相变结构实现信息的记录和擦除。与MO（磁光）技术相比，相变光盘存储技术具有记录密度高，记录成本低，介质寿命长，驱动器结构简单，读出信号信噪比高和不受外界磁场环境影响等突出优点，因此已成为光存储技术的主流，具有广阔的应用前景。DVD-RAM可进行反复多次的存取，数据率从4--15 Mbps可选。非常适合于大容量节目的长期保存，并允许多人同时对其进行查询和读/写操作，而DVD光盘的非接触性激光数据读取方式，不会由于多次检索和读/写操作造成视音频质量的损伤和劣化。
DVD-RW是日本先锋公司基于DVD-R提出的，它也使用相变介质进行信息的记录，擦除和重写，其容量为4.7GB。但一直没有正式产品推向市场。
DVD+RW是由PHILPS，SONY和HP三家公司于1997年5月联合推出的另一种单面容量为3GB，双面容量为6GB的可擦写DVD规格。DVD+RW光盘不需要附加盘盒，性能更优于DVD-RAM，并且兼容性也优于DVD-RAM。表3给出了各种可重写DVD规格的比较。
DVD的 制作，首先必须利用非线性编辑系统将视频，音频信号采集进入计算机，然后利用DVD制作系统完成制作，包括：DVDirector软件、硬件DVD回放卡、MPEG压缩程序及字幕生成调用程序四部分。DVD-RAM光盘在写入数据的时候只能使用包格式写入，并且需要在光盘上记录部分文件系统数据，由于其的影响以及激光不断的开关切换动作，DVD-RAM驱动器的实际速度要比标识的速度慢约10%。通常DVD-RAM驱动器的速率是以“X（倍速）”来标识的，这是沿用了CD－ROM的用法。一个“倍速” DVD-RAM读取数据速度为1.35MB/ s。另外，在描述DVD-RAM驱动器的读取速度时，“倍速”的概念还反映了一台驱动器要用多长的时间才能在连续方式下刻写完一张光盘，以4倍速DVD-ROM为例，刻录一张单面单层4.7G的DVD光盘，约需1 5分钟。以制作一部标准长度90分钟电影为例，从上载到完成刻录约需2小时。表4给出了各代DVD机芯的特征。
从使用的角度看，DVD光盘具有广阔的市场前景，它也应该代表了高速大容量存储设备的发展方向。但目前它所面临的主要问题在于格式的统一，速度与容量的提高，价格的降低等。其中格式的不统一，制约了DVD的发展应用，也给用户带来了风险。同时传输速率还是比较低。对于专业视音频领域要求的大容量，高速度，低价格存储来说，目前光存储技术发展的程度，容量及读/写速度，价格等指标均显勉强。
2 . 3 数据流磁带机
数据流磁带机也是利用磁记录技术保存数据的，是目前工业系统广泛应用的一种备份设备，例如银行业，证券业，气象台等。它与电视台使用的传统磁带很相似，可以说是由其发展而来的。只不过它是配属于计算机的存储外设，记录的数据不是以帧为单位的图像信息，而是以计算机文件形式存在的数字信息。与前面介绍过的硬盘，光盘记录方式相比，磁带备份具有下列优势：
. 成本低，每GB的存储成本低于1.3美元。
. 易于存储，保管，可通过更换磁带无限扩充容量。
. 可靠性高，存储时间超过30年。
. 允许无人操作的自动备份。
. 容量高，一盒磁带中可以存储高达70GB的数据。
. 传输率高，压缩后可以达到10MB∕秒。
磁带备份技术一直在发展。更有效的磁带方法，更新的格式一 直在不断涌现，四分之一英寸盒带（QIC）是为数据储存应用而专 门设计的。在四分之一英寸磁带上，数据可以以连续迂回的方式记录在最多为144 个轨道上。Traven技术是QIC格式的一种体现。
数字视频技术（DAT）最初是为数字视频记录而设计的。当在4mm磁带上实现了大容量的数字数据存储、快速的数据传输速率和可靠性之后，DAT就被用作磁带备份的媒质。
8mm磁带技术最初是为视频工业而设计的。其最初目的是将高质量的彩色图象传输到磁带上，供存储和检索。现在，8mm技术也被计算机工业所采纳，成为储存大量计算机数据的可靠方法。
数字线性磁带（DLT）是磁带备份技术的最新进展。它采用对称相位记录技术，交替改变磁头的角度，帮助消除磁道间干扰。
表5给出了不同型号数据流磁带的类型，记录格式与特点。不同型号之间的数据流磁带互不兼容。使用数据压缩技术的数据流磁带机的存储容量，将取决于该驱动器是工作在自然模式（未压缩）还是压缩模式。压缩技术一般能将储存在媒质上的数据量加倍，实际获得的压缩程度对被压缩数据的特点很敏感。
为了满足大容量存储以及备份的需要，业界还推出有能够自动备份数据的数据流磁带库，通过使用存储管理软件，来实现自动按时备份。这种磁带库一般带有多个DLT驱动器和两个以上SCSI数据通道。容量可达到TB级（万亿字节以上），传输率可达10--20MB/S。由这些分析可以看出，数据流磁带应该是目前最经济合理的大容量，高速度存储媒介，也比较适合于电视台节目资料的长期保存。
二 . 电视节目资源管理系统
随着技术的发展，几种记录介质的性能价格比均不断提高，相互之间的互补关系也在加强。当设计一个存储构架时，依据系统的使用要求如响应速度，访问频率，归档管理，介质维护，存储成本等因素综合考虑，实时监控调整，在不同的需求层次上选用不同的存储介质，构成一层次型分级存储介质管理构架，配以相关的动态，智能化管理软件，实现智能化层次型存储管理系统，才是一个完善先进的电视台节目资源管理系统。
1 . 节目资源管理的功能
节目的资源管理不能仅局限于存放数据，而且必须针对系统的使用性质确定一套完整的策略，充分考虑可能发生的情况和应急措施，保证数据的安全性，保密性，可用性及可靠性。
由于上面提到的存储介质都离不开计算机的调度和分配，而计算机在某些情况下可能发生系统崩溃或数据丢失，因而备份是保证系统安全最基本，最常用的手段。因此数据的自动备份与恢复是任何大型系统所必备的功能，有些重要资料甚至需要异地备份功能以防灾难性事故的发生。
数据的保密性应从两个方面考虑，一是数据的访问授权，包括人员，地点，时间，可访问数据类型等。二是防止非法人员的入侵，要有有效的网络监控手段和防火墙。这样基本可以保证被授权的用户在所授权的范围内调用数据，杜绝非法用户的入侵，保障数据的安全。同时版权保护问题也应有所考虑。
对数据的分析，管理，再利用也是资源管理的主要功能之一。对电视台来说，通过对数据库的访问. 调用数据的分析比较，得到不同人员 . 不同层次 . 不同年龄对不同节目的需求等多方面数据，为电视台栏目设置的科学化 . 合理化提供依据。
2 . 资源管理的工作流程
图像和声音以数字格式被采集 . 存储，通常都会被区分为实质数据(essence)即图像和声音以及元数据(matadate)，即所有用来描述真实媒体的数据，比如节目的标题，长度，编辑列表，特技参数等。数字资源管理系统（DAMS）就是一种计算机软件系统，建于数据库系统之上，对带有元数据的数字化视音频节目内容进行完善的管理。为了实现这种管理，必须能够支持两个主要的工作流程：（1）对图像和声音及相关的元数据进行采集，同时完成模拟信号的数字化。（2）被存储的图像和声音及相关的元数据能有效地还原成电视节目提供再利用。
采集过程的工作流程如图3所示。图像和声音素材首先进行数字化并自动录入资源管理系统，为了编辑和再利用，要求素材以演播室质量被录制（比如Betacam或DV格式）。为了便于浏览，系统会同时生成低分辨率（高压缩比，MPEG-1格式）的备份，可由计算机的压缩板卡实现。通常基本元数据（如素材长度，拍摄时间等）可以自动从浏览备份中提出，并与图像声音数据一起传输。当然在此之前免不了依靠编辑人员将其指定到视音频素材的相应位置。许多系统还通过粗编等手段从素材中抽取关键画面与描述信息来生成元数据，为图像声音素材作索引。图像和声音及相关的元数据被采集 . 分析并做索引后，将被计算机系统存储，通常使用基于硬盘的存储设备，以便进一步的编辑过程和技术过程。通过收集所有可用元数据并分析实质数据，DAMS也可以简化文献编辑和归档保存过程。管理员可以直接使用浏览备份件，快速选择素材，完成编目，并将素材节目以高分辨率（高质量，低压缩比，如MPEG-2格式）进行压缩编码后，传输至大型存储系统（如自动数据流磁带库）进行长期保存。
图3 实质数据和元数据的采集输入
检索提供再利用工作流程如图4所示。用户输入关键字开始检索过程，有些系统提供有图像相似性搜索功能，在大多数系统中，附加的元数据（如文摘，浏览备份，关键帧等）能够被直接检索，关键帧作为一种视觉文摘，能够在不查看全部浏览备份件的情况下，快速提供图像内容的概貌。一些系统还可以在浏览备份件中，设置时间标志，以便直接进行粗编。由此得到的编辑选定列表（EDL）直接传输已选素材给非线性编辑系统，为最终编辑制作提供图像与声音素材。
3 . 系统构造实例
下面具体分析一个电视台节目资源管理系统的实例。
法国先进音视系统AAVS公司于1998年8月为印度国家电视台 设计建立了一套先进有效的全网络化电视节目档案管理系统（ARCHIVE）。系统由图5所示的几大软件构件组成。
该系统是建立在一个完全开放的技术基础上，并充分考虑到了网络共享及系统的升级扩充，可供长期持久使用。管理工具和图形界面采用的是通用的计算机软件及因特网标准技术。本系统为便于档案查询，采用的是MPEG-1压缩格式的普通清晰度质量采集录取电视节目；而档案存储则采用MPEG-2压缩格式的广播级质量保存节目。系统分为三级结构，如图6所示 ，三级结构可提供三种不同的服务。
第一级实际上是工作平台级用户界面，在配置有通用计算机软件WINDOWS NT 或WINDOWS 95及MICROSOFT IE4（因特网浏览器）的工作站上，由图5中所示的各种客户管理软件调度各种客户需求。用户可以以浏览因特网的方式浏览电视台的节目，并进行各种操作。第二级是第一级用户与第三级信息资源及数据库服务器之间的中介，它的功能是将用户通过不同的IHM（人机界面）提出的要求，分配导引给系统内有关的部分，执行不同的用户功能。第三级包括物质资源和数据库。数据流磁带库是整个档案系统的记忆中心，它可以使配置有硬盘阵列的媒体服务器成为用户与磁带库之间的高速缓冲存储器。这种结构使得系统的存储能力可以通过增加服务器的硬盘阵列数量或磁带库或额外的服务器三种手段加以扩充；查询工作站数目也可以扩充，而且通过因特网可以支持远距离查询，MPEG-1和MPEG-2编码器可以支持两种质量的图像应用要求，充分发挥了现有计算机硬件及网络传输的能力。
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