（计算机系统结构专业论文）硬盘播出系统播放子系统关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 播放子系统在硬盘播出系统中占有最关键的地位，播放予系统实现的技术水平将 直接决定整个硬盘播出系统的性能。 以构造高可靠、高性能和具有较好性价比的硬盘播出系统为目标，对播放子系统 的几个关键技术，主要包括：节目调度机制、播出高可靠性技术、帧精确与无缝转接 技术、延迟播放技术以及视频音频同步技术，进行了深入的研究，并提出了几种实现 和改进的方法。 可靠性是硬盘播出系统最重要的技术指标之，通过使用冗余磁盘阵列技术、冗 余双通道播出技术以及故障检测与恢复技术保证了系统播出的高度可靠性。软硬件校 时、灵活的定时播出机制和节目单实时修改处理策略保证了播出过程中节目调度的灵 活性。 帧精确与无缝转接、延迟播放以及视频音频同步技术是硬盘播出系统中非常关键 的技术。针对单播放卡的硬盘播出系统，提出了使用冗余双播放缓冲区和多线程调度 实现帧精确和无缝转接的算法；具体分析了影响延迟播放性能的主要因素，指出避免 大量无压缩视频数据的芝继是实现该技术的关键，并通过采用共享磁盘压缩文件 实现了延迟播放的功能：在视音频的同步方面，根据系统的文件存储格式，具体分析 了视音频复合序列同步算法。 通过各种方法对系统的各项指标进行了综合测试，用测试结果证明了系统的技术 先进性和安全可靠性。 关键词：硬盘癌面冗余兹盘阵列；帧藉褊；延i 妊放 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 士 t h e p l a y b a c ks u b s y s t e mo c c u p i e s t h em o s t i m p o r t a n tp o s i t i o n i nh a r dd i s k b r o a d c a s t i n gs y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo f h a r dd i s kb r o a d c a s t i n gw i l lb ed e c i d e dd i r e c t l y b y t h et e c h n o l o g yu t i l i z e di np l a y b a c ks u b s y s t e m t oc o n s t r u c tt h eh i 曲r e l i a b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c es y s t e m ，t h ek e y t e c h n o l o g i e sa r es t u d i e di nd e t a i li nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d i n g ：p r o g r a ms c h e d u l i n g ，h i g h p l a y b a c kr e l i a b i l i t y , t h ef r a m ep r e c i s i o na n ds w i t c h i n gw i t h o u ts e a m ，d e l a yp l a y b a c ka n d v i d e o a u d i os y n c h r o n i z a t i o n s o m em e t h o d so fa c h i e v i n gt h e s et e c h n o l o g i e sa r eg i v e na n d u s e di nt h es y s t e m t h er e l i a b i l i t yi st h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo fh a r dd i s kb r o a d c a s t i n g i ti s a c h i e v e d b y r a i d t e c h n o l o g y , r e d u n d a j l c e d u a l p l a y b a c k c h a n n e lt e c h n o l o g y a n d e x c e p t i o ni n s p e c t i n g a n dh a n d l i n gm c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，t h ef l e x i b l ep r o g r a m s c h e d u l i n gi si m p l e m e n t e dw i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r et i m er e v i s i n g ，f l e x i b l ep u n c t u a l p l a y b a c km e c h a n i s m a n dr e a l - t i m er e s p o n s et op l a y b i l lm o d i f i c a t i o n t h ef r a m ep r e c i s i o na n ds w i t c h i n gw i t h o u ts e a m ，d e l a yp l a y b a c ka n dv i d e o - a u d i o s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e s a r et h e v e r yi m p o r t a n tk e yt e c h n o l o g i e s i nh a r dd i s k b r o a d c a s t i n g a n a r i t h m e t i ci s g i v e nt h r o u g hu s i n g r e d u n d a n c ed o u b l e p l a y b a c k b u f f e ra n dm u l t i t h r e a d s c h e d u l i n g a f t e ra n a l y z i n g t h er e a s o nw h i c ha f f e c t st h e p e r f o r m a n c eo fd e l a yp l a y b a c k ，w ef r e dt h a tr e d u c i n gt h en u m b e r o fi 0i nu n c o m p r e s s e d v i d e od a t ai st h ek e yt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e a n dt h r o u g hu s i n gs h a r ec o m p r e s s e dv i d e o f i l ei nd i s k ，w ea c h i e v eh i g hd e l a yp l a y b a c kp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ev i d e os t o r a g e f o r m a tt h a tw e u s e d ，w ea n a l y s e dt h ev i d e o a u d i oc o m p o s i t es t r e a ms y n c h r o n i z a t i o n a f t e r m a k i n gv 撕o u s t e s t so nt h ep l a y b a c ks u b s y s t e m ，w ec o n c l u d e dt h a tt h e p l a y b a c k s u b s y s t e mi sh i g ha d v a n c e da n dr e l i a b l e ， k e yw o r d s ：h a r dd i s kb r o a d c a s t i n g ；r a i d ；f r a m ep r e c i s i o n ：d e l a yp l a y b a c k 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；目口= = = = 目；l _ 目= ；目_ _ 目自| ；_ _ l j t 自 1 1 电视台播出系统的发展趋势 1 1 1 传统播出系统的现状 1 绪论 传统的电视播出系统基本模式以切换台为信号源切换中心，以各种格式的录像机 为主要信号源。多数电视台引入了自动控制系统，这是在不对播出系统模式作根本改 变的基础上，以计算机作为控制中心，控制录像机播放和信号源的切换，构成自动播控 系统，这是我国电视台目前播出系统的主要模式，称作磁带播出系统。条件好的电视台 则在此基础上引入了机械手这一设备，与自动播控系统软件配合，自动化程度更高，实 现了自动装填磁带和找带头，最大程度地减少了人工环节。由上可知，尽管我国各类 电视台的经济实力各不相同，其播控系统的规模和质量要求也各不相同，但大多数仍 以磁带播出这一模式运行，并将经历很长的一段时间。由于信号来源基本上是录像带， 这种播控系统系统存在如下问题1 1 】1 2 】【”： 1 录像机在播出过程中易出现机械性故障，诸如绞带、卡带、阻( 糊) 磁头、失 灵等，从而造成出黑场、杂波等停播或劣播事故。 2 录像带节目无论长短，也无论是否要重复播出，每播出一次就得使用一次录像 机和录像带这需要占用较多数量的录像机。 3 录像带经多次使用后信号有较大损失，节目带化、磁化等物理、化学问题影 响导致节目图像质量劣化，经过多次录制，播出的图像质量相当不理想。 4 由于是实时播出，节目磁带中存在的问题无法弥补，节目长度与卡片填写时间 的差异，会引起播出事故。切换精度有时还不理想。 随着人们对电视画面高质量的要求，改革传统的播出模式已势在必行。随着计算 机业的飞速发展，非线性编辑率先运用于制作领域，近来用于广告、新闻的串编和播放 的硬盘播出系统也在一些电视台投入使用，用硬盘这一媒体替代传统的磁带，其优越 性已越发明显。随着一些关键技术如压缩编码、冗余硬盘阵列( r a i d ) 、宽带光纤网 ( f i b e rc h a n n e l ) 等的日益成熟，硬盘存储用于整个播出领域已成为可能，并有很好的 华中科技大学硕士学位论文 发展前景5 1 吼 i 1 2 数字化的发展趋势 计算机技术、数字图象压缩编码技术及数字传输技术的飞跃发展，使数字电视技 术很快得到应用。相对于模拟电视而言，数字电视具有如下优点：信号经过多次转接 切换和远距离传输时，不会有干扰和失真的积累，抗干扰性能强，图像质量好；数字 电视系统主要由数字集成电路组成，系统的性能和可靠性大幅度提高；它可以实现模 拟电视不易高质量实现的功能：它也易于实现电视信号的实时处理，以完成图像质量 的改善、压缩频带、二维滤波等功能；在传输中，它易于将图像信号和伴音信号时分 复用，充分利用数字传输的优越性1 1 i f ? i f ”。 正是由于数字电视技术的优势，各发达国家都已就数字电视最终替代模拟电视制 定了规划。1 9 9 5 年b b c 就在伦敦建立了数字电视先导网。此后，英国的数字电视小组 ( d t g ) ，也全面开展了数字电视地面广播可行性的研究和准备。去年，英国和瑞典开 办了全国性数字地面网，数字视频广播( d v b ) 全球五大洲均可接收。欧洲各国都先后 开办了全国性的( d v b t ) 免费地面数字广播，世界上许多发达国家也已开通了数字 有线电视网( d v b c ) 。t 9 9 7 年，美国提出了向数字电视过渡的时间表，到2 0 0 6 年1 月1 日，全国全面完成由模拟向数字电视的过渡。日本、韩国和台湾地区也都计划于 2 0 0 0 年前后开通数字电视地面广播。目前全球数字电视系统( d t v 系统) 已有三个相对 成熟的标准制式：欧洲的d v b 制式、美国的a t s c 制式和日本的i s d b 制式【9 】。 现在，我国也已开通了数字电视卫星广播，并已形成相当规模。数字摄录、数字 特技、非线性编辑系统、虚拟演播室、数字转播车、网络硬盘阵列以及机械手数字播 放系统等设备，陆续进入了中央电视台和各省市电视台。目前，我国数字电视节目制 作和数字电视地面广播正在从模拟化向数字化过渡。一个全球电视广播的数字化时代 已经到来i ”1 9 。 1 2 硬盘播出系统概述 1 2 1 硬盘播出系统的技术特点和优势 硬盘播出系统的操作方式和信息载体与电视台传统的播出方式有了根本的改进， 华中科技大学硕士学位论文 j ：目；= ；= _ 目口z _ = ；= = ；= _ # _ _ _ l - _ _ 口 和传统的播出系统相比，硬盘播出的优势是十分明显的：它采用了数字处理和存储方 式，信号还原度高，多次重播的图像质量一致性好，能够从原理上极大改善模拟技术 中存在的线性与非线性失真、信号互扰、亮色失真和多次复制中的噪声积累问题；由 于采用了硬盘作为存储媒体，数据可以长期保存和播放而不影响质量；多个输人、输 出通道可以同时存取同一或不同数据，实现了资源共享，利用率极高：节目录入、土 载、播出节目单编辑自动化程度高，节省人力，减轻了劳动强度，并且播出的精度大 大提高，极大简化了节目串编和播出工序；系统一般建构在网络平台上，系统的内部 扩展能力以及外部扩展能力较好，能够很好地和未来的全数字、网络化、资源共享的 节目编播体系相衔接：从播出安全来讲，硬盘播出系统的生长厂商通常在硬盘阵列、 主机、网络、电源等关键因素上考虑容错及冗余设计，大大增强了系统的整体安全性 和可靠性i 。 输入j ，、i 竹输出丫vi 图1 1 硬盘播出系统的基本构成方式 硬盘播出系统一般有两种基本构成方式【l i 1 3 1 ，如图1 1 所示。一种是采用主、备 份播出方式即单机播出方式，用自动播放控制系统控制视频服务器实现数字播出。每 台视频服务器可有多路输入、多路输出。该方式优点是结构简单，可靠性高。其缺点 是一旦主机出现故障，主机播出信息便会全部丢失。另一种是网络化自动播出系统， 这是未来发展的方向。该方式的优点是由于采用了网络结构，达到了资源共享。同时， 由于采用多级故障自动恢复技术，每个视频服务器内部均采用了r a i d 技术，保证了 任视频服务器内部有一个硬盘损坏而不会丢失数据。每个服务器作为一个节点，节 点之间再次应用r a i d 技术，因此，任一视频服务器损坏，均可用其余的视频服务器 把丢失的数据恢复出来，保证了安全播出。 华中科技大学硕士学位论文 l = = | = 自= = = = = ；日；= = g 目z _ 目 = = ；= ；_ i i _ 1 2 2 几款硬盘播出系统比较 由于硬盘播出系统的上述特点以及相关技术的逐步成熟，在广播电视领域，硬盘 播出系统正迅速得到普及和应用，许多公司和科研机构也开始纷纷涉足该领域。到目 前为止，国外公司像t e k t r o n i x 、h p 、d r m 、a s c 和s e a c h a n g e l ，以及国内的大洋、 方正都有相应的产品问世，并已在许多电视台得到应用，下面我们仅以t e k t r o n i x 公 司的p d r 3 0 0 和s e a c h a n g e 公司的m e d i ac l u s t e r 硬盘播出系统为例，作以简单的比 较分析。 1 t e k t r o n i x 的p d r 3 0 0 硬盘播出系统 播出通道l 播出通道n 播出通道i 播出通道“ 图1 2p d r 3 0 0 硬盘播出系统 t e k t r o n i x 公司的p r o f il e 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。p d r 3 0 0 是p r o f i l e 产品系列的最新成果。增 加了专业m p e g 压缩方式，采用m p e g 一24 ：2 ：2 p m l 标准。p d r 3 0 0 为应用于播出而优 化，拥有多达8 个播出通道，与m p e g 的存储效率相结合，提供了一种低成本的播出 装置。由p d r3 0 0 构建的播出系统的一般结构如图i 2 所示。该系统使用了两苗p d r 3 0 0 视频播放服务器，分为主播和备播，主备播互为热备份，当某台故障时，就切换到另 一台播出，提高了播出系统的安全可靠性。总体上来看，整个系统可以分为两部分， 节目编辑部分和素材录入部分，各部分之间通过l o o m 以太网( 或光纤以太网) 相连。 节目编辑部分主要使用一台计算机负责节目素材和节目单的编辑工作，通过向p d r 3 0 0 发送节目单来控制节目的播出。素材录入有台计算机和多台v t r 设备组成，计算机 通过以太网向p d r 3 0 0 发送节目录入命令，并通过串口实现对v t r 的播出控制，v t r 机和p d r 3 0 0 录制口之间通过视频线相连，通过该线路可以将v t r 的节目录制到p d r 3 0 0 华中科技大学硕士学位论文 上。同时，p d r 3 0 0 提供了多个播出通道来实现多频道节目的播m , t 3 i 【”。 2 s e a c h a n g e 公司的m e d i ac l u s t e r 硬盘播出系统 u 竹 节点 出 图1 3m e d i ac l u s t e r 硬盘播出系统 海易硬盘自动播出系统是建立在海易公司的专利技术m e d i a c l u s t e r 基础上、采 用m p e g 一2 压缩技术设计生产的高可靠性故障自恢复播出系统。 如图1 _ 3 所示，m e d i a c l u s t e r 是由直接互连的计算机( 节点) 组成的网络，就象一 个独立的服务器。不同的是任一个节点发生故障，m e d i a c l u s t e r 仍能继续工作。因为 m e d i a c l u s t e r 将r a i d 一2 技术拓展到互连的节点，若一个数据块丢失，运过校验数据 便可实时恢复丢失的数据。在网络拓扑结构上，m e d i a c l u s t e r 上的每个节点通过l o o m b s 高速以太网，采用点对点双向拓扑结构与网络中任一节点连接，从而形成一个无 阻塞结构a 同时，为了消除传统以太网的冲突问题，海易公司建立了s e a n e t 网络协 议，使得有效带宽可以达到网络的8 0 f i u 3 】i “】。 海易硬盘播出系统还具有以下特点： ( 1 ) 允许在已有的节点群中随意加入节点，以此扩展数据的存储量和t i o 性能。 当加入一个新节点，m e d i a c l u s t e r 软件能立即识别新设备，并自动在后台分割数据流 而不影响正在进行的各项工作。 ( 2 ) 输人数据通过网络均衡分配，可被各个节点共享，因此，无论哪个节点发生 故障，均能保证正常的素材录人和播出。同时，海易自动播出系统也提供了输人输出 5 华中科技大学硕士学位论文 配置的多种选择。在m e d i a c l u s t e r l 0 0 系列中，一个节点最多可支持2 个编码器，4 个解码器。 ( 3 ) 硬盘存储子系统由1 2 个硬盘驱动器组成，形成一对各由6 个硬盘驱 动器的r a i d 磁盘阵列。因此每个阵列中任一硬盘发生故障都不会导致数据丢失。 ( 4 ) 自动播出系统通过r s 4 2 2 或以太网接口控制m e d i a c l u s t e r 。提供s e a v i e w 应 用程序用于控制所有节点并监视各节点及磁盘阵列运行状态。 比较以上2 款硬盘播出系统可以看到：t e k t r o n i x 的p d r 3 0 0 和s e a c h a n g e 公司 的m e d i ac l u s t e r 硬盘播出系统均采用可靠性较高的专用视频服务器，支持多通道节 目的录入和播出：系统易扩展，可根据实际播出状况配置输入、输出通道数，通过增 加硬盘容量和数量扩大节目存储容量l ；存储系统均采用基于r a i d 技术的磁盘阵列： 使用高速以太网或光纤通道进行节目素材的传输和备份。素材采用高效的m p e g 一2 压缩格式【1 6 1 【”1 。 1 3 课题研究的内容及意义 通过对以上硬盘播放系统的分析我们也可以看到：多数系统均采用了专用视频服 务器，一方面造价极其昂贵，不适于在经济实力不足的小型电视台推广：另一方面， 正是由于专用视频服务器昂贵的价格以及设计上的专门性，系统硬件结构不易改动， 不便于计算机新技术的应用：从系统总体结构上来分析。多数硬盘播放系统编辑网和 播控网分离，对整个系统网络缺乏统一的管理：素材的录入一般通过录像机进行人为 控制，录入过程不可打断，没有实现素材上载的全自动化控制：同时帧精确和延迟播 放等关键技术的实现基本都是建立在增加冗余硬件设备基础上的。 正是基于以上的分析结果，我们决定自行研制一套电视台数字化全自动视频服 务系统。同其他系统相比，该系统全部构建在千兆光纤网络平台上，实现编辑网和 播控网的融合，实现整个电视台系统的高度集中自动化管理；采用专门的上下载工作 站进行节目的录入，并经光纤以太网进行节目的上下载，通过对光纤网络环境下数据 传输性能的研究，提高网络传输带宽利用率，实现数据传输的高速化和全自动化；以 普通的服务器加视频卡代替专门的视频服务器，降低系统的整体价格：同时对帧精确、 延迟播放等关键技术在该系统上进行深入研究，实现低成本、高性能，提高产品的性 价比。 一一 6 华中科技大学硕士学位论文 该系统研制成功后，低廉的价格、全自动化的控制管理、技术的先进性和系统的 易扩展性将使其具备较好的市场前境，适于在大多数的电视台得到推广。 一一 7 华中科技大学硕士学位论文 2 播放子系统在硬盘播出系统中的关键地位 2 1 硬盘播出系统总体设计目标 硬盘播放系统主要应该从安全可靠性，技术性能、易扩展性以及性价比等几个方 面入手，并结合用户的具体要求进行设计。我们所研制的硬盘播放系统的具体设计目 标主要有以下几点： 1 视频素材采用最先进合理的格式进行压缩存储。 2 播放效果达到广播级标准，支持多种视频音频输入输出接口( 视频：s - v i d e o 、 y u v 、c o m p o s i t e ，音频：提供平衡和非平衡接口) 。 3 支持精确到帧的播放与采集，实现连续播放节目的无缝转接。实现直播、延 迟播、t a k e 与h o l d 播放功能，支持多种方式素材队列播放。支持长时间的连续录制 和播放。 4 基于1 0 0 0 m b s 光纤网络方案的设计，实现网络高度集中自动化管理，支持双 通道的节目播出。 5 支持主机、备机的双机同步备份播出，具有故障自动检测和恢复处理功能， 采用声光报警，确保安全播出。 6 具备素材自动上下载功能。智能化的素材分类管理，方便资料的检索。素材 节目可在计算机上或监视器上实时预监，支持服务器素材存储及素材的网络共享。 7 中文界面采用人性化的设计，方便操作。 2 2 视频存储格式选择 2 2 1 视频压缩的必要性 随着多媒体技术和网络应用的发展，多媒体数据的存储和传输成了迫切需要解决 的问题，由于数字视频图像信息量大，所以要有可靠高效的压缩方案来进行压缩。以 p a l 制式电视为例，帧率为2 5 f r a m e s ，假设数字视频电视采用公用中分辨率格式 8 华中科技大学硕士学位论文 ( c i f ) 7 2 0 5 7 6 像素，每个像素的颜色在计算机中用亮度色差信号( y c r c b ) 来表示采 样精度以l o 比特计算，每帧需要： 亮度( y ) ：7 2 0 5 7 6 1 0 = 4 1 4 7 2 0 0 b 色差( c r c b ) ：2 3 6 0 x 5 7 6 1 0 = 4 1 4 7 2 0 0 b 总计= 8 2 9 4 4 0 0 b 。 这样计算，数字视频每秒需要：8 2 9 4 4 0 0 2 5 = 2 0 7 3 6 0 0 0 0 b 2 4 7 2 m b 而l 小时的数字视频需要大约2 4 7 2 3 6 0 0 8 8 9 8 9 m b 或8 6 9 0 g b 的存储容量， 也就是说，播放1 部l 小时的数字电视大约需要4 个2 0 g 的硬盘。由此可看出，无压 缩视频数据占用的存储空间将是非常惊人的，同时对磁盘i l o 性能的要求很高，几乎 不能满足多频道播出的要求，特别是随着电视台系统网络化的趋势，未经压缩的视频 数据在网上的传输速度更是令人无法容忍的，很容易将其它资源吞没，造成网络拥塞 甚至崩溃。所以数字压缩非常重要。 2 2 2m p e g 一2 压缩格式特点与优势 数字压缩编码标准m p e g ( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t s g r o u p ) 为活动图像专家组，1 9 9 1 年完成m p e g l 标准，1 9 9 3 年和1 9 9 4 年又完成了m p e g - 2 和m p e g 一3 图像压缩标准。m p e g 标准主要包含：系统、视频、音频和测试四个部分。m p e g 使用了非常先进的压缩技术。 与其它视频、音频编码格式相比，在同样的质量下，m p e g 压缩文件要小得多。同时m p e g 运用了三大技术：运动补偿、帧间预测、离散余弦变换d c t ( d is c r e t e c o si n e t r a n s f o r m ) 能够把视频数字数据压缩到原始大小的1 1 4 0 或1 5 0 。数字化后的误码率降低，减小了 传输带宽，实现了高码率、高效压缩编码图象传送8 1 1 1 9 1 2 0 1 。 数字电视的视频压缩编码基本采用m p e g 一2 的标准，m p e g 一2 涵盖了从标准清晰度 电视到高清晰度电视范围内的视频技术标准，用于h d t v ，d v d 和d t v 。m p e g 一2 标准的 目标是高级工业标准的图像质量以及更高传输率。和m p e g l 格式相比i p e g 一2 具有以 下特点1 9 i 2 0 1 1 2 1 1 ： m p e g 一2 处理4 ：2 ：2 颜色分辨率和高比特率的图片。比较测试证实m p e g 一2 视频性 能接近甚至在许多情况下超过为高比特率或演播室应用研制的标准或规范。 m p e g 一2 采用可变速率( v b r - - v a r i a b l e b i t r a t e ) 技术，能够根据动态画面的复杂程 度，适时改变数据传输率获得较好的编码效果，目前使用的d v d 就是采用了这种技术。 m p e g 一2 支持伸缩性编码，同一数据流中可以包含不同分辨率的图像，不同的像素 q 华中科技大学硕士学位论文 可以具有不同的分辨率，可以低速或高速回放图像数据。 m p e g - 2 采用分层编码( h i e r a r c h i c a l c o d i n g ) 。对于运动视频，分层编码快速高效， 编码后的图像效果很好。m p e g l 没有考虑基于场的表示，m p e g 一2 则允许对交错数据进 行更有效的压缩，对于每个宏块都允许基于场或帧的压缩。 m p e g 一2 标准的传输速率比m p e g - 1 高1 5 2 倍。图象处理有隔行扫描式和顺序扫 描式。 随着m p e g 一2 在广播电视领域的应用，各种针对m p e g 一2 的软硬件技术也得到较 快发展，在编辑方面，s o n y 和n e c 等公司已有进行i 编辑，i 、b 编辑和i 、b 、p 编 辑的软硬件产品问世，编辑效果接近m - j p e g 。在编解码的切换方面，信息总线i n f o b u s 和m o l e 技术为之铺平了道路。在广播电视领域，采用m p e g 一2 压缩方式正形成主流， 正是考虑到这些优势和以后的兼容性，本系统视频数据采用m p e g 一2 压缩格式。 2 3 系统硬件体系结构 系统硬件主要有以下几部分组成：存储播放服务器，负责素材的存储与播放；上 下载工作站，负责素材的采集与上下载：网管工作站，负责整个播控网络的管理，也 包括故障检测与故障恢复：编目工作站，负责节目素材的编辑和节目单的编制。系统 硬件体系结构如图2 1 所示。 1 网络管理工作站 网管工作站由一台h p 工作站组成，它也通过千兆网卡和千兆局域网相连，是整 个播控网络的控制中心，主要负责整个播控系统的管理和协调工作。它实时监视系统 的运行状态，当任何计算机节点发生故障或状态变化时都要实时报告，当播放服务器 故障时，他必须负责完成故障的仲裁和矩阵切换工作。它还拥有节目素材的列表，向 编目工作站提供素材列表信息，以便进行节目单的编制。 2 存储播放服务器组 存储播放服务器组由4 台视频服务器组成，每台视频服务器由h p 服务器和通过 s c s i 总线挂接的2 台磁盘阵列组成。4 台视频服务器组共分为2 组，每组包括一主一 备。视频服务器安装有视频采集与播放卡，主要负责完成各种播放功能。任一时刻， 主备机同步播放相同的节目，播出通道通过切换矩阵接到同一视频输出通道，通过通 道冗余实现节目的安全播放。另外，视频服务器还负责素材的存储和管理，视频服务 1 0 华中科技大学硕士学位论文 器通过机内配备的千兆光纤网卡和千兆局域网连接，编辑好的素材都由上载工作站通 过千兆局域网上载到视频服务器的磁盘阵列上，视频服务器根据素材的不同予以分类 存储，同时实现素材的网络共享，方便对素材进行网上浏览。视频服务器还有一定的 故障检测功能，能实时向网管工作站报告当前的运行状态，并通过串口线实现对切换 矩阵的控制。 图2 1 系统硬件体系结构图 3 上、f 载工作站 上下载工作站有两台h p 工作站组成，工作站配有视频采集卡和大容量的s c s i 硬 盘，主要负责节目素材的采集和上载。它提供多种采集接口，可以实现对磁带机、v c d 机、卫星接收机等设备视频信号的采集。其配备的采集软件可以使采集精度精确到帧， 并能对采集效果进行实时监控和预览。采集的素材先存放在本地大容量硬盘上，经分 类整理，通过千兆局域网上载到视频服务器的素材库中。上载方式采用全自动方式， 一。i l 华中科技大学硕士学位论文 操作人员只需要提交上载作业，上载软件会在合适的时刻自动将素材上载到视频服务 器上，不再需要人工干预。同时，他还要提供下载功能，可以将视频服务器上的素材 下载到本地硬盘，便于实现素材的收藏和刻盘。 4 编目工作站 编目工作站也由一台h p 工作站组成，它主要负责完成节目单的编制和发送工作， 它通过网管工作站获取视频服务器上的素材列表，可以通过网络对素材进行浏览，并 根据现有的素材进行节目单的编制，同时它也是播放命令控制中心，负责h o l d 及t a k e 播放命令的发送。 j 千兆光纤网络平台 光纤通道视频网络是硬盘播出系统的一个关键方面。在本播出系统中，各计算机 节点以c i s c o 光纤交换机为中心构成一个千兆光纤局域网。视频素材可以作为数据在 高速光纤网络上共享，从而达到视频围绕设备运动的能力。光纤网提供1 g b p s 的环路 传送速度，能高速传输大量的数据，传送后无需担t l , 素材损失，网络协议保证在每次 传送过程中文件的完整性：保证每台视频服务器都拥有足够的传送带宽口”，在一个光 纤通道环路上可连接多台视频服务器，有利于系统的扩展。它在内部支持与各种类型 的物理接口，能区别物理接口和逻辑协议，如许多协议能在一个物理接口运行。采 用光纤通道后，光纤通道数据流使文件在传送进行的同时能够回放、编辑、复制或查 看文件，这为在网络环境中的工作提供非常有效的操作方式f 2 4 l 【2 5 】【2 ”。 2 4 系统软件设计及其关键技术 网络管理工作站 系统控制子系统 f 故障检测、仲裁 i 与恢复子程序 匣堕囹 视频服务器 上载工作站 程序 时钟同步节点程序 节目上下载子系统 = = = = = = = = = = = = = 时钟同步节点程序 编目工作站 编日子系统 时钟同步节点程序 图2 2 系统软件组成 1 2 篓| | 华中科技大学硕士学位论文 系统软件根据功能主要分为5 个子系统：系统控制子系统、存储播放子系统，节 目上下载子系统、节目编辑子系统、故障检测与恢复子系统、节点时钟同步子系统。 在整个系统中的分布情况如图2 2 所示。 系统控制子系统，主要负责整个网络的管理工作，是整个网络的中心枢纽，它实 时监视各节点的运行状态，完成各节点的故障检测、仲裁与恢复工作。存储播放子系 统主要负责完成素材的存储管理和播放功能。上下载子系统主要负责完成多种接口的 视频素材采集和素材的上下载。节点时钟同步予系统主要负责进行系统各节点的时钟 校时，它必须同时提供根据数字母钟进行的硬件校时和应急情况下的软件校时，保证 整个系统参考时间的一致性。故障检测与恢复子系统主要完成对系统节点的故障检 测、故障报警和自动恢复，由于故障的原因和分布不同，故在设计时分成几部分驻留 在各个计算机节点上，各节点的故障检测程序均实时向网管工作站报告故障情况，驻 网管工作站故障处理程序负责完成故障仲裁与恢复工作，保证整个系统运行的可靠 性。 我们知道，播出质量和播出可靠性是硬盘播出系统最重要的两个技术指标，播放 子系统的设计水平直接决定了整个系统的性能。同时，从系统的整体构成情况来看， 每个子系统的设计都是为保证播放子系统的正常运行而设计，播放子系统一直处于核 心地位，所以在整个系统软件设计中，播放子系统始终处于最关键的位置。本文的内 容就是要对播放子系统的几个关键技术，包括：节目的调度、可靠播放技术、帧精确与 无缝转接以及特殊播放实现技术进行研究，力求设计一个高可靠、高性能的硬盘播出 系统。 2 5 本章小结 在本章中，对整个电视台数字化全自动视频服务系统的设计进行了分析和 讨论，对整个系统的设计目标、软硬件结构进行了介绍，同时阐述了播放子系统在整 个系统中的核心地位，指出本文的重点就是要对播放子系统的核心技术进行研究。 整个系统硬件建立在千兆光纤网络环境中，包括了视频服务器、网络管理工作 站、上下载工作站和编目工作站五个组成部分。视频服务器负责素材的存储与播放， 网管工作站负责网络管理和故障仲裁与恢复，上下载工作站负责节目素材的采集与上 下载，编目工作站则负责完成节目素材的编辑及节目单的编制工作。 华中科技大学硕士学位论文 整个系统软件包括了系统控制子系统、存储播放子系统，节目上下载子系统、 节目编辑子系统、故障检测与恢复子系统、节点时钟同步子系统。其中存储播放子系 统处于核心的地位，节日调度、播放高可靠性技术、帧精确与无缝转接以及特殊播放 实现技术是其技术关键，本文的重点也是围绕这些关键技术进行研究。 一一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 节目调度算法与播放高可靠性技术 3 1 素材库与节目单管理 视频服务器的首要工作，一是要对上载到磁盘阵列的节目素材进行有效地管理， 主要包括：素材合法性检查、过期素材删除、有效素材与上载中素材的记录；另一方 面还负责接收、维护播放节日单的工作精确记录与播放有关的信息。 1 素材库管理 由于系统是基于全硬盘播出的，因此，硬盘中就包含了各种节目的素材，如广告 节目、新闻节目、专题节目、电视剧、垫片等，为了能够对服务器中的节目实现有效 和可靠的管理，根据用户的要求，首先要根据素材类别进行分类，将磁盘阵列按素材 类别如广告、综艺、连续剧等进行分块处理，不同的素材存放在不同的块中，以便于 用户进行区别和浏览，对于已上载完整的节目素材和尚未上完整的节目素材需要分别 用两个不同的表单：完整素材表和上载素材表分别予以记录，两个表单记录的数据结 构如下所示： 半木木牢水木率木木术牛完整素材表记录结构：丰水术木木术幸水木木木 t y p e d e f s t r u c t c o m p r o g i n f c s t r i n gm _ f p r o g n a m e ：素材节目名 i n tmf s e r v e r g r o u p ：所在的服务器组 i n t m _ f s e r v e r n u m ：所在的服务器号 i n tmf r a i d n u m ： 所在阵列号 c s t r i n gm _ f d r i v e p a t h ：路径 l o n g m _ f p r o g l e n g t h ：节目长度( 以帧计算) i n t m _ f p r o g t y p e ：素材节目类型 c t i m e m f c r e a t d a t e ：仓, j 建日期 c t i m emf d e l e t e d a t e ：删除日期 b o o lmf s e n d f l a g ： 发送标记 c o m p r o g i n f 1 5 华中科技大学硕士学位论文 木木木木半半半：# 丰e 载素材表记录结构书木木术木半木丰丰丰丰术 t y p e d e f s t r u c t u p l o a d p r o g i n f 、 c s t r i n gm _ d r i v e p a t h ：节目路径 c s t r i n gm _ f i l e n a m e ：素材名 u n s i g n e dl o n g m _ l e n g t h _ h i g h ：素材长度高位 u n s i g n e dl o n g m _ l e n g t h l o w ；素材长度的低位 u n s i g n e dl o n g m _ b r e a k p o i n t h i g h ：素材上载断点高位 u n s i g n e dl o n g m _ b r e a k p o i n t l o w ；素材上载断点低位 u n s i g n e dl o n g m p l a y t i m e l e n g t h ：素材总播放时间长度( m s ) z n t m _ c o m p a c t i n f o ：压缩类型 i n t m _ f il e t y p e ：素材类型 c t i m e m _ k e e p t i m e ：保持时间 i n t m _ p l a y c o u n t ：播放次数 一u p l o a d p r o g l n f 两个表单的作用各不相同，完整素材表负责为视频服务器提供完整的可播放节目 素材清单，同时提供素材的有效日期，上载素材表只记录正在上载但尚未上载完成的 厂磊一、 一 箫等哆秽 l 坚 记录上薮断点 发上载暂停消息i 上载暂停命令 允许上载? i 蠢材上我 素材上载完成消息 开始 紊材库常规揎查与维护 新紊材上蕊消息 将新蠢材信息 库 否 上载处理程序 素材管理程序 图3 1 素材上载与管理流程图 一 1 6 华中科技大学硕士学位论文 节目素材信息。在具体工作的时候，上载程序以断点续传的方式工作，实时记录上载 素材的断点信息，将其填入上载表中。节目素材一旦上载完成，即通知素材管理程序， 素材管理程序负责检查素材的合法性，并负责将合法的素材添加到完整素材表中，同 时通知上载程序完成消息，而后上载程序负责将上载节目的内容清空，否则要报告节 目非法信息，通知上载工作站进行节目重传或取消上载任务，工作流程如图3 1 所示。 由于上载的节目采用统- - e , 缩的文件类型( a v i ) ，有效性检查主要是通过检查文 件的头信息和流头信息的完整性，通过文件的实际长度和计算长度的比较进行判断。 必要时可以通过对节目的浏览进行检查。 磁盘存储空间是宝贵的资源，为保证有效利用有限的磁盘存储空间，对于过期不 用的节目和损坏的节目要及时加以清理，视频服务器要定时检查素材表和磁盘文件， 将过期素材或损坏的文件删除。另外还要定期进行碎片整理，防止碎片过多。 2 节目单管理 编目工作站负责节目单的编辑，编辑好的节目单通过网络传送到4 台视频服务器 上，两组视频服务器节目单的内容各不相同，每组服务器只需要处理在本组播放的节 目，网管工作站负责节目的分离和发送工作。由于节目的播放方式可能不同，为保证 节目处理统一简洁，所有的节目，包括顺播、插播、定时播放、直播和延迟播放，都 统一到节目单中，并由类型字段予以区分，在具体播放时再根据播放类型转不同的处 理，避免使用特殊播放命令的方式。通过对节目单的预读，可以实现对特殊节目的预 处理，保证节目播出的实时性。同时，为保证节目播放的精度，节目单中有精确到毫 秒的播放时间属性字段和精确到帧的播放长度属性字段，节目单所用记录结构如下： 术丰术术半木半木节目单记录结构木木木木术木车木木幸 t y p e d e f s t r u e t p r o g b i l lf c s t r i n g mp r o g n a m e ： 节目名( 包含完整路径) u n s i g n e dl o n gmm i l l i s e c o n d ：播放开始时间毫秒数 u n s i g n e dl o n gm _ s t a r t ：节目起始时间点( 毫秒级) u n s i g n e dl o n gm _ e n d ：节目结束时间点 i n t m _ l o o p ：循环播放次数 i n t m _ r a i d n u m ：节目素材所在阵列号 c