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硬盘系统在播出领域的应用
硬盘系统在播出领域的应用
`2000中南地区省级电视台技术协会技术论文二等奖一 前言
随着图形、图象数字化技术向深层发展，电子采集、后期编辑、节目播出设备将以网络方式互联，实行节目数据的交互式作业方式。作为体现新技术特征的基于硬盘的播出系统，由于它良好的非线性编辑性能、多通道的编解码器、长时间的节目存储量、周详的安全考虑和灵活的网络功能，在电视播出领域的应用已成为电视技术人员关注的焦点，可以肯定预测基于硬盘的播出方式会逐步替换传统的磁带播出概念。
视频技术领域所使用的硬盘不同于普通的计算机硬盘。由于视频信号数据量大、传输速率高，因此对硬盘的速度要求较高，一般应在5~10GB/S之间甚至更高，这种硬盘一般被称为高速视频硬盘，或图像数据盘、SCSI（Small Computer System Interface）硬盘。常用的硬盘类型有：Micropolis AV系列、Sesgata Barracuda 系列、FWBHammer、Quanrum等。根据硬盘压缩比的不同所获得的视频图像指标和存储时间也不同。如采用2:1压缩比的D5格式和数字Betacam，每1GB存储时间为97秒；而采用20:1压缩比的专业S-VHS，每1GB存储时间可达960秒，并且这种硬盘可以多盘挂接从而形成硬盘阵列。目前单盘基本容量达9~18GB甚至更大，最新的Uitra 2 Wide SCSI已达到80MB/S，下一个目标是160MB/S或更高，这样将有利于提高视频信号的存储时间以及存储质量。
这种大容量的通过宽带的视频服务器实现对视音频信号进行存储和非线性编辑的硬盘设备相对于传统的磁带录像机设备通常被称为硬盘录像机。目前采用数字压缩技术的专业级的硬盘录像机已经具备：
- 大容量视音频素材存储，广播级视音频质量；
- 多通道实时记录/重放、资源共享，通道的数量与功能可灵活配置；
- 具有模拟复合、模拟分量和串行数字分量等多种视频信号接口及 控制接口；
- 采用M-JPEG（n）视频数据压缩方式，其压缩比可调；
- 采用了备份电源、冗余硬盘阵列（RAID）等技术。
已趋于成熟的硬件和软件环境使硬盘录像机在可靠性和记录时间上都达到了实用化程度。
二 利用硬盘实现自动播出的优越性
利用硬盘实现视频播出是建立在上述数字硬盘录像机的高可靠性以及它的广播级技术指标和质量要求之上的。随着一些关键技术如压缩编码、RAID技术、宽带光纤网等的日益成熟，硬盘播出进入视频领域的自动播出系统已成为可能，并有取代传统设备的发展前景。硬盘自动播出从根本上改变了电视台传统的播出方式，与后者相比具有毫无疑问的明显优势，其特点如下：
- 它采用了数字的处理和存储方式，信道传输特性甚优，多次重播的图像质量一致性好；
- 由于采用了硬盘作为存储媒体，磨损极低，数据可以长期保存和播放而基本不影响质量；
- 图像和声音作为数码信号存储于硬盘，由于硬盘的存取手段适应于多进程实时访问，多个输入、输出通道可以同时存取同一或不同数据，实现了资源共享，利用率大大提高；
- 克服了磁带录像机机械结构维护困难、费用高、可靠性差等长期困扰电视技术工作人员的常见问题，其可靠性主要决定于硬盘系统和周边设备的硬件水平以及相应的应用软件水平，而这类技术正呈现强劲发展趋势；
- 节目录入、播出节目单设置完成后，一般无需人为干预，自动化程度高，节省人力，减轻了劳动强度，并且播出的精度大大提高；
- 硬盘播出的实现平台为服务器，其通用性较好，可以在开放底层接口的条件下灵活地实现各种应用；
- 系统的内部扩展能力以及外部扩展能力较好，能够很好地与未来的全数字、网络化、资源共享的节目编播体系相衔接。
三 硬盘录像机在电视播出中的独特应用
在视频播出领域如何保证电视节目高质量播出并使停播率趋为零，一直是摆在电视播出技术人员面前的一个重要课题。硬盘系统在播出领域的应用除了上述的优点以外，其独特的应用方式产生了传统方式所不具备的特殊作用。为了更直观的说明问题,我们在此仅以Profile PDR100为例介绍一下硬盘录像机在电视播出中的独特应用。（本文作者声明：此例不说明该设备为作者认为的最佳工作选择。）
- 硬盘录像机作为备播信号源
电视播出是一个系统工程，牵扯部门多，且中心系统设备复杂环节多，难免会出现某些意外事件和各种设备不可预测的突发故障，采用录像机播出就有可能出现绞带、卡带、糊磁头的现象；自动播控中心也可能出现工作死机、播控程序失控等现象，这些都会造成播出中出现黑场、彩条、杂波、劣播等现象。若采用双录像机工作或备份中心机房，由于需投入大量人力物力，还要多次转录节目磁带，因此很难保证节目播出质量和真正实现播出节目的连续性。针对这一情况，可以利用硬盘录像机profile PDR100独立的双向通道同时录入和输出的特点，将待播出节目提前写入硬盘中，然后按节目播出单将写入硬盘里的节目编辑好播出顺序，备妥作为备播节目，一旦接收到播出中心的播出信号，硬盘录像机与主播出节目通道同时启动，输出的备播信号与主播出信号同步、画面分毫不差，送给播出切换台作备播用,一旦播出中心信号有问题，可以立即切出硬盘录像机输出的节目，外界看来这一切换几乎是天衣无缝，从而大大降低了停播和劣播事故。同时还可用硬盘录像机的另一通道选看或编辑硬盘中的内容，可以在硬盘录像机播放的同时继续节目的录入及查看硬盘中的已有节目，二者之间在工作界面上彼此相互独立，可大大提高使用效率，此工作系统硬件结构如图一所示。此外利用硬盘的非线性编辑特性，可以不受时间顺序和节目段长度的约束，迅速准确地定位以及搜索精确到帧，在备播画面因特殊情况与中心播出不同步时，可以方便地前后寻找硬盘输出的画面，使其完全一致。备播中间也可随时终止，提前备播下一个节目。
备播应用软件安装在外挂计算机中，它是这个系统的控制核心，它不仅通过RS-232串口对Profile PDR100实行全方位控制，且通过RS-422串口遥控录像机的面板，提高录入精度和减轻操作负担。其实际应用操作界面及硬盘中素材管理信息都呈现在计算机的屏幕上。
（二）硬盘录像机提供即时插播信号
在日常播出中不但存在上述各种影响安全播出的因素，尚有磁带制作问题、节目串联单的误差、台外微波、光纤线路中断等等意外事件。出现这些情况时，为了避免劣播、停播需要应急插播合适的画面以保证播出的不间断。采用传统上字幕机打出静止画面效果不好，若准备一盘插播录像带随时启动录像机切出活动画面，启动、挂带、走稳需要至少3秒钟时间，这对于分秒必争的电视播出影响极大。而采用硬盘录像机输出的数字信号反复播放仍能保持同样的质量，避免了磁带播出由于磁头磨损和多代复制所造成的信号衰减和劣化，因此用Profile PDR100硬盘录像机提供的多路循环播放视音频信号可以作为多个频道的应急插播信号源，如图二所示。硬盘录像机的四个独立的通道输出分别送给四个频道，事先将插播节目内容从某一通道写入硬盘，平时让四个输出通道持续送出一循环播放的插播节目，分别传给各个播出机房作为播出中心应急插播信号源使用。若播出中心出现故障，这一路信号即用即切，暂时接替正常节目，使工作人员有时间排除故障而不中断播出。
另外，此设备也可用于常见的正常插播情况，当有些节目要求准点播出，如新闻、晚会，还有体育直播的中场休息等，需要临时插播“请您欣赏”或宣传片内容，因所需的插播时间很短，若使用录像机，由于短时间内的启动、停止无法稳定、易出事故。Profile PDR100提供的RS-422外部串行控制接口可以同时或分别接收各个播出机房人工或自动播控系统发出的控制信号，从而平稳地开始任何短时间的指定插播节目。
值得说明的一点是即时插播软件可直接安装在Profile PDR100主机的WINDOWS NT界面下，不用外接控制计算机，可利用Profile提供的API直接与之通讯。
- 硬盘录像机实现延时播出
在播出中现场直播形式不仅可以体现电视节目的快速、准确、实时性，而且减少了播出画面质量的损失，提高收视效果。但有时会出现意想不到的情况，甚至可能带来不良的社会影响，这一点在转播境外节目时表现尤其明显。如何从技术角度控制事先不可预料的事故播放出去，有效的方法是对现场直播节目进行适当的延时播出，使导播有足够的时间判断处理而又不影响节目的播出时效性（延时间隔不易大，以观众的心理承受程度为依据）。使用传统的播出手段无法实现这种短延时的随录随播，利用硬盘录像机即录即放的功能，可以对现场直播信号实现延时播出。延时播出软件也是运行在外挂计算机上，通过RS-232与Profile PDR100通讯并控制其动作。利用WINDOWS的多任务多边合作进程及Profile的多通道特点，在转播重要的现场直播时将实况内容先录入硬盘，按需要延迟适当一段时间后播放。在硬盘录像机对实况转播信号随录随放的同时，导播密切关注现场情况，一旦出现不正常情况立即在短暂的延时间隔内对播出线上已录入硬盘还未输出的不宜转播的视音频信号进行剪切、编辑并替换为硬盘中其它合适的素材，或以人眼不易觉察的速率（正常速度的0.8倍~1.2倍）稍快或稍慢播放，以保持相应的延时量。
延时播出时，如图三所示，Profile的第一通道录入实况信号或录像机输出信号。选取录入的精彩片段，从第二通道送入监视器，进行慢动作处理制作生成特殊效果的素材段存储到特定区域。硬盘中原有的素材从第四通道输出到监视器浏览、编辑。第三通道作为延时后的输出信号，直接送入播出中心切出。
- 三种应用方式共用
在实际的应用中，我们配备一套Profile PDR100就可以适用以上三种彼此独立的应用的形式，从而充分利用资源，提高了单机使用效率。为了省去操作上每换一种应用程序就要倒换设备外部的视音频连线及控制线所带来的麻烦，可以利用一台视音频矩阵来连通输入输出的各路信号，用一个功能控制管理软件来确定不同软硬件环境下矩阵交叉点的状态。
如图四所示，我们将本系统所用的全部输入输出视音频信号线均接到矩阵的输入输出接口，运用计算机中的应用软件并通过RS-422串口信号遥控矩阵交叉点的通断，将三个软件所需切换的交叉点状态分别存储起来并命名，使用时根据名称选中相应的交叉点状态即可连通相关的设备，从而避免了因倒换设备视音频连线及控制线所带来的不安全因素和麻烦。
四 当前硬盘播出系统的现状
以上所述仅是以一种型号的硬盘录像机为例说明硬盘播出在电视播出中的独特应用，而如今在电视节目的领域，硬盘的应用已经进入方方面面的环节，已可以完全替代磁带播出，并且配备有自己的应用以及管理软件、自己的运作协议、以及各方面的配套技术，已逐步发展成应用于播出任务的、功能强大的硬盘工作系统。目前应用于播出的最有名的硬盘系统有HP MediaSteam和Tektronix Profile PDR系列，二者都有MPEG-2压缩、RAID保护等特别适合于播出的特点,但是由于目前国内尚未开发HP产品的播出控制软件，且Profile硬盘播出系统在广电系统应用较为广泛，所以以下主要介绍Tektronix Profile PDR系列。
Tektronix公司的Profile系列产品是一个从独立的数字硬盘录像机到为大型视频文件网络服务器提供广泛应用的家族。它通过采用开放式的结构，实现工业标准协议，以及提供Profile直接控制协议，使开发者很容易在Profile的SDK基础上，开发出各种用途，如插播、延时播出、循环播出等各种复杂的播出情况。另外Profile的多工能力使其能够应付相当于多台磁带录像机的工作，这使得Profile在一般应用下，例如节目延迟、存储、转播、准视频节目点播以及多通道回放的操作等，具有更优秀的特性。
Profile硬盘系统自1996年打入市场从第一代产品PDR100开始，至今已从PDR200发展到PDR300（PDR400也已上市）。PDR系统的工作原理如图五所示，该系统可实时或预先录入要编辑播出的节目，可以同时多通道输出不同的内容，也可以重复和延时播出。PDR100为四通道硬盘录像机，相当于四台仿真录像机，视频处理采用JPEG标准，存储广播级电视节目的容量为3小时，操作系统采用WINDOWS NT3.51，应用软件主要包括硬盘录像机操作软件和硬盘录像机配置软件。PDR200是在PDR100基础上进行了升级改造，成为了一个强大的广播级质量的制作服务器，编辑能力较强。首先PDR200使用WINDOWS NT 4.0操作系统，改进了原有的硬盘录像机操作软件和硬盘录像机配置软件，使整个系统具有更高的安全性和可靠性；其次通过高速网络可以在硬盘录像机间方便快速地交换电视节目和传递计算机控制信息，使硬盘录像机播出系统有机地成为一个整体；再次增加了硬盘录像机播出系统的可用资源，具有4路模拟复合视频输入、4路串行数字分量视频输入和输出、10路模拟复合视频输出，具有可以存储17个小时的广播级电视节目的能力，为快速录入电视节目、延长持续播出时间提供保障。PDR300为应用于播出而优化处理，有更多的播出通道和较好的编辑能力，它能提供第一代Betecam SP视频（最高D1质量）和CD质量音频。
PDR300硬盘播出服务器的特点是：
MPEG-2 4:2:2 P@ML
4:2:0 或4:2:2取样
4Mbps至50Mbps可变码率
可变GOP结构（从1到16）
- IB、IBBP编码
对于任何GOP都是帧精度剪切编辑
对于任何GOP都可以逐帧前进和后退
平滑的无级变速播放
灵活的输入/输出配置
16或32音频通道
- 色度取样
采用MPEG-2 4:2:2档次的主级标准（MAIN LEVEL），从而使视频信号质量达到广播电视的标准。
- GOP结构
码率和图像组（GOP）是决定MPEG-2视频质量的基础，当使用长的GOP时，利用相当于M-JPEG一半的码率就能保证同样的图像质量，令存储效率翻了一番。MPEG的GOP结构中一个视频帧序列由I帧、P帧和B帧组成，在Profile内GOP的可变范围为1~16，为了保持任意帧剪切编辑的能力，在PDR300中每一个输出通道都含有两个解码器，各有其独立的缓冲存储器，当片断一从第一个解码器播出时，第二个解码器就对第二个片断进行解码，做好从任意帧开始播出的准备。因为切换是在串行数字视频域里完成的，所以不管GOP的结构如何，都可在片断内的任意帧之间完成无缝剪切，也可以以同样的方式进行编辑。当编辑一段素材的首或尾时，系统总是将数据有效的消除到最后的一个I帧，而维持在GOP结构中的任何帧开始或结束的能力。
另外，MPEG的压缩码率为4~50Mbps，当采用12Mbps的压缩码率录入时，一台PDR300可存储约12小时的素材。
- 多通道特性
PDR300采用插卡式结构，可以根据需要配置不同数目的编码器、解码器（录入、播出通道），以及输入、输出接口卡。按照输入、输出通道的配置数目，又可分为PDR312（1入/2出）、PDR324（2入/4出）、PDR316（1入/6出）、PDR308（0入/8出）。其串行数字视频信号采用8比特或10比特输入分辨率、8比特输出分辨率。
- 数字音频特性
当前在设备的升级和改造中数字音频变得越来越重要，在Profile内部有16或32个数字音频通道可供使用。数字音频能够通过XLR或BNC连接进入系统，或者嵌入串行数字视频码流。对于模拟音频，为了在Profile内部进行处理，8通道的PAC208把音频数字化成为AES/EBU数字音频。此外，PAC208也提供数字音频接口，即Profile同时支持模拟音频、数字音频和嵌入式音频三种音频格式。因此，Profile适应任何类型的音频升级策略，音频处理能力包括音频编辑、语音添加、电平调节、随行变速、分离编辑以及取样频率转换等。
- 存储技术
Profile内部的8个9GB Ultra-SCSI硬盘是非RAID的，可以通过增加一到两个PDX208外部硬盘机箱予以扩展。一台Profile能够连接两台PDX208硬盘扩展箱，即一台Profile能够外挂144GB的非RAID硬盘。Profile提供两种存储器方式，即RAID（带电插拔硬盘方式）和非RAID（普通硬盘方式）。当要求完全冗余镜像操作时，非RAID存储提供性能价格比最高的解决办法；而对于其他配置，RAID应该是较好的选择。普通硬盘发生故障时，其数字视频信息就丢失了或至少出现暂时不能存取、降低视频质量或使系统完全陷入瘫痪状态，造成播出事故。RAID使用RAID-3技术，将增加的奇偶性数据与视频信号存储在一起，万一硬盘发生故障，这种奇偶性数据就被用来重建运行中损失的数据，Profile的所有通道仍保持不间断播出，避免运行中断或信号质量的损失。如果个别硬盘失效或发生故障，可以带电热插硬盘、电源和风扇，迅速重建视频和音频信息，使所有的频道继续带电运行，以保证不间断播出，而不需要Profile离线停机。
五 硬盘系统应用于播出领域的一些相关技术
（一）硬盘服务器的控制方式
硬盘系统中Profile硬盘服务器的控制软件的开发可利用原厂提供的SDK底层函数或422接口协议，但无论采用何种开发形式，在控制结构上均可根据应用的需要分为单机控制模式和多工作站控制模式。采用何种方式取决于电视台对硬盘机任务的定位及硬盘机与周边设备的配套性。
- 单机模式
系统软件直接装载在硬盘机内部，可分时完成录制、编辑和播出功能。一般被用来完成较简单类型的节目播出，如广告的串编和播出。在这种方式下，如果用户要求硬盘机完成多类型的节目播出，希望录制、编辑和播出功能可同时进行，充分提高工作效率，由于系统只有一套人机对话的工具，这显然是不能满足需要的。另外，由于管理的需要也要求新闻、广告以及其它类型节目的录制、编辑能够在不同的计算机上实现，以便于管理和责任的定位。这样就有了多工作站模式的概念。
- 多工作站模式
硬盘服务器的控制由多台计算机工作站完成，工作站分别承担录入、编辑和播出任务。工作站的数量视任务量和管理的需要而定，但录入、编辑工作站的数量应小于或等于硬盘机的编码器的数量，播出工作站的数量应小于或等于硬盘机解码器的数量，有时硬盘机的播出通道可能还会用于编辑监视。
（二）硬盘服务器的播出控制和自动播出系统的关系
如果电视节目的播出不是由硬盘服务器独立完成的，而是与录像机信号、线路信号一同接入播出切换台，由自动播出系统调度各类信号源的播出，这样我们就有了硬盘服务器的播出控制和自动播出系统的关系问题。
- 独立模式
此模式下硬盘服务器的控制模拟为录像机方式即成为硬盘录像机，自动播出系统以RS-422方式控制硬盘服务器，由工作人员预先在服务器制作好播出单并按播出顺序排放好节目，由自动播出系统控制服务器内的节目按顺序播出。这种方式的优点在于对硬盘机的播出控制完全虚拟为录像机控制方式，因此可以和任何厂家的自动播出系统配合使用。但是当要完成多种类型节目播出时，就有可能出现硬盘机内部的广告节目插入硬盘机内部的其它节目的情况，而独立模式是肯定不能完成这种插播任务的。
- 相关模式
系统结构与上述方式相同，只是硬盘服务器播出单不一定要求按播出顺序排放好节目，只需要给出节目文件名（ID号），自动播出系统调用节目文件名（ID号）播出。这种方式可完成上述的插播任务，但自动播出系统对硬盘机的控制按约定的协议发送指令，因此当硬盘机软件和自动播出系统不是一个厂家的产品时，可能会出现设备间不能相互匹配的问题。
- 融合模式
由一台计算机既用于服务器的播出控制，又用于系统的自动播出控制。播出工作站可以直接进行硬盘机素材数据库的查询、检索、调用，在播出节目单上直接编制硬盘机和其它节目源的播出单。系统的框图如图六所示。
在该系统中，用户可设定所有的播出节目由硬盘服务器完成或部分节目由硬盘服务器完成或硬盘服务器完全不用，即硬盘服务器的利用率从0%到100%，全部节目的播出，包含定时、顺序、触发、插播等播出方式可以由硬盘服务器独立完成；也可盘带结合以硬盘机为主，录像机为辅，以自动播出的方式完成播出任务；当然也可回到完全以录像机方式播出的传统模式。这种盘带结合的方式，提高了用户现有设备的利用率，特别对于节目量大、节目来源多的用户，可先从广告和新闻节目入手采用硬盘机，然后逐步减少播出录像机，直到完全不用录像机。该方式同时考虑到向上发展（全硬盘播出）和向下兼容（磁带机播出），且可以根据用户的不同实际情况进行投资，因而具备较广泛的应用范围，成为现在许多电视台关注的焦点。
七 结束语
与传统的自动播出系统相比，硬盘播出系统具有录像机不参与实时播出、同一个节目可重复在不同频道同时或非同时播出、可对播出节目作非线形编辑、无需格式转换、任意插播等优点，因此大大提高了电视节目播出的可靠性和稳定性。此外，硬盘播出系统可以很方便的增加一个播出频道，不必再重新投资一套播出系统，而只需增加一个视音频工作站即可实现，从而为电视台今后的发展提供了广阔的空间。
另外，与制作系统相区别，播出系统要求节目切换点的平滑、海量的存储器、播出节目必须实时、安全性高、零错误播出，这些相应就要求应用于播出领域的计算机处理、硬盘存储技术的带宽、可靠性等技术进一步地提高，因此硬盘系统在播出领域的应用引入了一些诸如：硬盘服务器的主备机热备份方式；利用RAID-3技术扩大存储量以及通过奇偶校验修复损失的数据；通过网络建成多服务器方式提高资源利用率等等一系列措施。由此可见，有关硬盘系统在播出领域的应用以及一些相关的技术在未来还会有进一步的发展。
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