“电视台演播室视音频应急”解决方案

        北京电视台体育频道是深受首都观众喜爱的频道，它每日提供多档体育新闻、体育栏目的播出，并进行国内外多项重大赛事的转播工作。在2004年雅典奥运会期间派出了庞大的报道团，在雅典前方搭建移动演播室及机房设备进行赛事转播及获奖运动员的采访工作。作为2008年第29届北京奥运会的主办城市电视台，将承担比赛赛事的转播及新闻的报道工作，这也为我们提供了很大的机遇与挑战。
        在设计北京电视台体育频道技术方案时，我台注重应用最新的技术研究成果，与各个厂家进行密切合作及开发，以实现数字化、网络化的制作平台。在系统设计时，注重设备的先进性，我台在世界上第一个采用松下公司P2设备作为存储介质，在非线性编辑网络中采用定时收录及演播室播出功能、在演播室设计时采用主备切换台、调音台备份方案以保证直播的安全。下面将对北京电视台体育频道数字化、网络化制作平台的项目提出背景、技术方案、项目应用进展等进行阐述，并对今后的工作方向进行展望。

一、体育频道数字化、网络化技术方案项目提出背景
1．体育频道的重要性
        北京电视台体育频道是北京地区的一个重要频道，它负责报道全国及世界上的体育赛事，每日滚动播出体育新闻，进行中超、NBA、英超等重要比赛的转播，负责报道北京地区的全民健身体育运动，同时在奥运会、全运会及世界杯期间重点报道相关赛事，是一个非常重要的频道。
        同时，由于体育赛事及体育产业的发展，各国体育记者经常同场进行报道，因此保证体育频道设备的先进性及播出的高质量相当重要。
2．2008年北京奥运会提供重要发展契机
        第29届奥林匹克运动会将于2008年在北京召开，作为主办城市电视台，将承担奥运会期间比赛的转播及新闻的报道工作，这也为我们提出了新的要求，即要全面提高技术水平及人员素质，使得无论在技术设备的先进性及人员的工作能力上均要达到世界领先的水平。从实际的工作中，注重使用世界上最先进的设备、搭建领先的技术平台，从各个方面提高整体竞争力，这样才能在今后的工作中做到游刃有余。
3．电视台内部设备、格式的多样性
        当前电视台内部存在不同设备格式，诸如DVW、IMX、Betacam SP、DVCPRO等，需要对之进行整合；同时，由于非线性编辑网络在电视台内部节目制作中起着极其重要的作用，但在多年的发展中存在不同的网络格式，之间需要进行素材的共享和调用，这也需要我们从全局考虑，搭建起统一的数字化、网络化制作平台。

二、北京电视台体育频道制作平台
        在搭建体育频道制作平台时，需要进行全局的考虑，以达到整个系统的先进性及通用性，同时，应从各个方面建立起应急机制，以保证播出的安全进行。整个频道技术平台分为前期制作、传统后期制作、非线性编辑制作、演播室录制直播几部分，下面分别进行论述。

（一）前期制作
        前期制作分为摄像机拍摄新闻专题、转播车录制直播比赛信号、卫星及微波信号的转播、新闻素材录制四个部分。
        北京电视台体育频道在新闻专题节目前期拍摄中在世界上第一个使用松下公司的P2摄像机进行拍摄。这也是我台与松下公司共同开发的结果。P2摄像机采用P2卡进行存储。
        P2卡，英文名为“Professional Plug-in Card”，即专业用插拔式存储卡。P2卡是装有四枚SD卡、且具有PCMCIA卡尺寸的半导体存储卡。图像的记录方式仍然使用现在的数字录像机所采用的DV、DVCPRO系列的压缩方式。在现阶段，每块P2卡的存储容量为4GB，可记录DVCPRO50M素材9分钟；每台摄像机可同时插入5块P2卡，这样记录时间为45分钟。P2系统能以20倍于DVCPRO数据(25Mbps)的速度进行传输，大大缩短了向硬盘的上载时间。另外，可对存储卡进行直接编辑，与使用传统录像机相比，省去了向硬盘的存入过程。P2卡采用　　PCMCIA卡接口(Type II标准)，可被所有使用相应接口方式的笔记本电脑识别并进行编辑播放。P2卡使用半导体存储器，由于没有记录用的机械结构，具有较高的牢固性和可靠性，同时可重复记录达10万次。
        由于P2卡自身的特点，使得摄像师可以对刚刚拍摄的镜头进行列表编辑，同时也可将不需要的镜头在此时进行删除，从而大大提高了P2卡的使用效率，也为以后的节目编辑提供了方便。
        在新闻素材录制中，我台使用定时录制功能，每日工作人员通过所使用的非编网络向录制服务器上发录制申请，录制服务器在收到申请时，将按要求进行录制，之后工作人员可通过非编网络进行调用，大大提高了工作效率。

（二）传统后期编辑
        根据北京电视台体育频道节目安排及工作需要，同时根据各种设备的特点，我们设计了不同类型的后期编辑机房，即针对P2卡功能的单机编辑站点，一对一编辑系统及二对一编辑系统。
        通常传统的简单编辑需要两台录像机来完成，而采用P2系统，编辑功能可通过一台P2卡的录像机来实现。每台P2卡的录像机中有5个插槽，可同时插入5块P2卡，可以完成对编、剪辑这样的工作，能够起到过去多台录像机的作用。
        当将记录有素材文件的5块P2卡（也可只用几块）按任意顺序插入P2录像机时，在录像机的液晶显示屏上可顺序显示所拍摄的素材文件，此时可按照需要对每个素材进行入出点的编辑，并将各段编辑好的素材统一为列表方式进行储存，之后可在本机或任一台录像机或摄像机上进行播放。
        在设计一对一编辑及二对一编辑系统时，由于我台播出系统采用IMX格式，因此我们采用此格式作为节目编辑、存储、演播室播出的主要格式。设计各种格式如IMX、P2及DVCPRO格式对IMX格式的编辑系统。

（三）非线性编辑网络系统
        非线性编辑制作网络技术是一门综合性的技术，它包含了电视技术和计算机技术的主要领域，即视音频处理技术、数据压缩技术、数字存储技术、数字图像处理技术、计算机图形学和网络技术等。由于它具有存储容量大、备份措施完善、稳定性高、可多人同时操作等特点，能够完成节目采集、制作、包装、播出等多项功能，在电视台内部得到了广泛的应用。
        同时由于针对目前录像机存储格式多样性，如IMX、DVCPRO、P2、DVCAM等不同的格式，非线性编辑网络又可作为信号兼容的载体，实现不同格式信号的上载与下载，大大节约了录像机的数量，节约了系统投入成本。
        下面以北京电视台体育频道《体育新闻》节目所使用的非线性编辑网络为例作一详细介绍。

1．系统设计构想
（1）非线性新闻网的系统特点
        新闻节目的特点与其它节目有些不同，主要体现在节目来源广，有自拍、记者站选送、卫星节目接收、与其它电视台的节目交换等方面；同时，其使用时间相对比较集中，操作主要由编辑、记者自行操作。因此在设计非线性编辑设备时要考虑到节目素材的共享，节目存储的空间，设计数量足够多的编辑工作站以满足同一时间多名记者同时进行新闻条目的编辑；同时在演播室内设置非编的播出站点，这样可将非编内的条目直接在直播中播出，这又要求系统有非常高的稳定性；从另一方面讲，所设计的设备要求简便易学，同时具有较高的工作效率。

（2）系统使用需求
        《体育新闻》节目是北京电视台的一档重要的直播栏目，每日分五次进行滚动直播，按目前的节目量，每日每档节目为30分钟，五档新闻中新节目的时间长度大约为1小时，素材与节目成片的片比一般为10：1，同时需要在系统中至少存储10天的节目，对于在MPEG－2压缩方式下，每小时MPEG2 50Mbps码流素材约占用22GB硬盘空间，按此种方式计算，需要的存储容量为1×10×10×22＝2200GB，即2.2TB。
        在《体育新闻》节目制作播出过程中，考虑到每天会有多项体育赛事同时进行，将会有多路记者同时进行采访，因此应有多台非线性编辑站点可满足同时工作的要求，同时在演播室内要具有两个站点在节目直播期间进行每条新闻的播出工作。综合考虑后设计8个站点作为《体育新闻》非编网络的基本架构。其中包括编辑工作站6个、播出工作站2个、卫星收录工作站1台，配音工作站1个。另外在设计时需留出足够的空间以便系统今后的扩容。
（3）系统的特殊需求
        在设计系统方案时，着重要考虑以下几个问题，新闻条目编辑方式多样化和工作流程的顺畅性，文稿处理的规范化和与视、音频素材的统一性，系统的帐户管理功能、存储管理、安全管理、素材管理，稿件的规范管理和灵活调用等问题。
（4）系统工作流程
        就《体育新闻》的编辑工作而言，有两种工作方式：先上载后编辑和边上载边编辑。
        在进行条目的画面内容编辑时，有两种工作方式：配音贴画面和画面配声音。
        在进行节目播出时，有两种工作方式：按条目串编好输出到磁带方式和用播出机通过演播室“直播”方式。

2．系统方案论证与实施
（1）系统结构描述
        在设计系统时，我们选用中科大洋公司的非线性编辑网络，系统网络结构采用FC（Fiber Channel）网和以太网相结合的双网结构。系统拓扑图见图1。FC网用于实现高码率数据在各精编工作站与在线存储体之间的高速数据交换，满足全部精编工作站在正常使用时对网络带宽的要求。以太网用于系统管理，并可提供流媒体素材的传输、调用。在满足带宽和实时性要求的前提下，系统中编辑工作站采用集中式结构。

图1 北京电视台制作网方案

（2）素材压缩格式选择
        在设计此新闻网络中，通过对各种压缩格式的分析，根据要求，采用DTV视音频板卡，该板卡支持DV25、DV50、MPEG2等数字压缩格式。在网络中选用MPEG2 I Frame作为高码流素材的压缩格式，在传送过程中可以选择50Mbps和25Mbps两种码率；考虑到网络编辑站点编辑过程中的网络带宽以及网络编辑过程中的图象质量，使用低码流素材采用MPEG4 流媒体文件，用于网络编目、实时在线检索。

（3）中心在线存储子系统
        视频网络的核心是中心在线存储子系统，集中保存所有的视音频数据，其他设备都需要直接或间接的与存储子系统连接，因此中心存储系统实现数据共享的同时必须保证充分的安全性，在性能上还要满足存储容量、带宽、容错的要求。
        本方案中根据目前需求、系统规模和将来扩展的需要，在设计存储系统时，要求配置双电源、双控制器，采用RAID技术，以全面保障系统的安全性和稳定性。针对本系统，选用了S2A3000作为磁盘阵列，在其中共开4个1Gb主机端口，提供400Mbps理论读写带宽，实际读写带宽可达350Mbps。采用三个4016硬盘箱，具备16个硬盘槽位。本系统中由于要求2.2TB的存储容量，因此配置22块146GB硬盘，其中包括2块热备硬盘以及4块冗余数据校验盘，能够最多提供2.336TB的有效存储容量，能够存储50Mbps码流的MPEG2素材近107小时（每小时MPEG2 50Mbps码流素材约占用22GB硬盘空间）。　　

（4）交换子系统
        数据的交换通过交换子系统完成，交换系统包括FC交换机和以太网交换机。
        A. FC交换机的接入方式
　　        光纤交换机各提供2个端口分别与中央存储系统S2A3000每个控制器的主机端口相连，同时再分别连接主备MDC服务器，所有FC接入的客户端站点分别连接到两台FC交换机上。由于MDC服务器已经做了高可用，这样的连接方式保证单台FC交换机故障时，客户端对中央存储系统访问仍能够正常进行，只有联入故障交换机的客户端站点工作受影响，但整个网络还能够正常的运转，避免网络单点故障引起的网络瘫痪。
        B．以太网交换子系统
　　        本系统中采用两台Cisco公司2950系列以太网交换机。Cisco公司的网络系统具有较好的兼容性，在所能提供的端口数量方面，能够每台配置为24个100Mb端口和2个1000Mb端口。
100Mb端口用于连接网络有卡、无卡站点，每台交换机的2个1000Mb端口用于连接主备MDC（兼数据）库服务器。
　　        所有的服务器均分别连接到主备以太网交换机上，所有客户端站点则只联入某一台以太网交换机。这样的连接保证当一台以太网交换机损坏的情况下，接入损坏交换机的客户站点重新接入正常工作的以太网交换机，则所有站点对数据库服务器、S2A中央存储体的访问完全不受影响，网络保持正常运行。

（5）MDC服务器集群高可用技术
        对中心存储系统还要指定一台服务器作为主MDC，另一台作为备MDC。主备MDC服务器上运行FC管理软件和集群软件 ，一旦主MDC出故障，备 MDC自动切换，并向所有连到与该MDC相关磁盘的站点发出信息，更改磁盘与MDC间的映射关系。这些操作对HOST操作系统而言是透明的，客户机看到并访问的只是虚拟MDC服务器和虚拟数据库服务器，也就是说编辑站点无需重启机器就可实现MDC移交。
        本系统中，通过Sanergy集群软件实现MDC高可用、热备切换。切换过程中，热备切换时间小于60秒，客户端工作站无须重起，网络能够正常运行。
        由于本网络中数据库服务器与MDC服务器集群高可用等功能均利用了微软的MSCS集群软件，因此为了节省成本，在S2A3000中开辟一块空间作为两台服务器的共享数据盘。网络数据库信息、服务器设置信息等均放置于该共享数据盘上。同时该两台服务器均分别连接到以太网交换机上又分别连接到FC交换机上，如此的冗余连接方式保证了任何一台交换机故障情况下网络数据访问仍然能够正常进行。

（6）数据迁移兼存储管理服务器
        在设计系统时，将数据迁移服务器与存储管理服务器的应用服务共同采用一台服务器承担。针对系统网络中需要迁移的素材制定迁移策略，同时通过SCSI数据线控制磁带库机械手臂，命令磁带库完成素材迁移以及回迁。
        磁带库中的磁带机通过光纤接口直接与网络光纤交换机相连，迁移管理服务器进行命令控制后，素材通过光纤实现迁移和回迁。
        存储管理服务器安装带库及机械手控制软件，在迁移服务器执行迁移/回迁命令后，存储管理服务器控制磁带库机械手抓取磁带，放入磁带机，开始数据迁移工作。

（7）判断管理兼转码服务器
        本系统中，将共享编辑网络、媒体资产管理网络完全融合，制作网络中的素材能够迁移至磁带库中存储，也可以回迁至制作网络中进行素材再编辑、再利用。因此，对于制作网特有的素材迁移，需要增加判断管理这一环节：需要迁移的节目是否为单一素材，该素材是否已经被迁移至带库；若被迁移节目为一个故事板而非单一素材，则需要用户判断是否迁移故事板中所有字幕、视频、音频、特技素材，还是迁移部分内容。判断迁移命令执行后，系统根据命令结果，自动调用迁移管理程序，制定迁移策略同时控制磁带库实现素材至磁带库的迁移。
        同时考虑到系统规模，该服务器同时具备转码功能，针对制作网收录的高码流节目进行转码，生成一路镜像流媒体文件，用于网络节目编目、检索。

3．网络技术分析
（1）网络带宽
        网络带宽出现瓶颈，会造成整个网络系统工作效率下降，通常是非线性编辑网络所遇到的最大的问题。所以在网络设计中，对整个网络带宽问题作了比较全面的分析，以保障整个系统可以稳定地运行。
        在系统中，有卡工作站由于其具体配置、功能不同，在对在线存储系统进行读写操作时占用的网络带宽也是不同的。
        A. 上载工作站按照采集成50Mbps 码率MPEG－2格式的素材，每台上载工作站需带宽为6.25 Mbps。由于上载工作站通过光纤读写磁盘阵列，此过程占四台上载工作站用网络带宽25Mbps；
        B. 有卡编辑、演播室播出工作站按照编辑2轨50Mbps 码率MPEG－2格式的素材计算，每台有卡编辑工作站将占用的光纤带宽为12.5 Mbps；三台有卡站共占用37.5Mbps带宽。
        C. 无卡编目、检索工组站调用低质量流媒体素材进行网络编辑，每台占用0.2MB网络带宽，因此无卡站共占用1MB左右网路带宽。
        D. 转码服务器工作时读取1路MPEG2文件，占用6.25Mbps带宽。
        以所有工作站处于编辑状态计算极限带宽，则高峰期网络带宽峰值为68.75 Mbps。
        网络工作过程中提供各工作站到光纤交换机之间独立的200 Mbps带宽，交换机与光纤阵列之间用铜缆连接，提供2Gbps带宽，满足节目网络传输带宽要求。而网络中所使用的1Gb带宽双控制器FC硬盘阵列开设4个1Gb端口，可以提供理论400 Mbps，实际测试单控制器可以达到350 Mbps的读写带宽，因此完全可以满足系统需求。

（2）网络安全控制
        A. 网络的管理系统具备完善的权限设置及权限管理功能，在网络系统构建硬件方面，应采用并发技术及相应的虚拟化存储等相应技术，从而保证了网络带宽可以满足该网络的实际需要。
        B. 整个网络安装网络病毒防护管理软件，防止病毒入侵，并对远程用户建立防火墙，避免外部的恶意攻击。同时网关工作站作为病毒防护的Server端对网络进行病毒防护管理，一方面也避免了病毒软件安装与服务器端对服务器负载及安全性带来的影响。
        C. 系统所有关键点全部采用冗余配置，完全消除网络单点故障导致的网络瘫痪等问题；
        D. 网络关键设备本身硬件也采用冗余配置，如双电源、双控制器、硬盘备份等等；服务器系统的硬盘和数据盘应采用RAID技术，并实现热备功能，主、备服务器可以实现在线切换。
        E. 针对收录部分，充分权衡设备故障率以及投入成本等问题，设计采用录像机作为收录备份的收录方式，确保外电收录不因设备、线路等问题而延误。
（3）网络管理
        系统提供完善的网络管理功能，既可以对磁盘空间、站点、栏目、记者等信息进行管理，也可以对用户的密码、帐号、权限、时限等进行管理。对网络设备的管理能够实现在线存储分配、在线设备监控、使用查询、数据统计、数据打印等功能，并且可对素材进行分级管理，具备灵活的素材删除、属性设置管理机制，故事板能够与文稿准确关连。

（4）系统的可扩展性
        A. S2A3000目前配置22块硬盘，扩容时，可以通过再加入26块146GB硬盘，将有效存储容量升级到5256GB。需要更大容量扩容时，S2A3000支持盘柜级连，由此实现系统容量成倍扩容。
        B. 现有网络配置双FC交换机、双以太网交换机，在计算网络剩余带宽及FC设备可用端口后，不增加FC交换设备的前提下还可以接入15台有卡工作站。

（5）稳定性、可靠性、先进性
        本系统中采用的S2A3000是目前技术先进的存储设备，编码格式MPEG－2 50Mbps和非线性板卡DTV都是目前的主流，广泛被广电用户采用，另外服务器选择DELL公司的2650服务器，充分保证技术的先进性。
        S2A3000存储设备和HP服务器以及其他的所有的硬件产品，包括DTV工作站等都已经被用户大量选用，实践证明其具有良好的可靠性。
        系统中的关键硬件S2A3000存储设备和HP服务器，都配置了硬件RAID系统，关键的应用点如交换机、数据库服务器、MDC服务器都是双机配置，保证数据和应用的安全。软件设计也有相关的功能，保证机器掉电、无操作等不会对系统造成致命的影响。
        系统的易维护性、可管理性：存储设备和服务器中的大部分部件支持热插拔，方便维护，网络管理软件以数据库为基础，所有的客户端都可以方便的对系统进行设置，实行整个网络系统的管理。
        系统的开放性：系统的数据结构以数据库为基础，应用软件采用插件式设计，目前已经支持Brois等著名插件提供商，同时可在特殊需要时提供相应的接口。

（四）演播室制作播出系统
        在节目的直播工作中，演播室承担着核心的作用，能够将主持人、编辑好的节目素材进行合成播出，是最重要的环节之一。本文以《体育新闻》节目直播演播室为例，对演播室技术进行说明。《体育新闻》节目演播室包括完整的演播室系统，即视频系统、音频系统、同步系统、编辑系统、电源系统、对讲系统、TALLY系统、灯光系统等八大系统，设计功能完备、具有较好的直播备份措施。下面对主要的几个系统进行具体地介绍。

1． 视频系统
        《体育新闻》节目直播演播室视频系统为全数字系统，与播出、总控间为数字SDI方式连接，录像机格式为SONY IMX格式。在演播室系统中，使用了三讯道的摄像机用于从各角度的拍摄，四台录像机用于磁带的播放与录制，系统中连接两路外来信号用于比赛赛事的转播工作，二台字幕机用于节目的字幕与包装，同时与非线性系统相连用于直播时新闻条目的播放，同时也用于在非线网中录制演播室信号。
        在设计演播室视频系统时，考虑到演播室将每日用于新闻节目的直播，因此对安全性极为重视。在技术方案设计及设备造型上，注重系统中各个设备各方面的冗余备份工作，以保证直播的安全进行。在设计系统方案时，选择了主备切换台备份的原则，在主切换台选型中，我们选择了SONY　DVS-9000系列切换台作为演播室的主切换台，主备切换台的信号分别接入矩阵的两路输入，当主切换台出现故障时，通过在矩阵上的切换可转换成备份切换台的信号，从而保证直播的顺畅。同时矩阵上也分别接入各个信号源的信号，也可直接在其上进行切换；而当矩阵出现故障时，可通过跳线直接将切换台的信号跳接到其后的视分上，以此来保障直播的不间断。

视频系统如图2所示

2.音频系统
        在音频系统方面中，系统中安排4路话筒用于主持人与嘉宾的访谈工作，每路信号源均配置双声道可独立控制的音频通道，在控制室、演播室中可按需要设置不同的监听信号。我们选择MIDAS系列调音台作为直播的主调音台。
        音频系统应急备份思想与视频系统相同，采用主备调音台及矩阵方式进行音频信号的备份思想。当主调音台出现故障时，用矩阵切换到备份调音台的信号，矩阵出现故障时，由跳线将调音台信号直接送出。

音频系统如图3所示

三、项目应用进展及今后工作展望
　　北京电视台体育频道技术方案从最初设计开始便十分重视系统的安全性及技术设备的先进性。在安全性方面，对直播节目严格按广电总局的要求进行直播的延时，在各个系统中做好技术方案的备份工作并建立起完善的应急机制，以保证在出现各种情况下安全播出的万无一失。在技术设备的先进性方面，注重引进国内外最新的的技术成果，并不断尝试引入新的设备，以使人员具备较高的工作能力及自身素质，同时提高节目的播出质量。
　　现体育频道每日提供超过18小时的播出节目，进行重大国内外赛事的转播工作，每日滚动播出体育新闻，节目覆盖整个北京地区，成为观众喜爱的频道之一。
　　除日常工作外，我台还注重参与国内外重大赛事的报道工作，创造机会与国内外的内行进行交流，以使我台的技术队伍得到更大的锻炼。2004年，我台派出人员与澳大利亚七网络电视台合作进行雅典奥运会游泳比赛的转播工作，在奥运会期间，我台在雅典前方搭建演播室及编辑机房进行奥运会比赛转播及新闻报道工作，同时雅典的技术平台也为北京电视台、上海电视台、广东电视台及华奥星空网站的合作提供服务。
　　2008年北京奥运会将为我们的发展提供重要的契机，届时我们将进行大量的比赛的转播及新闻专题的报道工作；我国已承诺在2008年北京奥运会的比赛转播中全面使用高清晰度信号，这都为我们的工作提出了新的要求。同时，随着电视台内部的改革与发展，建立整个台内制作、播出、存储、传输的一体化网络，也成为我们今后的工作重点。