4K_IP演播室录播服务器应用分析.pdf

85影视制作系统网络System Network4K/IP演播室录播服务器应用分析文/中央广播电视总台 潘伟丽摘要：录播服务器作为演播室节目制作的核心设备，在 4K/IP 演播室网络制作环境中，其性能和安全度直接影响到节目录制质量。录播服务器涉及的各种技术很多，本文依托 LiveTouch 录播服务器，对现阶段 4K/IP 演播室中应用的录播服务器，仅从网络架构、IP 技术应用、各环节主要技术分析、硬件配置四个方面进行阐述，说明它是怎样应用在 4K/IP 演播室节目制作中，并满足节目制作规范和需求的。关键词：交换技术；2SI；XAVC 编码格式；虚拟机广播电视技术飞速发展，演播室节目制作技术在 IP 化及 SMPTE-2110 标准使用进程中也发生巨大变化，交换机成为收发调度信号的核心，基带信号的视音频、辅助数据和控制信号变成了 IP 数据流在制作网中传输，目前4K/IP 超高清技术已逐渐成为演播室电视节目制作的主流。在这种节目制作变为网络环境的情况下，演播室的节目收录设备也更新换代，经历了固态录像机、硬盘录像机、收录/播放服务器等几个阶段，变为了现在网络架构的录播服务器系统。节目收录作为演播室节目制作流程的最后一个环节，在整个演播室节目制作中占有重要地位，能够准确安全地完成节目收录并传输至制作岛或媒资系统，录播服务器的设备性能和安全度是关键。1.录播服务器网络架构演播室 IP 化后，录播服务器已经不是简单的独立设备，从采集到输出需要录播主机、管理服务器、迁移服务器、存储及客户端等构成了一个录播网络系统。下面对 LiveTouch 录播服务器系统进行分析。1.1 LiveTouch录播服务器系统介绍 LiveTouch 录播服务器系统由 LiveTouch1300（2 台）、ISA 服务器（2 台）、FileFlow 服务器（2 台）、客户端工作站及面板（2 套）组成。LiveTouch1300是支持 SDI、IP 和混合架构的 3RU 视频存储服务器，由存储硬盘、编解码卡、网关卡、网关卡的管理卡及CPU、系统硬盘组成，它支持四通道（两入两出）4K超高清或 12 通道高清信号，它的 IP 口是 50G 的冗余，支持 SMPTE ST 2110、SMPTE ST 2022-6 和SMPTE ST 2022-7，主要负责存储采集的素材和编解码。LiveTouch 服务器对外的一切交互及管理都是通过 ISA 管理服务器来完成。FileFlow 迁移服务器完成素材文件压缩编码后迁移到存储的传输，考虑负载原因，把 FileFlow 迁移服务器分成两部分，即 FFM（管理服务器）和 FFE（处理引擎服务器），这样有更多的空间方便 FFE 做转码（迁移），FFM 和 FFE 可以看作一个整体。素材文件可以迁移到第三方存储。系统中的两套录播服务器客户端，用于编辑操作，可以各自分别操作，也可以是互为主备的关系。1.2 LiveTouch录播服务器系统网络架构LiveTouch 录播服务器系统网络中，控制信号通过管理口（RJ45 口）连接管理交换机，业务数据通过万兆光口连接核心交换机。LiveTouch 录播服务器系统网络架构示意图如图 1 所示。86影视制作系统网络System NetworkLiveTouch 服务器后背板的千兆控制网口连接管理交换机，组成管理网络，通过 IP 管理卡（在两个网关卡的旁边）的 RJ45 口连接管理交换机，来做 IP 的配置。它后背板的 Clipnet 口（万兆光口）连接核心交换机用来做素材传输，有两个用途：一个是两台 LiveTouch 服务器可以交互使用，例如 LiveTouch2 输入通道的素材流可以实时进入 LiveTouch1 的播出通道里；另一个是LiveTouch 服务器中的素材可通过 Clipnet 口直接迁移到 NAS，或素材流先进到 FFE 转码再迁移。ISA 服务器管理 LiveTouch 服务器，它有两个网口连到管理交换机，其中一个网口是 ISA 服务器自己做配置用，另外一个网口给 ISA 里面的虚拟机，用来运行一些以虚拟机形式存在的服务。客户端工作站和可控制操作面板通过网线连接管理交换机。Fileflow（文件迁移）服务器的 FFM 和 FFE 也分别连接管理交换机，因为 FFE 要做转码（迁移），因此 FFE 还有一个万兆光口连接核心交换机用来传输数据。2.LiveTouch服务器涉及的IP技术的应用在叶脊架构的网络系统中，通常根据设备带宽来分配叶脊交换机的设备负载均衡，LiveTouch 服务器带宽是 50G，可算作大端口带宽的设备，通常接到脊交换机的 100G 端口上，便于 LiveTouch 服务器的节目素材流在业务网中传输。2.1 IP地址规划对于演播室 IP 化层面来说，IP 地址规划会影响到网络的性能和管理，是系统正常和安全运行的前提条件。IPv4 地址中，保留了三个范围用作私有 IPv4 地址段，分别为 A：10.0.0.0-10.2555.255.255；B：172.160.0.0-172.31.255.255；C：192.168.0.0-192.168.255.255，A（10 段）私有地址段的容量更大，所以通常 4K/IP 演播室中，Live Touch 等设备所连接的核心网光口IP地址和管理网端口IP地址均使用10 段地址。IP 化后，演播室设备间信号传输是以组播的方式进行，因此遵照中央广播电视总台组播地址使用规范 IPv4（暂行），为主备核心网和管理网规划组播地址，将 Live Touch 服务器等设备的视频、音频、辅助数据等不同的业务进行地址逻辑上的区分。由于收录设备服务器化、虚拟化，IP 地址划分就变得复杂。比如，ISA 服务器虽然是通过一个控制网口连接管理交换机，但在每台 ISA 服务器里装了 2 个虚核心交换机管理交换机ISA1ISA2LiveTouch1LiveTouch2Fileflow EngineFileflow Manger客户端1客户端2 图1 LiveTouch服务器网络架构示意图87影视制作系统网络System Network拟机，虚拟机也需要分配 IP 地址，因此需要给 2 个虚拟机分别分配不同的 IP 地址，两个虚拟机通过一个网口将控制数据传送到管理交换机。2.2 交换技术的应用4K/IP 演播室中用到二层和三层交换技术。二层交换技术是指工作在 OSI 七层网络模型中的数据链路层，它按照所接收的数据包的目的 MAC 地址进行转发，三层交换技术是利用 IP 地址在网络层进行数据传输。演播室系统中除了特殊设备外，LiveTouch1300服务器等大部分设备都是利用三层交换技术进行数据传输。LiveTouch1300、ISA 服务器、FileFlow 服务器、客户端工作站及面板都接入管理交换机构成管理网，用于控制数据的交换。管理交换机默认是二层交换机，基本不用做配置，是通过单播的方式来访问各设备，不会有广播风暴的影响。3.录播系统各环节主要技术演播室管控系统控制 LiveTouch 服务器的网关卡（IQUCP50），从交换机中拉 IP 流作为输入源，网关卡将 IP 流转换为 4X3G SDI 的基带信号后，到编解码卡（Avalon）进行压缩编码，编码完成后再到 FileFlow服务器转码迁移。下面主要对各环节中的 LiveTouch服务器存储、信号传输模式、编码格式、ISA 服务器中的 VM 虚拟机、FileFlow 服务器进行分析。3.1 LiveTouch服务器的存储LiveTouch 服务器有 8 个 SSD 存储硬盘，单个硬盘存储容量是 1.6T/3.2T，8 个硬盘做 RAID3 的模式组成一个阵列。RAID3 包含 7 个有效硬盘、1 个校验盘，所以实际使用硬盘是 7 个，这些存储硬盘可以支持 38 小时/76 小时 4K 素材的收录。RAID3 的优势是比较适合大块状的冗余读写，因此可用于演播室录播大文件类型的视频素材，安全性较高。它的控制协议支持 VDCP、GPI/O，在生成高码素材的同时，可生成H.264、MPEG4 低码版本，便于浏览和编辑。3.2 录播系统的信号传输模式在录播服务器信号传输中，保证图像质量非常重要。（1）4K 信号采用 4X3G 模式传输根据 SMPTE 424M 标准，在 75 同轴电缆上，SDI 传输数据速率达到了 2.97Gbps。这一标准也称为 3-Gbps（3G）SDI 标准，3G 可以支持每秒 50 帧的高清信号，图像分辨率支持 1080P。使用铜缆传输3Gbps 信号，有效传输距离为 300 米以内，实际应用中大概在 150 米，但如果传输 4K 信号，实际有效传输距离大概只有 60 米，所以依靠单根铜缆传输 4K 信号会有很大局限，已无法满足传输的需求。此外，4K 超高清信号相对于高清 1080P，其分辨率提升 4 倍，帧率提高两倍，当视频信号无损时，传输速率提高 8 倍。带宽计算如下：3840X2160X10bitX 3X50fps=12441600000bits；12441600000bits 1024=12150000Kbits；12150000Kbits1024=11865.234Mbits；11865.234Mbits1024 11.587Gbits；加上音频和辅助数据，实时输出 SDI 基带信号带宽达到 12G。要将如此大数据进行传输，且要一个快速的传输方式，就需要将其变换为 4 路 3G SDI信号来传输。（2）信号传输模式的选择采用 4 链路 3G-SDI 传输 4K 基带信号有以下两种方案：一种为 Square Division（四分法，简称 SQD），是将 4K 图像等分成 4 个 1920 x1080 子图像，每个子图像都被封装为一个单独的 SDI 信号，通过 4X3G SDI 对外输出。这种方法简单，不足之处是需要同时获得 4 路信号，不能帧延迟，十字缝需要处理，只要有任何一路信号存在质量问题，就会导致最终输出的 4K图像音视频出问题，而且在恢复成完整的图像前，需要更多的内存来存储每个子图像。另一种为 2 Sample Interleave（二取样交织法，简称 2SI），是将每行每两个像素作为一个单位分割，分割成 4 幅自图像，通过4X3G SDI 对外输出。这种方法需要多路数据复用为4 个独立的 SDI 流，占用内存较少，但每组像素处理得更快，只要保证第一路 3G 信号视音频信息不丢失，即使其他三路中有一路信号丢失或者存在问题，只可能是画面清晰度受损，而不会造成输出的 4K 画面缺失或 黑场。以上可以看出 2SI 相比 SQD 有一定的优势。但2SI 也存在不足，LT1300 服务器里做 IP 配置的管理卡，其接口是 RJ45 口，由于采用的是 2SI 信号，而对88影视制作系统网络System Network于使用 2SI 信号的系统，一旦某一路信号出现问题或线序接错，人眼很难察觉出来，只有依靠像素数或者 2SI测试图才能排障。LiveTouch 服务器中的网关卡和编解码卡传输4X3G-SDI 信号时采用 2SI 格式，例如：网关卡 4K输入/输出模式为：2/2 FC:SD-UHD*(4XSDI 2SI，1X2110-20/30/40)。由于 2SI 运用了提取 4 个相同画面的特征值并进行异态检测，比 SQD 分割为 4 幅子图像的准确度和效率更高，所以 LiveTouch 服务器信号传输更安全，保证了节目素材图像传输的质量，符合总台 4K 节目信号制作格式的要求。3.3 录播服务器的XAVC编码格式 视频编码最重要的目的，是通过特定的数据压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件，保证效率和图像质量，降低数据传输和存储的成本。目前视频传输中的编码格式有 ProRes、DNxHR、XAVC、XDCAM、MPEG4 等。其 中 XAVC 是指使用 MPEG-4、AVC/H.264 进行高压缩，并以MPEG-4 文件格式进行记录的一种视频格式。XAVC是一种开放的专业视频格式，计算复杂度低，可以处理HD、2K、QFHD 到 4K 的所有分辨率，并可以实现高帧率拍摄，具有高质量、低码率特性。如表 1 所示为XAVC-I Intra Class300/480 的编码规范，可以看到XAVC-I 4KItra Class 300 采样格式为 YUV4222，量化深度为 10bit，在码率控制方面，CBG 模式下，4K下Class300固定每一帧编码大小为1250304bytes，50P 下可以固定码率为 500Mb/s，因此画质效果好，可以快速还原超高质量的画质。XAVC 有 XAVC-I（XAVC-Intra）和 XAVC-L（XAVC-Long GOP）两种编码格式。XAVC-I 为帧内压缩，是对每一帧图像进行单独的编码压缩，视频体积较大；XAVC-L 为帧间压缩，通过 I、P、B 三种类型帧对多帧之间的冗余数据进行编码压缩，很大程度上减少了视频的体积。在分辨率、帧率及画面质量相同的情况下，XAVC-I 的码率较高，存储压力较大，但处理时对计算机性能要求较低，因此在对画面质量有较高需求时，通常使用 XAVC-I 编码进行记录，能够保留更多的画面细节；XAVC-L 的码率更低，存储压力较小，压缩比高，对计算机性能要求高，因此在需要长时间记录时，通常使用 XAVC-L 编码，在保留尽可能多的画面细节的同时，可降低存储压力。以上比较说明，应采用 XAVC-I 编码格式记录 4K 视频。XAVC 通常使用 MXF 包装，音频和视频在一个文件中。XAVC 被认为是 4K 节目制作、流通与交换的最佳格式。目前 XAVC 4K 已被业界广泛应用，一些主流进口录播服务器包括 Imagine、GV 等，以及国产设备如瑞得霖科的 UltraRP2-X4K 也都支持 500Mbps 的XAVC I-Intra Class 300 封装的 4K 文件。我台发布的 中央广播电视总台 4K 超高清电视节目制播技术规范（暂行）将 XAVC-I Intra Class 300 定为 4K 制作的视频编码格式标准，LiveTouch1300 服务器支持此编码格式标准，能够用合理的码率记录 3840 x2160视频，码率适中，图像的传输高效和精确，符合中央广播电视总台 4K 超高清电视节目制播技术规范（暂行）对速度与质量的双重需求。3.4 ISA服务器中的VM虚拟机ISA 服务器（Integrated Server Architecture，集成的服务器架构）中有 ISA manager，它处于网络架构的最上层，控制管理 LiveTouch 服务器及数据库，客户端、流程的服务和第三方软件都是通过管理网络和ISA 服务器交流。ISA manager 保存和控制数据库信息、存储中的媒体信息、整个系统中的素材信息以及所有播控和基于 Corba 协议的访问，通过 Corba 协议可控制操作面板打点和素材传输。如图 2 所示，ISA 服务器中有应用程序和数据库，每台 ISA 中分别有 2 个虚拟机（VM1 和 VM2），ISA1服务器的 VM1 和 VM2 中，以虚拟机的形式运行的服务分别是 LiveTouch Manager1（管理）和 Search（搜索）；ISA2 服务器的 VM1 和 VM2 中，以虚拟机的形式运行的服务分别是 LiveTouch Manager2 和Web Bin。LiveTouch Manager 为系统上所有连接表1 XAVC-I Intra Class300/480的编码规范89影视制作系统网络System Network的 LiveTouch 面板和桌面客户端提供接口服务，它以虚拟机形式安装到 ISA 服务器中，主要跟 LiveTouch 客户端来通信，在客户端检索素材时，会使用到搜索服务。LiveTouch Manager可临时存储素材集锦数据库（素材库），当在客户端界面菜单中点击 Push-Publish后，素材就以 AVI 格式保存到 ISA manager 数据库中。LiveTouch Manager 还可以跟踪用户，加载标记源文件，并提供 SDI/IP 端口的用户控制。正常情况下，ISA1 服务器运行时，ISA2 服务器处于监控状态，监控 ISA1 的运行情况。当 ISA1 服务器网络断了或运行的服务停止时，ISA2 服务器会监测到，并且能够马上接管。数据库的情况相同。正常情况下数据库 1 和 2 分别跟随对应的 ISA1 和 ISA2 服务器，当 ISA1 服务器的数据库损坏，ISA2 服务器的数据库能够接管，此时 ISA2 数据库与 ISA1 中虚拟机配合工作，运行相关服务。由于平时 ISA1 服务器数据库的素材有更新时，ISA2 服务器数据库会同步更新，所以当 ISA1 数据库损坏，ISA2 数据库接管时，素材不会丢失，并且不会有坏的素材生成。因此两台 ISA 服务器和它们的数据库可以交叉配合工作。3.5 FileFlow服务器 FileFlow 服务器负责素材文件传输，它包含 FFM（管理服务器）和 FFE（处理引擎服务器），基于文件的导入导出，可以定制自动化迁移流程，支持基于 HTTP-based REST API，支持的文件格式有DnXHD、AVC Intra、DVCPro、XAVC(UHD)、H.264、XDCAM。FileFlow 的工作流程如图 3 所示。FileFlow 管理服务器做队列管理，可看到有新的任务生成或者任务完成，它接到任务之后，会把任务发送给 FileFlow Engine（Engine 引擎处理服务器），Engine 的数量可根据系统中转码服务要求的数量配置。FileFlow Engine通过图中橙色的万兆光口做素材文件迁移：读取 LiveTouch 服务器里面的素材，后进行转码，转码完成后迁出到 NASA 存储。在应用层面，网页客户端可以发创建任务指令，或者第三方的一些控制软件可以自动地迁入/迁出。4.LiveTouch服务器硬件配置为了保证节目录制的安全性，LiveTouch 服务器采用硬件编解码，图像质量精确到帧。LiveTouch 服务器硬件配置主要是指编解码卡和网管卡的配置。由于LiveTouch 服务器主要负责存储和编解码，因此网关卡和编解码卡在整个环节中起到重要作用，其参数配置是决定 LiveTouch 服务器 4 个输入/输出通道信号正确与否的关键。通道配置步骤如下：（1）LiveTouch 服务器软件页面点击 Admin Hardware，显示当前 4 块编解码卡的状态和整个系统的工作模式（高清/3G/4K）。点击左下角的“Change”，可通过调整参数更改通道配置，如图 4 所示。图2 ISA服务器中VM虚拟机工作示意图 图3 FileFlow的工作流程示意图 图4 通道配置菜单90影视制作系统网络System Network（2）设置成 4K 以后，可在页面上部显示两块 UCP IP 卡（IQUCP50）的推荐配置，第一块卡用来做高清预监：16/0 FC:SD-3G(1XSDI,1X2110-20/30/40)，即 16 路高清 SDI 都是输出；第二块卡用于 4K 输入/输出：2/2 FC:SD-UHD*(4XSDI 2SI，1X2110-20/30/40)，即2路4X3G SDI输入/1路4K IP流输出，2SI 格式，辅助数据模式。改完以后还要到 IQUCP50板卡查看配置。（3）用 Rollcall 软件管理 IQUCP50 板卡。把IQUCP50 板卡管理口 IP 地址添加到 Rollcall 软件里面，即完成了 Rollcall 软件和 IQUCP50 板卡的管理端口 IP 的连接，就可在 Rollcall 软件界面中看到两台LiveTouch 服务器的 4 块 IQUCP50 板卡。（4）点击每块板卡，进入 IQUCP50 的 Configuration页面，按照 Hardware 网页的推荐模式，设置板卡的Card firmware，重启后生效。如图 5 所示。（5）设置 IQUCP50 端口（Spigot）的组播地址。编解码卡 Avalon A 和 B 是输入卡，Avalon C 和D 是输出卡。由于是 4K 工作模式，因此 IQUCP 的16 个端口（Spigot）4 个分为一组：UCP-IP2 卡的9-12 是第一组收录，13-16 是第二组收录，UCP-IP2卡的 5-8 是第一组播出，1-4 是第二组播出。UCP-IP1 卡的 6/8/9/7 是四组录播通道的 AUX（6/8 暂未使用），是高清预监流。IQUCP 板卡的 Spigot 和编解码卡 Avalon 接口对应关系如表 2 所列。打开 Rollcall 软件，可看到两块 IQUCP 板卡和它们的管理卡，如果点击 UCP-IP1 卡 Spigot9，可看到播放源的视频和音频流的组播地址、端口 IP地址、端口号等信息，如果将这个流输入示波器，就能看到是一个播放的高清流。如果点击 UCP-IP2 卡 Spigot9，同样可看到组播地址等信息，由于这是输入口，此时若切换 LiveTouch 输入源的选切面板，可看到与输入源相对应的组播地址等信息会跟随 变化。更改硬件配置后，需要重启 LiveTouch 服务器和UCP 板卡。这样，通过 LiveTouch 服务器硬件的相应设置，就能根据需要生成符合要求的视音频文件，压缩编码后输出。图5 IQUCP50的Configuration页面5.结语录播服务器是保存节目制作成果的关键设备，保留尽可能多的画面细节的同时，降低存储压力，以及提高图像传输的准确度和效率等都是非常重要的，未来的技术改进需要围绕这些要点不断提升。表2 IQUCP板卡的Spigot和编解码卡Avalon 接口对应关系【参考文献】1 ST425-5:2019-SMPTEStandard-ImageFormatandAncillaryDataMappingfortheQuadLink3Gb/sSerialInterfaceS.USA:SMPTE,2019.2 中央广播电视总台4K超高清电视节目制播技术规范S.北京:中央广播电视总台,2018.