【摘要】本文通過對廣東綜藝4K超高清播出系統的介紹，以總體架構、視音頻鏈路為基礎，對4K的應急切換在實際播出中的應用進行詳細探討。
【關鍵詞】 4K超高清 凈切換一致性比對 KPI
一.前言
4K超高清電視比高清電視有更高的圖像分辨率、幀率、動態(tài)范圍和更寬廣的色域，可配置更好地適應環(huán)境，從而提供更具沉浸感及更好體驗的音視頻服務。推進4K超高清電視網絡應用、帶動相關產業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，根據國家新聞出版廣電總局關于規(guī)范和促進4K超高清電視發(fā)展的規(guī)劃，我臺積極探索新模式、新業(yè)態(tài)、新服務的迫切需求。2017年年初,廣東廣播電視臺開始籌建4K超高清頻道播出系統，同年12月進行試播，2018年10月16日，廣東綜藝4K超高清頻道正式開播。本文將介紹廣東綜藝4K頻道播出系統的架構以及應急切換在播出過程中的具體應用。
二．4K超高清系統架構
根據目前實際情況，廣東綜藝4K超高清播出系統采用以文件化播出為主、外來直播信號播出為輔的無壓縮播出架構，其中4K超高清節(jié)目文件采用與制作域一致的原碼率和格式，外來直播信號通過總控系統轉換為內部標準無壓縮信號播出。
1.整體框架業(yè)務范圍
播出控制系統的業(yè)務范圍，對外系統包括總控系統、傳輸系統、備播系統、編單系統、輔助系統、監(jiān)管系統，具體如圖1。劃分成播出控制系統對外的業(yè)務交互和對內的業(yè)務交互。
圖1 播出系統框架圖
系統對外的業(yè)務交互包括：與總控系統是信號交互，接收總控調度過來的直播信號；與傳輸系統也是信號交互，將播出信號送到傳輸平臺；與備播系統是文件交互，接收備播系統傳輸過來的視頻文件和圖文文件，傳輸到播出視頻服務器；與輔助系統主要是日志信息交互，為故障判斷提供幫助；與編單系統是節(jié)目信息交互，接收編單系統的節(jié)目單信息，并將播后信息返回給編單系統；與監(jiān)管系統是軟件運行的信息交互，將播出狀態(tài)、軟件運行狀態(tài)、故障信息發(fā)送給監(jiān)管系統。
系統對內的業(yè)務交互主要是播控軟件根據播出節(jié)目串聯單，控制視頻服務器和矩陣完成信號的切換播出。主要分為常規(guī)播出，即ALL IN ONE視頻服務器播出，還有應急播出，即機動備份播出、墊片播出。
2.軟件架構
廣東綜藝4K超高清播出控制系統、管理及監(jiān)控平臺的軟件架構采用云架構和微服務的方式進行設計，遵循模塊化、層級化的原則，關系明確，邊界清晰。當系統負載增加時，可平行擴充，組件可獨立的開發(fā)、部署、管理和支持彈性伸縮。基本功能組件能夠快速上線、并可以通過快速迭代升級方式完成系統建設，這也為我臺將來的發(fā)展升級提供可行性。
三．視音頻播出系統
4K超高清播出系統和傳統高清播出系統相比，在通話、同步及時鐘上基本相同，最大的區(qū)別在于4K視頻信號由4個3G-SDI信號組成，所以每個信號的傳輸都需要4根視頻線。還有，監(jiān)看系統的設備、配置和傳統高清系統差別也有很大區(qū)別。視音頻系統主要由視頻服務器、監(jiān)看檢測以及切換部分組成，具體如圖2所示。
圖2 視音頻系統圖
1.視頻服務器
考慮到現今IP播出的發(fā)展趨勢，以及目前廣電4K超高清播出設備的實際情況，建議核心視頻服務器采用All in one結構，既可滿足線路信號切換、字幕、臺標等傳統播出功能，又能在基帶電纜傳輸和IP光纖傳輸之間進行靈活選擇，具備一定彈性和靈活性。為應對單一設備集成度過高所造成的風險，可考慮采用同構主備路加異構第三備的播出模式，
并建立節(jié)目素材技術審查通道和提前播通道，以提早發(fā)現和解決問題，將播出風險前置。播出視頻服務器集成圖文疊加和外來信號切換功能，節(jié)省了傳統的切換器和鍵控器，使視音頻系統架構更加簡單。視頻服務器采用主、備和第三備的方式，主備是Harmonic SpectrumX服務器，第三備采用異構的大洋VIPS-4K服務器，提供了播出安全性。在3臺視頻服務器基礎之上，還配置了SONY的墊片播放器，用于循環(huán)播放墊片節(jié)目，做為應急信號源。
2.基帶播出信號切換
系統配備支持凈切換的倒換設備，支持同構主、備和異構第三備三路4K播出信號進行倒換，其中同構主、備路要求支持信號中斷、黑場、靜幀、無聲等故障檢測和自動倒換，閥值可手動設置，倒換設備支持遠程面板控制和斷電旁通主路功能。4X1倒換器做為整個播出系統的最核心設備之一，能夠支持幀精度的靜切換。
3.監(jiān)看檢測
播出信號監(jiān)看采用4K超高清多畫面分割器，支持12路4K信號，可對主、備、第三備視頻服務器的信號、總控直播信號、墊片信號、主備4X1輸出信號和PGM總輸出信號進行畫面監(jiān)看。對于4K視音頻信號質量（靜幀、黑場、靜音）檢測，采用3臺科利通的Fresco-Supervisio，可對12路4K信號進行實時分析檢測，對各種信號異常情況設定閾值，超過閾值則進行聲音報警。另外配合大洋睿御監(jiān)管系統，以視音頻監(jiān)控系統圖的形式，顯示各信號檢測點實時4K圖像畫面，有問題則聲光報警，便于快速定位故障點，值班人員進而及時做出應急處理。
四．應急切換的應用
1.一致性比對
單純使用K P I（播出質量關鍵指標）進行畫面問題自動判斷，可能存在KPI報警時間閾值過長而導致報警延誤。可通過畫面一致性比對輔助改善，提高播出系統的安全性。一致性比對就是在給定的延時范圍內，比較視音頻信號的一致性，如圖3所示，用于測量主備（或多路）視頻音信號之間差異、延時、偏移，并按照設定的策略對播出系統的狀態(tài)進行聲光報警，并為值班的應急處理提供幫助。
圖3 一致性比對
廣東綜藝4K超高清系統中，三條信號鏈路（主路、備路、三備）畫面內容在正常情況下應完全相同，使用畫面內容自動比對技術可讓系統立即判斷并報出一致性比對結果，輔助操作人員快速判斷畫面是否存在問題。
如圖4所示，本系統使用的信號比對儀輸入端口為3G-SDI BNC接口，數量為12個，可對信號進行視音頻指紋提取、并比對分析一致性，滿足三路Qua-Link 4K畫面的輸入需求（第四路信號為墊片，內容與其他信號不一致，不具有比對可用性）。信號連接方式為：12路3G-SDI全部接入信號比對儀，邏輯上對同屬一路4K信號的4路SDI信號進行標記。比對時，將各路信號的相應位置四分之一畫幅進行兩兩比對，有任意四分之一畫面不同，則認為兩路4K信號內容不同。同理，三組4K信號可分別進行兩兩比對，判定相互一致性。除畫面內容的一致性外，本比對儀還可對信號延時、插幀、倒序輸入、亮度、聲音內容的一致性做出判斷，如實際業(yè)務情況需要可及時上報相關一致性問題。
圖4
通過指紋比對技術比較多路信號的內容一致性，通過橫向一致性比對，可用于末級主備畫面，指導值班人員進行應急切換操作；通過縱向一致性比對，用于定位完整播出鏈路上的問題點，協助值班人員定準確定位播出故障設備，快速恢復正常播出，保證播出安全。具體如圖5所示。
圖5 比對應用
2.4K凈切換
在實際播出的應用中，本系統鏈路末級配置的是4臺雙路二選一倒換器，共計16個3G-SDI輸入端口，8個3G-SDI輸出端口，數量上可滿足4路4K信號的四選一需求，每臺雙路二選一倒換器自帶幀同步，支持凈切換，控制面板通過GPI實現4路IP信號的４路3G-SDI信號幀精度凈切換。4臺設備在接收到GPI切換指令時，都在視頻切換行處進行切換，此時切換發(fā)生后所有信號的切換均基于同步的幀精度，即實現了基于Qua-Link連接的4K基帶信號的凈切換，如圖6所示。另外，由于切換面板與4臺雙路二選一倒換器的GPI連接方式為并聯，所以如果任一臺二選一設備出現短路故障，切換面板將無法判斷其他二選一設備的GPI控制口電位水平。
圖6 靜切換示意圖
對于這個問題，我們的解決辦法是在控制面板和四臺二選一倒換器間增加了單向信號限流裝置，使短路故障的電平無法影響其他二選一倒換器的GPI控制口電勢差，避免了切換設備單點故障對播出的影響。
3.應急案例分析
在本播出系統中使用的是大洋的多畫面比對系統，在主、備、第三備視頻服務器之間進行兩兩比對，輸出結果，具體如以下的邏輯表。只要比對結果不一致，說明必有故障發(fā)生，該系統會根據實際比對的結果，輸出操作建議，并伴有圖文和聲音報警。具體如表1格。
舉一個播出中的常見故障，當主視頻服務器出現靜音故障時，主與備比對，主與第三備比對，備與第三備比對，根據比對結果，得出的操作結論就是切換到備視頻服務器，具體如圖7所示，值班員根據以上的比對提示操作末端的兩個4X1切換器，倒換到備服務器播出。這種應急處理模式思維清晰，操作簡單，有利于播出故障的準確判斷和快速應急。
圖7 應急處理案例圖
五．結束語
目前，廣東綜藝4K頻道主要以硬盤為主，實現24小時不間斷播出，節(jié)目素材主要以臺內制作及外購為主，系統運行穩(wěn)定。該頻道還大膽嘗試、勇于創(chuàng)新，積極聯合我臺體育部對《CBA籃球賽》、《廣州羽毛球賽》等進行直播，取得令人滿意的效果。在應急切換方面，希望能有效結合內容一致性比對、信號異態(tài)檢測、節(jié)目技審等手段，經過系統的綜合分析后，真正實現末端信號的智能應急切換。 B&P
參考文獻：
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