硬盤系統(tǒng)在播出領域的應用

1、硬盤系統(tǒng)在播出領域的應用        一 前言    隨著圖形、圖象數(shù)字化技術向深層，采集、后期編輯、節(jié)目播出設備將以方式互聯(lián)，實行節(jié)目數(shù)據(jù)的交互式作業(yè)方式。作為體現(xiàn)新技術特征的基于硬盤的播出系統(tǒng)，由于它良好的非線性編輯性能、多通道的編解碼器、長時間的節(jié)目存儲量、周詳?shù)陌踩紤]和靈活的網絡功能，在電視播出領域的應用已成為電視技術人員關注的焦點，可以肯定預測基于硬盤的播出方式會逐步替換傳統(tǒng)的磁帶播出概念。    視頻技術領域所使用的硬盤

2、不同于普通的機硬盤。由于視頻信號數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高，因此對硬盤的速度要求較高，一般應在510GB/S之間甚至更高，這種硬盤一般被稱為高速視頻硬盤，或圖像數(shù)據(jù)盤、SCSI（Small Computer System Interface）硬盤。常用的硬盤類型有：Micropolis AV系列、Sesgata Barracuda 系列、FWBHammer、Quanrum等。根據(jù)硬盤壓縮比的不同所獲得的視頻圖像指標和存儲時間也不同。如采用2:1壓縮比的D5格式和數(shù)字Betacam，每1GB存儲時間為97秒；而采用20:1壓縮比的專業(yè)S-VHS，每1GB存儲時間可達960秒，并且這種硬盤可以多盤掛接從

3、而形成硬盤陣列。目前單盤基本容量達918GB甚至更大，最新的Uitra 2 Wide SCSI已達到80MB/S，下一個目標是160MB/S或更高，這樣將有利于提高視頻信號的存儲時間以及存儲質量。    這種大容量的通過寬帶的視頻服務器實現(xiàn)對視音頻信號進行存儲和非線性編輯的硬盤設備相對于傳統(tǒng)的磁帶錄像機設備通常被稱為硬盤錄像機。目前采用數(shù)字壓縮技術的專業(yè)級的硬盤錄像機已經具備：1. 大容量視音頻素材存儲，廣播級視音頻質量； 2.3.4. 多通道實時記錄/重放、資源共享，通道的數(shù)量與功能可靈活配置； 5.6.7. 具有模擬復合、模擬分量和串行數(shù)字分量等多種

4、視頻信號接口及 控制接口； 8.9.10. 采用M-JPEG（n）視頻數(shù)據(jù)壓縮方式，其壓縮比可調； 11.12.13. 采用了備份電源、冗余硬盤陣列（RAID）等技術。 14.已趨于成熟的硬件和軟件環(huán)境使硬盤錄像機在可靠性和記錄時間上都達到了實用化程度。二 利用硬盤實現(xiàn)自動播出的優(yōu)越性    利用硬盤實現(xiàn)視頻播出是建立在上述數(shù)字硬盤錄像機的高可靠性以及它的廣播級技術指標和質量要求之上的。隨著一些關鍵技術如壓縮編碼、RAID技術、寬帶光纖網等的日益成熟，硬盤播出進入視頻領域的自動播出系統(tǒng)已成為可能，并有取代傳統(tǒng)設備的發(fā)展前景。硬盤自動播出從根本上改變了電視

5、臺傳統(tǒng)的播出方式，與后者相比具有毫無疑問的明顯優(yōu)勢，其特點如下：1. 它采用了數(shù)字的處理和存儲方式，信道傳輸特性甚優(yōu)，多次重播的圖像質量一致性好； 2.3.4. 由于采用了硬盤作為存儲媒體，磨損極低，數(shù)據(jù)可以長期保存和播放而基本不影響質量； 5.6.7. 圖像和聲音作為數(shù)碼信號存儲于硬盤，由于硬盤的存取手段適應于多進程實時訪問，多個輸入、輸出通道可以同時存取同一或不同數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了資源共享，利用率大大提高； 8.9.10. 克服了磁帶錄像機機械結構維護困難、費用高、可靠性差等長期困擾電視技術工作人員的常見問題，其可靠性主要決定于硬盤系統(tǒng)和周邊設備的硬件水平以及相應的應用軟件水平，而這類技術正呈現(xiàn)

6、強勁發(fā)展趨勢； 11.12.13. 節(jié)目錄入、播出節(jié)目單設置完成后，一般無需人為干預，自動化程度高，節(jié)省人力，減輕了勞動強度，并且播出的精度大大提高； 14.15.16. 硬盤播出的實現(xiàn)平臺為服務器，其通用性較好，可以在開放底層接口的條件下靈活地實現(xiàn)各種應用； 17.18.19. 系統(tǒng)的內部擴展能力以及外部擴展能力較好，能夠很好地與未來的全數(shù)字、網絡化、資源共享的節(jié)目編播體系相銜接。 20.三 硬盤錄像機在電視播出中的獨特應用    在視頻播出領域如何保證電視節(jié)目高質量播出并使停播率趨為零，一直是擺在電視播出技術人員面前的一個重要課題。硬盤系統(tǒng)在播出領域

7、的應用除了上述的優(yōu)點以外，其獨特的應用方式產生了傳統(tǒng)方式所不具備的特殊作用。為了更直觀的說明問題,我們在此僅以Profile PDR100為例介紹一下硬盤錄像機在電視播出中的獨特應用。（本文作者聲明：此例不說明該設備為作者認為的最佳工作選擇。）1. 硬盤錄像機作為備播信號源 2.    電視播出是一個系統(tǒng)工程，牽扯部門多，且中心系統(tǒng)設備復雜環(huán)節(jié)多，難免會出現(xiàn)某些意外事件和各種設備不可預測的突發(fā)故障，采用錄像機播出就有可能出現(xiàn)絞帶、卡帶、糊磁頭的現(xiàn)象；自動播控中心也可能出現(xiàn)工作死機、播控程序失控等現(xiàn)象，這些都會造成播出中出現(xiàn)黑場、彩條、雜波、劣播等現(xiàn)象。若

8、采用雙錄像機工作或備份中心機房，由于需投入大量人力物力，還要多次轉錄節(jié)目磁帶，因此很難保證節(jié)目播出質量和真正實現(xiàn)播出節(jié)目的連續(xù)性。針對這一情況，可以利用硬盤錄像機profile PDR100獨立的雙向通道同時錄入和輸出的特點，將待播出節(jié)目提前寫入硬盤中，然后按節(jié)目播出單將寫入硬盤里的節(jié)目編輯好播出順序，備妥作為備播節(jié)目，一旦接收到播出中心的播出信號，硬盤錄像機與主播出節(jié)目通道同時啟動，輸出的備播信號與主播出信號同步、畫面分毫不差，送給播出切換臺作備播用,一旦播出中心信號有問題，可以立即切出硬盤錄像機輸出的節(jié)目，外界看來這一切換幾乎是天衣無縫，從而大大降低了停播和劣播事故。同時還可用硬盤錄像機的

9、另一通道選看或編輯硬盤中的內容，可以在硬盤錄像機播放的同時繼續(xù)節(jié)目的錄入及查看硬盤中的已有節(jié)目，二者之間在工作界面上彼此相互獨立，可大大提高使用效率，此工作系統(tǒng)硬件結構如圖一所示。此外利用硬盤的非線性編輯特性，可以不受時間順序和節(jié)目段長度的約束，迅速準確地定位以及搜索精確到幀，在備播畫面因特殊情況與中心播出不同步時，可以方便地前后尋找硬盤輸出的畫面，使其完全一致。備播中間也可隨時終止，提前備播下一個節(jié)目。    備播應用軟件安裝在外掛計算機中，它是這個系統(tǒng)的控制核心，它不僅通過RS-232串口對Profile PDR100實行全方位控制，且通過RS-42

10、2串口遙控錄像機的面板，提高錄入精度和減輕操作負擔。其實際應用操作界面及硬盤中素材管理信息都呈現(xiàn)在計算機的屏幕上。（二）硬盤錄像機提供即時插播信號    在日常播出中不但存在上述各種影響安全播出的因素，尚有磁帶制作問題、節(jié)目串聯(lián)單的誤差、臺外微波、光纖線路中斷等等意外事件。出現(xiàn)這些情況時，為了避免劣播、停播需要應急插播合適的畫面以保證播出的不間斷。采用傳統(tǒng)上字幕機打出靜止畫面效果不好，若準備一盤插播錄像帶隨時啟動錄像機切出活動畫面，啟動、掛帶、走穩(wěn)需要至少3秒鐘時間，這對于分秒必爭的電視播出影響極大。而采用硬盤錄像機輸出的數(shù)字信號反復播放仍能保持同樣的質

11、量，避免了磁帶播出由于磁頭磨損和多代復制所造成的信號衰減和劣化，因此用Profile PDR100硬盤錄像機提供的多路循環(huán)播放視音頻信號可以作為多個頻道的應急插播信號源，如圖二所示。硬盤錄像機的四個獨立的通道輸出分別送給四個頻道，事先將插播節(jié)目內容從某一通道寫入硬盤，平時讓四個輸出通道持續(xù)送出一循環(huán)播放的插播節(jié)目，分別傳給各個播出機房作為播出中心應急插播信號源使用。若播出中心出現(xiàn)故障，這一路信號即用即切，暫時接替正常節(jié)目，使工作人員有時間排除故障而不中斷播出。    另外，此設備也可用于常見的正常插播情況，當有些節(jié)目要求準點播出，如新聞、晚會，還有直播的

12、中場休息等，需要臨時插播“請您欣賞”或宣傳片內容，因所需的插播時間很短，若使用錄像機，由于短時間內的啟動、停止無法穩(wěn)定、易出事故。Profile PDR100提供的RS-422外部串行控制接口可以同時或分別接收各個播出機房人工或自動播控系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，從而平穩(wěn)地開始任何短時間的指定插播節(jié)目。    值得說明的一點是即時插播軟件可直接安裝在Profile PDR100主機的WINDOWS NT界面下，不用外接控制計算機，可利用Profile提供的API直接與之通訊。1. 硬盤錄像機實現(xiàn)延時播出 2.在播出中現(xiàn)場直播形式不僅可以體現(xiàn)電視節(jié)目的快速、準確、

13、實時性，而且減少了播出畫面質量的損失，提高收視效果。但有時會出現(xiàn)意想不到的情況，甚至可能帶來不良的社會影響，這一點在轉播境外節(jié)目時表現(xiàn)尤其明顯。如何從技術角度控制事先不可預料的事故播放出去，有效的方法是對現(xiàn)場直播節(jié)目進行適當?shù)难訒r播出，使導播有足夠的時間判斷處理而又不影響節(jié)目的播出時效性（延時間隔不易大，以觀眾的心理承受程度為依據(jù)）。使用傳統(tǒng)的播出手段無法實現(xiàn)這種短延時的隨錄隨播，利用硬盤錄像機即錄即放的功能，可以對現(xiàn)場直播信號實現(xiàn)延時播出。延時播出軟件也是運行在外掛計算機上，通過RS-232與Profile PDR100通訊并控制其動作。利用WINDOWS的多任務多邊合作進程及Profile

14、的多通道特點，在轉播重要的現(xiàn)場直播時將實況內容先錄入硬盤，按需要延遲適當一段時間后播放。在硬盤錄像機對實況轉播信號隨錄隨放的同時，導播密切關注現(xiàn)場情況，一旦出現(xiàn)不正常情況立即在短暫的延時間隔內對播出線上已錄入硬盤還未輸出的不宜轉播的視音頻信號進行剪切、編輯并替換為硬盤中其它合適的素材，或以人眼不易覺察的速率（正常速度的0.8倍1.2倍）稍快或稍慢播放，以保持相應的延時量。3.4.5.6.延時播出時，如圖三所示，Profile的第一通道錄入實況信號或錄像機輸出信號。選取錄入的精彩片段，從第二通道送入監(jiān)視器，進行慢動作處理制作生成特殊效果的素材段存儲到特定區(qū)域。硬盤中原有的素材從第四通道輸出到監(jiān)視

15、器瀏覽、編輯。第三通道作為延時后的輸出信號，直接送入播出中心切出。7.8.9. 三種應用方式共用 10.    在實際的應用中，我們配備一套Profile PDR100就可以適用以上三種彼此獨立的應用的形式，從而充分利用資源，提高了單機使用效率。為了省去操作上每換一種應用程序就要倒換設備外部的視音頻連線及控制線所帶來的麻煩，可以利用一臺視音頻矩陣來連通輸入輸出的各路信號，用一個功能控制管理軟件來確定不同軟硬件環(huán)境下矩陣交叉點的狀態(tài)。    如圖四所示，我們將本系統(tǒng)所用的全部輸入輸出視音頻信號線均接到矩陣的輸入輸出接

16、口，運用計算機中的應用軟件并通過RS-422串口信號遙控矩陣交叉點的通斷，將三個軟件所需切換的交叉點狀態(tài)分別存儲起來并命名，使用時根據(jù)名稱選中相應的交叉點狀態(tài)即可連通相關的設備，從而避免了因倒換設備視音頻連線及控制線所帶來的不安全因素和麻煩。四 當前硬盤播出系統(tǒng)的現(xiàn)狀    以上所述僅是以一種型號的硬盤錄像機為例說明硬盤播出在電視播出中的獨特應用，而如今在電視節(jié)目的領域，硬盤的應用已經進入方方面面的環(huán)節(jié)，已可以完全替代磁帶播出，并且配備有自己的應用以及管理軟件、自己的運作協(xié)議、以及各方面的配套技術，已逐步發(fā)展成應用于播出任務的、功能強大的硬盤工作系統(tǒng)。目

17、前應用于播出的最有名的硬盤系統(tǒng)有HP MediaSteam和Tektronix Profile PDR系列，二者都有MPEG-2壓縮、RAID保護等特別適合于播出的特點,但是由于目前國內尚未開發(fā)HP產品的播出控制軟件，且Profile硬盤播出系統(tǒng)在廣電系統(tǒng)應用較為廣泛，所以以下主要介紹Tektronix Profile PDR系列。    Tektronix公司的Profile系列產品是一個從獨立的數(shù)字硬盤錄像機到為大型視頻文件網絡服務器提供廣泛應用的家族。它通過采用開放式的結構，實現(xiàn)標準協(xié)議，以及提供Profile直接控制協(xié)議，使開發(fā)者很容易在Prof

18、ile的SDK基礎上，開發(fā)出各種用途，如插播、延時播出、循環(huán)播出等各種復雜的播出情況。另外Profile的多工能力使其能夠應付相當于多臺磁帶錄像機的工作，這使得Profile在一般應用下，例如節(jié)目延遲、存儲、轉播、準視頻節(jié)目點播以及多通道回放的操作等，具有更優(yōu)秀的特性。1             Profile硬盤系統(tǒng)自1996年打入市場從第一代產品PDR100開始，至今已從PDR200到PDR300（PDR400也已上市）。PDR系統(tǒng)的工作原理如圖五所示，該系統(tǒng)可實時或預先

19、錄入要編輯播出的節(jié)目，可以同時多通道輸出不同的內容，也可以重復和延時播出。PDR100為四通道硬盤錄像機，相當于四臺仿真錄像機，視頻處理采用JPEG標準，存儲廣播級電視節(jié)目的容量為3小時，操作系統(tǒng)采用WINDOWS NT3.51，應用軟件主要包括硬盤錄像機操作軟件和硬盤錄像機配置軟件。PDR200是在PDR100基礎上進行了升級改造，成為了一個強大的廣播級質量的制作服務器，編輯能力較強。首先PDR200使用WINDOWS NT 4.0操作系統(tǒng)，改進了原有的硬盤錄像機操作軟件和硬盤錄像機配置軟件，使整個系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性；其次通過高速可以在硬盤錄像機間方便快速地交換電視節(jié)目和傳遞機控制

20、信息，使硬盤錄像機播出系統(tǒng)有機地成為一個整體；再次增加了硬盤錄像機播出系統(tǒng)的可用資源，具有4路模擬復合視頻輸入、4路串行數(shù)字分量視頻輸入和輸出、10路模擬復合視頻輸出，具有可以存儲17個小時的廣播級電視節(jié)目的能力，為快速錄入電視節(jié)目、延長持續(xù)播出時間提供保障。PDR300為應用于播出而優(yōu)化處理，有更多的播出通道和較好的編輯能力，它能提供第一代Betecam SP視頻（最高D1質量）和CD質量音頻。PDR300硬盤播出服務器的特點是：MPEG-2 4:2:2 PML4:2:0 或4:2:2取樣4Mbps至50Mbps可變碼率可變GOP結構（從1到16）1. IB、IBBP編碼 2.對于任何GOP

21、都是幀精度剪切編輯對于任何GOP都可以逐幀前進和后退平滑的無級變速播放靈活的輸入/輸出配置16或32音頻通道1. 色度取樣 2.采用MPEG-2 4:2:2檔次的主級標準（MAIN LEVEL），從而使視頻信號質量達到廣播電視的標準。3.4.5. GOP結構 6.碼率和圖像組（GOP）是決定MPEG-2視頻質量的基礎，當使用長的GOP時，利用相當于M-JPEG一半的碼率就能保證同樣的圖像質量，令存儲效率翻了一番。MPEG的GOP結構中一個視頻幀序列由I幀、P幀和B幀組成，在Profile內GOP的可變范圍為116，為了保持任意幀剪切編輯的能力，在PDR300中每一個輸出通道都含有兩個解碼器，各

22、有其獨立的緩沖存儲器，當片斷一從第一個解碼器播出時，第二個解碼器就對第二個片斷進行解碼，做好從任意幀開始播出的準備。因為切換是在串行數(shù)字視頻域里完成的，所以不管GOP的結構如何，都可在片斷內的任意幀之間完成無縫剪切，也可以以同樣的方式進行編輯。當編輯一段素材的首或尾時，系統(tǒng)總是將數(shù)據(jù)有效的消除到最后的一個I幀，而維持在GOP結構中的任何幀開始或結束的能力。7.另外，MPEG的壓縮碼率為450Mbps，當采用12Mbps的壓縮碼率錄入時，一臺PDR300可存儲約12小時的素材。8.9.10. 多通道特性 11.PDR300采用插卡式結構，可以根據(jù)需要配置不同數(shù)目的編碼器、解碼器（錄入、播出通道）

23、，以及輸入、輸出接口卡。按照輸入、輸出通道的配置數(shù)目，又可分為PDR312（1入/2出）、PDR324（2入/4出）、PDR316（1入/6出）、PDR308（0入/8出）。其串行數(shù)字視頻信號采用8比特或10比特輸入分辨率、8比特輸出分辨率。12.13.14. 數(shù)字音頻特性 15.當前在設備的升級和改造中數(shù)字音頻變得越來越重要，在Profile內部有16或32個數(shù)字音頻通道可供使用。數(shù)字音頻能夠通過XLR或BNC連接進入系統(tǒng)，或者嵌入串行數(shù)字視頻碼流。對于模擬音頻，為了在Profile內部進行處理，8通道的PAC208把音頻數(shù)字化成為AES/EBU數(shù)字音頻。此外，PAC208也提供數(shù)字音頻接口

24、，即Profile同時支持模擬音頻、數(shù)字音頻和嵌入式音頻三種音頻格式。因此，Profile適應任何類型的音頻升級策略，音頻處理能力包括音頻編輯、語音添加、電平調節(jié)、隨行變速、分離編輯以及取樣頻率轉換等。16.17.18. 存儲技術 19.    Profile內部的8個9GB Ultra-SCSI硬盤是非RAID的，可以通過增加一到兩個PDX208外部硬盤機箱予以擴展。一臺Profile能夠連接兩臺PDX208硬盤擴展箱，即一臺Profile能夠外掛144GB的非RAID硬盤。Profile提供兩種存儲器方式，即RAID（帶電插拔硬盤方式）和非RAID（

25、普通硬盤方式）。當要求完全冗余鏡像操作時，非RAID存儲提供性能價格比最高的解決辦法；而對于其他配置，RAID應該是較好的選擇。普通硬盤發(fā)生故障時，其數(shù)字視頻信息就丟失了或至少出現(xiàn)暫時不能存取、降低視頻質量或使系統(tǒng)完全陷入癱瘓狀態(tài)，造成播出事故。RAID使用RAID-3技術，將增加的奇偶性數(shù)據(jù)與視頻信號存儲在一起，萬一硬盤發(fā)生故障，這種奇偶性數(shù)據(jù)就被用來重建運行中損失的數(shù)據(jù)，Profile的所有通道仍保持不間斷播出，避免運行中斷或信號質量的損失。如果個別硬盤失效或發(fā)生故障，可以帶電熱插硬盤、電源和風扇，迅速重建視頻和音頻信息，使所有的頻道繼續(xù)帶電運行，以保證不間斷播出，而不需要Profile離線停機。五 硬盤系統(tǒng)應用于播出領域的一些相關技術（一）硬盤服務器的控制方式    硬盤系統(tǒng)中Profile硬盤服務器的控制軟件的開發(fā)可利用原廠提供的SDK底層函數(shù)或422接口協(xié)議，但無論采用何種開發(fā)形式，在控制結構上均可根據(jù)應用的需要分為單機控制