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都市频道制作网的设计与实现
都市频道制作网的设计与实现
2004年度河南省广播电视优秀科技论文二等奖2000 年河南电视台都市频道建立起了第一套非线性新闻制作网，主要用于《都市报道》和《都市快报》两档新闻节目的制作，经过近 4 年的成功应用，无论是编辑、记者还是系统管理人员都积累了丰富的经验，由传统的线性编辑方式向数字化、网络化的非线性编辑方式的转变已经深入人心。因此，在 2003 年初，我们提出了建立一个能够涵盖频道除新闻类节目以外所有节目的非线性编辑制作网的设想。
• 初步设想
在我们提出的初步设想中，制作网除了普通的非线性编辑网的特征外，应该还具有以下几个特点：
• 集中上载：由于我频道物理空间的限制，同时也因为成本的原因，我们希望制作网的上载工作能够集中完成，一方面可以有效利用各种上载源设备（如不同格式的放机等）；另一方面可以兼顾节目收录；同时并不影响编辑站点的正常编辑工作。
• 全 I 帧与长 GOP 混编：对一些节目量大但编辑相对简单的节目（例如电视剧仅仅是插播一些广告或字幕）采用全 I 帧就会大量占用存储空间，显得有些得不偿失。
• 与硬盘播出系统连接：若不能以文件的方式在制作网与硬盘播出系统之间传递节目，对于电视剧这样节目时间长而编辑相对简单的节目，反复的上载、下载还不如传统的对编设备方便省时。
经过一段时间的市场调研，我台硬盘播出系统的厂商不同意提供其文件包装格式，因此与硬盘播出系统连接的设想已不可行，同时也使得电视剧使用制作网进行编辑有些得不偿失。最终形成的方案要求满足以下需求：
• 完成除《都市报道》．《都市快报》（仍使用原新闻网）和电视剧（仍使用传统编辑设备）外的所有节目的编辑。
• 与演播室系统联接，完成演播室节目的直接采集。
• 实现集中上载和自动收录。
• 安全．稳定的大容量存储。
• 系统设计
系统主要由两大部份组成，非线性编辑网络系统和集中上载系统。
• 非线性编辑网络系统：系统以 S2A3000 为中心，采用双网结构，主要由存储子系统、服务器子系统、客户端子系统等组成，编辑用高码率视频采用 MPEG2 4:2:2P@MlL 50I ，编辑 / 检索用低码率视频采用 MPEG4 格式。
• 存储子系统。集中存储是实现网络共享的基础，因此存储设备的选择是网络安全性和稳定性的关键。根据我们对系统容量的测算以及技术先进性．系统稳定性．成本情况的考虑，最终选择了美国 Data Direct 公司的 S2A3000 作为高码率视频的存储系统。 S2A3000 是 Data Direct 公司提出的 SAN Appliance （存域网络设备）概念的产品，将交换设备． RAID 设备．连接设备．管理设备整合为一体，由控制器和硬盘塔两部分组成，主要具有以下几和特点：
• 高访问带宽：对内系统拥有可并发工作的 12 个内部磁盘通道，为大容量 I/O 操作和 RAID 技术提供了充足的带宽；对外最高可拥有 8 个 100M 外部主机通道，可与 FC 交换机或主机相连，提供最高 800MB/s 外部访问带宽。根据我们具体情况，我们采用了 2 个激活的外部访问端口，可提供 200M 访问带宽。
• 高可用性：系统中的所有设备都提供了冗余并实现了链路冗余。系统中的两个可热插拔的高速传输控制器 (HSTD) 形成冗余的 HSTD 对，并且每个硬盘都拥有 2 个磁盘通道同时与 2 个 HSTD 连接，形成相互冗余的链路。磁盘冗余采用了设计独特的 DataRAID 技术，硬盘阵列由多个 RAID 组（称作 Tier ）组成，每个 Tier 中有 4 个数据盘． 1 个校验盘和 1 个 Spare 盘组成， Spare 盘可随时替换出现故障的数据盘或校验盘，并可自动进行数据热修复。 Spare 盘还可以动态地为所有 Tier 提供备份服务。系统最多可以支持 4 个硬盘箱共 96 块硬盘。根据我们的实际情况，我们选择了 1 个 SF4016 硬盘箱共 16 块硬盘，形成 3 个 Tier ，每个 Tier 有 4 个数据盘和 1 个校验盘， 3 个 Tier 共享 1 个 Spare 盘。
• 可管理性：系统提供了一整套系统管理软件，包括 vLUN Manager （虚拟逻辑单元管理器）． Configuration manager （配置管理器）． Firmware Update Manager （ Fireware 升级管理器）和 Performanage manager （性能管理器），为实现系统的集中．安全管理提供了保障。
除了 S2A3000 外，我们还选择了 1 个拥有双主机端口的 SCSI 磁盘阵列作为系统数据库和低码率素材的存储设备，与 S2A3000 一起组成整个系统的数据存储中心。
• 服务器子系统。系统中一共配置了 4 台 DELL 1650 机架式服务器，其中两台安装了 Windows 2000 Advanced Server 和 SQL Server 并与 SCSI 磁盘阵列相连，以群集的方式形成了一个双机热备系统，作为整个系统的主域控制器和数据库服务器。一台安装了 Tivoli 公司的 SANergy FS 软件，作为整个 FC 网络硬盘共享的 MDC （ Meta Data Controller ）服务器，用于管理数据共享。最后一台作为网管服务器，主要安装了业务中间件（作为核心数据访问和客户端应用软件的接口）和网管软件，同时也作为 MDC 服务器的备份。
• 编辑工作站子系统。根据我频道各栏目的编辑工作量并兼顾今后的发展趋势以及投资成本，选用 9 台有卡工作站（其中 8 台在制作机房， 1 台用于演播室节目采集）． 2 台无卡工作站。有卡工作站采用 Matrox 公司的 DigiSuite LX 系列板卡，其中两台用于下载的工作站和 1 台用于演播室节目采集的工作站采用 LX+SDI+MAX 组合，而其它的站点则采用 LX+MAX 组合。
• 集中上载系统：系统以 Sony 公司的视频服务器 MAV70 XGI 为中心，可同时使用 4 个上载通道和 1 个回看通道，由 1 台计算机作为控制服务器控制 4 个通道的同时上载。素材采集完成后，通过 MAV70 XGI 的千兆异步网络接口以 FTP 方式将素材交由转码系统进行转码，然后通过光纤网传至非线性编辑网络中的 S2A 3000 中进行存储。
• MAV70 XGI 是 Sony 公司推出的主要用于播出的视频服务器，由于其稳定的性能、支持多路视频输入输出、支持 FTP 文件传输等特性被选为集中上载系统的中心服务器。
MAV70 XGI 拥有 5 个插槽可用于不同的编码板卡和解码板卡的组合，但由于带宽的限制，最多同时支持 4 个输入通道，因此我们选用 4 个 BKMA-7020 编码卡用于素材采集，其中第一和第二个通道带有 BKMA-7050 模拟输入板， 1 个 BKMA-7010 编、解码卡用于回看，并带有一个 BKMA-7060 模拟输出板。
MAV70XGI 拥有 8 个热插拔硬盘插槽，采用 RADI 3 技术，可选用 36G 或 73G 两种规格的硬盘。由于在系统只作为素材在转码前的缓冲存储，无需长时间保存大量素材，因此我们选用了价格较低的 36G 硬盘。
MAV70 XGI 千兆异步网络接口（通过选用 BKMA-7045 异步网络接口板）并不能将信息直接输出到网络中，而是通过 SCIS 线与一台被称作网关服务器的计算机相连，通过 FTP 以文件方式将采集的视频文件读入网关服务器，然后通过网关服务器的以太网接口传入编辑网络。网关服务器和 MAV70XGI 之间只能同时建立 3 条 FTP 连接，最大传输率为 260MBps ，图 1 为 MAV70 XGI 示意图。
(2) 集中上载控制子系统。控制计算机同时显示四个控制界面，分别控制四个输入通道，其中第一个通道可用于节目的自动收录，其他 3 个通道则分别与 3 台放像机相连。每个通道都可实现批量采集。
(3) 转码子系统。由 1 台转码控制服务器和 2 台转码工作站组成，当完成采集后，上载控制服务器通知转码控制服务器开始转码，转码控制服务器则根据设备情况调度转码工作站进行转码。转码工作站通过以太网络从 MAV70 XGI 的网关服务器中读取需要转码的文件，将其转为能为 DigiSuite LX 板卡处理的文件格式，同时根据需要生成低码率文件，并通过 FC 网络传入 S2A 3000 中进行存储。
三、系统实现
非线形编辑系统是选用的索贝公司的创意 21 系统，该系统已在多家电视台应用，属于比较成熟的系统，此处不再复述。本文着重叙述一下集中上载系统的实现。
索贝公司原来也有一套用于自动收录的系统，但与我们的需求尚有不小的距离，后来该公司派开发人员直接到系统安装现场，与我们共同协商，现场开发实现了集中上载系统。根据我们的不断讨论，最终对系统的实现提出了以下明确的需求：
• 由于系统直接交由编辑、记者操作，因此要有极高的容错能力和健壮性。
• 一台上载控制计算机同时控制四个通道，包括对 VTR 的控制和对卫星信号的自动收录，并且界面要简洁、清楚，容易操作。
• 自动收录拥有最高权限，当自动收录任务即将开始时，系统自动结束该通道上的其他任务。
• 自动完成素材的转码和入库工作，可根据拦目设置是否采集低码率素材。
• 当一个上载任务开始后，该通道被锁定，任务完成后自动释放该通道并弹出磁带。
最终形成的集中上载系统主要由两大部分组成，即收录部分与转码部分。
1 ．收录部分：收录部分主要是将外部的视音频信号进行编码，生成 MPEG2 全 I 帧文件。其主要功能是通过一台上载控制计算机分别控制四个通道上的 VTR 或其它信号源以及 MAV70 XGI ，可采用打点．硬录．定时录制等方式完成对信号的采集．编码。
为了进一步扩大上载信号源的种类，我们在 MAV70 XGI 的第一个通道上接上了一台 SONY 4A 切换台，可以接入四个不同的信号源（我们接入了 2 路卫星信号． 1 台 DVD ． 1 台松下的 640 型录机），这样就将原来的 4 路不同的信号源扩展为了 7 路信号源。每个 VTR 的 422 遥控接口以及 MAV70 XGI 上的 5 个 422 遥控接口都通过一个 MOXA 卡（一种 422 控制接口，可由一台计算计通过 422 接口控制多台设备）与控制计算机相连。
控制计算机的显示界面上同时显示四个窗口，分别对应四个通道，见图 2 。每个通道都可以通过相应的控制窗口进行独力控制。其中第一个窗口既可作为 VTR 的控制窗口，又可以作为自动定时收录的控制窗口。
2 ．转码部分。 MAV70 XGI 中的 MPEG2 文件包装格式与编辑系统所使用的格式不同，因此必须对其重新打包，即所谓的转码。 MAV70 XGI 有四个上载通道，但通过其网关服务器最多只能同时建立三条 FTP 链路，因此必须通过调度才能有效完成转码工作。转码部分主要有一台转码控制服务器和两台转码工作站组成。控制服务器主要完成转码的调度工作，转码工作站则主要完成从 MAV70 XGI 读取文件，完成转码并写入 S2A3000 的工作。一台转码工作站可同时完成两个文件的转码。当上载控制服务器控制信号源和 MAV70 XGI 完成素材采集工作后，即向转码控制服务器发消息，要求转码，转码控制服务器则根据当前的设备使用情况进行调度，最终通过一台转码工作站完成转码。
索贝公司在开始我们的项目之前，已经拥有了一套 MAV70 XGI 的上载控制系统和一套独立的转码系统，在我们的制作网安装的初期，只是根据我们的需求更改和完善了界面，增强了部分功能，并将两个系统集成在了一起，但在我们的试用过程中发现了一些问题，经过我们双方不断地交流，分析问题的原因和寻找解决方法，最终使制作网成为了一个稳定．完善的系统。下面着重描述一下几个当初比较突出的问题。
1 ．“入库”问题。当转码工作站完成转码并将素材写入 S2A3000 中时，上载工作并未完成，因为相关的素材信息（素材的名称．采集时间．所有者等信息）尚未写入数据库，这时在编辑工作站的素材库中是无法找到该素材的（除非手工引入）。因此，上载工作的最后一道工序应该是“入库”，即将素材信息写入数据库的过程。在最初的集中上载系统中，素材信息是由上载控制服务器获取的，但它在素材采集完成后，只是通知转码服务器开始转码，而转码系统并不关心素材信息。在转码完成后，转码服务器通知上载控制服务器，最后由上载控制服务器完成入库。这一过程逻辑上并无问题，但在实际使用中却发现只要上载控制．转码以及相互间的通讯中任何一个环节出现问题，素材都将无法正常采集入库。因此在早期的使用过程中，系统必须遵循一个严格的开机顺序，当任何一个环节出现问题时，必须关机，再严格按顺序重新开机。后来经过与索贝开发人员的交流，将系统改为：上载控制服务器在通知转码系统开始转码时，同时将素材信息交给转码控制服务器，当转码完成后，由转码控制服务器完成入库工作，这样就大大提高了系统的健壮性。
2 ．“边采边转 ” 问题。直接由编辑工作站采集素材所需时间完全是 1 ： 1 的。而集中上载时，将素材采集到 MAV70 中就需要 1 ： 1 的时间，转码过程也需要时间。对于只转 MPEG2 高质量素材的，由于只是文件的重新打包，效率较高，大约只需 0.2 倍时间就可完成转码，这样整个集中上载时间大约为 1 ： 1.2 。但对于已习惯于编辑工作站直接采集素材的编辑．记者们来讲，上载工作完成后还要等待一段时间才能看到素材实在有些不习惯。 MAV70 XGI 支持边上载，边以 FTP 方式读出数据，因此我们提出了“边采集边转码”的问题，即不是在素材全部采集到 MAV70 之后才开始转码，而是在素材刚刚采集一部分，形成一段缓冲之后就开始转码，这样就可大大提高上载效率，基本上可已以近似 1 ： 1 的时间完成上载。
3 ．“分时转码”问题。当需要高．低码率同时采集时，转码就不仅仅是重新打包，还要完成 MPEG4 的重新编码，这时转码（真正意义上的转码）效率大大下降。同时，在完成 MPEG4 的编码时，转码工作站并不释放 FTP 通道，使得本来就稀缺的资源（因为有四个上载通道，但只有三个 FTP 读取通道）又被占用。因此我们提出了“分时转码”问题，即首次转码时只完成高质时素材的转码（即 MPEG2 文件的重新打包），而当转码工作站空闲时，再回头完成 MPEG4 编码。
四．结束语。
都市频道制作网从设备的安装，到最后软件的设计完成共经历了四个月时间，通过与开发商的不断交流和探讨，最终基本上达到了我们的设计要求，通过半年来的使用，系统稳定，运行良好。
但在开发过程中也遇到了许多无法克服的困难，使得原有的设想难以完全实现，最突出的就是文件包装的问题，虽然编码方式拥有国际标准，但由于不同厂家之间不同的文件封装格式使得相同编码的素材在不同厂家的系统之间不能相互交换。其实文件的封装格式根本不涉及核心技术，完全是人为的壁垒。因此，我们产业的管理部门应该考虑建立一个文件的交换标准，以使产业内的各种资源得以充分利用，也大大降低不必要的成本支出。
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