（计算机系统结构专业论文）无压缩视频播出系统的部分关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 在硬盘播出系统中，采用千兆以太网作为网络平台、视频采样与压缩格式、 视频服务器的结构都是应该重点考虑的问题。网络平台要满足多媒体数据传输的 需求；视频采样与压缩格式则除了满足广播级视频的质量，还要考虑存储与传输 的费用，也就是如何达到最好的性能价格比的问题；视频服务器的结构则意味着 系统能够达到什么样的可靠性，是否能够容错，以达到安全播出的要求。 帧精确是广播电视行业一个首要的问题。帧精确问题在采集、播出、故障切 换及视、音频同步等方面都存在。在故障切换中保持帧精确及无黑场较为难以实 现。首先，故障发生之前，系统要知道故障是否会发生；其次，若故障已经发生， 系统要及时检测到；最后，预测或检测到的故障要能够及时得到处理。0 无压缩视频数据具有视频质量好、易于编辑、多代能力强等优点，但数据量 极其巨大。在硬盘播出网络中采用无压缩视频在存储和传输方面存在性能方面的 问题。( 从系统的观点来看，并不是简单地加强系统中的弱点即可解决问题。应从 系统中数据处理的各环节进行性能分折。夕大块数据存储与传输的性能主要受主机 c p u 速率，硬盘i o ，主机操作系统，网络传输协议等的影响。系统中各部分应 该相互配合，才能达到最好的系统效率。这包括网络平台与节点机的性能匹配； 操作系统、网络平台及网络传输协议对特殊应用的匹配等。 从提高系统存储与传输性能的角度而言，采用光纤通道协议比t c p i p 有更好 的性能。另外，s a n 与n a s 在硬盘播出系统应用中各有自己的优缺点。 关键词：硬盘播出，无压缩视频，实时存储j 传糍帧精确， 本文的研究工作受到国家自然科学基金( 6 9 9 7 3 0 1 7 ) 的资助 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h eh a r dd i s kb r o a d c a s t i n gs y s t e m t h eb a n d w i d t ho fn e t w o r ks h o u l db ee n o u g h t ot r a n s p o r tt h em u l t i m e d i ad a t a ；t h ef o r m a to fv i d e os a m p l i n ga n d c o m p r e s s i n g d e c i d e t h eq u a l i t yo fv i d e oi m a g ea n dt h ec o s to f s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o n ；t h ea r c h i t e c t u r eo f v i d e os e r v e rd e c i d ew h a tr e l i a b i l i t y t h a tt h es y s t e mc a n p r o v i d e i nt e l e v i s i o n ，t h ep r e c i s i o no ff r a m ei si m p o n a t u i te x i t si nv i d e o c a p t u r i n g ，v i d e o b r o a d c a s t i n g ，t h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nv i d e oa n da u d i oa n ds w i t c hw h e nt h e r ei sa f a u l ti nt h es y s t e m t h es y s t e ms h o u l df i n di f t h ef a u l tw i l lo c c u r , c h e c kt h ef a u l ti nt i m e a n d p r o c e s st h ep r e m o n i t o r y f a u l to rf a u l to c c u r r e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h er e a l t i m e s t o r a g e a n dt r a n s m i s s i o no fu n i m p r e s s e d m u l t i m e d i ad a t ar e l a t e dt os e v e r a lp a r t si nt h es y s t e m i tc a n tb er e s o l v e db ys i m p l y a d d i n gp a r t i a l f u n c t i o n c p u 。h a r dd i s ki o h o s to sa n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n p r o t o c o li m p a c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e h o s tp e r f o r m a n c es h o u l dm a t c ht h en e t w o r k ， a n dt h ec h o i c eo fn e t w o r k ，o sa n dt r a n s m i s s i o np r o t o c o ls h o u l dm a t c ht h ea c t u a l a p p l i a n c e t o i m p r o v e t h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，f i b e r c h a n n e l p r o t o c o l h a s h i g h e r p e r f o r m a n c et h a nt c p i es a n a n dn a se a c hh a v et h e i ro w n p r o sa n dc o n si nh a r d d i s kb r o a d c a s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：h a r d d i s k b r o a d c a s t i n g ；u n c o m p r e s s e dv i d e o ；r e a l t i m es t o r a g e t r a n s m i s s i o n ；p r e c i s i o no f f r a m e s u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n t6 9 9 7 3 0 17 ， 1 t ， 华中科技大学硕士学位论文 图表目录 图2 1 硬盘播出系统总体结构 图3 1 视频数据采集流程 图3 2 遥控录像机的时机 图3 3 软件对时的流程 图3 4 播出时机的选择 图3 5 活动，备用方式 图3 6 全复制方式 图3 7 无共享方式 图3 8 全共享方式 ，图3 9 主备播服务器结构 图4 1 采集到本地硬盘 图4 2 通过网络去服务器一 图4 38 u n t t , 8 f r a m e 的r i n g 图4 4 4 u n i t 8 f & j 州e 的r i n g 圈4 58 u n i t 8 f r a m e 的r i n g 在主机内存中的映射 图4 6 4 u n i t , 8 f r a m e 的r i n g 在主机内存中的映射 图4 7 并发线程对共享数据的操作 图4 8 硬盘直接i o 方式 图4 9 t c p ，u - d p 数据流 图4 1 0 数据传输通路 表4 1 无压缩数字视频与m p e g 2 的比较 表4 2 并发线程对性能的影响 表4 3 缓冲区设置对性能的影响 表44 一次写的帧的数目对磁盘写性能的影响 3 2 3 9 4 0 4 l v m”m挣伸m殂n扎弘弘并强弱拍铊钳钙 华中科技大学硕士学位论文 表4 5i 0 方式对性能的影响 表4 6 数据通路中各环节速率比较 4 2 4 6 v i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章介绍广播电视行业数字化和网络化趋势，以及数字化和网络化趋势中的 第一步一播出系统的发展状况与方向。 1 1 课题背景 本课题来源于华中科技大学国家外存储专业实验室和湖北黄鹤影视股份有限 公司合作开发的电视台无压缩视频服务系统， 由于先进的计算机技术、电子集成技术、通讯技术迅速向电视领域渗透，电 视业正迎来一场革命性的变化，这种变化概括地说主要体现在两方面，即电视的 数字化和网络化。其中，电视数字化是网络化的前提和必要条件，网络化是数字 化的有益延伸和拓展川。 本系统主要目的在于一方面解决传统系统中存在的节目重复使用损耗大，质 量下降、节目编排不能灵活实时变动、工作强度大，工作人员精神高度紧张、播 出的故障率高，需大量人员维护、设备损耗大，维护费用高、视音频数据无法永 久保存等问题；另一方面解决现有的硬盘播出系统( 通常采用有压缩的方式) 存 在的信号质量下降、帧精确、多代能力弱等方面的问题， 数字信号与模拟信号相比有很多优点：信号质量高，抗干扰能力强；数字电 视设备输出信号稳定可靠：数字技术与计算机技术配合，可以实现电视设备的自 动控制和操作：传输效率高，多功能复用，合理利用各种类型的频谱资源：采用 数字编码方法，便于实现加扰和解扰技术：易于实现特技制作；双向交互性：便 于网络化，实现信息共享。 而无压缩视频的意义在于： 视频数据一经压缩，即存在图像质量上的损失。无压缩视频则可以在数字化 后最大程度地保证视频的图像质量。 通常采用的m p e g 2 视频，为了达到一定的压缩比，采用了帧间压缩，各帧 信息之间有相关性。解压缩时要参考别的帧的信息，不利于帧精确的实现。 华中科技大学硕士学位论文 视频还有可能成为别的节目的素材。若采用压缩视频，对素材进行编辑时要 对压缩后的视频解压缩，解压缩后的数据己经存在失真。编辑后又进行新轮的 压缩，引进新的失真。多代之后，视频质量已经下降得不可使用。而无压缩视频 则不存在多代后图像质量下降的问题。 1 2 国内外概况 1 2 1 数字化和网络化趋势 诈是由于数字电视技术具有的强大优越性，近年来电视数字化的进程明显加 快，模拟信号向数字信号过渡全面展开。这不仅体现在单一数字设备的改进和创 新上，出现了数字摄像机、录像机、特技机、切换台等一大批运用数字技术的设 备：而且大规模的整体性的数字系统也日趋完善，出现了全数字电视演播室、全 数字电视转播车、数字压缩的卫星新闻采集转播车( d s n g ) 等；这种数字化还 丁e 向全电视系统一制作、存储、传输、发射和接收方向纵深发展，相继出现了数 字地面广播( d v b ) 、数字卫星直播( d t h ) 等 2 | 【3 j 【4 i 。 电视台向数字化过渡包括图像采集，节目编辑，演播系统，播出系统等环节 5 i 口 图像采集图像的数字化可以有两种途径：一是使用数字摄像机直接将景象 存储为数字信号，在摄像的过程中即完成模数转换和压缩：另一种是将存在于传 统的模拟录像带里的模拟数据通过视频卡转换为数字信号，必要时进行压缩。 节目编辑节目编辑在制作过程中占很大比重，与图像采集相适应的几种数字 格式其突出的编辑特点大都和非线性相连接。在数字化进程中，非线性编辑是一 个重要方面。由于计算机技术的迅猛发展，非线性编辑会越来越成熟，传统的特 技机，编辑控制器，字幕机，调音台等设备，可由基于计算机的数字化编辑方式 所代管。 演播系统目前演播系统或电视转播车大多处于模拟环境，可首先引入数字切 换台，必需选择有模拟信号输入输出接口的数字切换台，以便实现模拟信号与数 字信号间的相互转换。 华中科技大学硕士学位论文 的高可靠性。注意到p a l 制的电视节目一帧图缘时间为4 0 m s ，在4 t ) m s 的时间 间隔内要保证帧相关工作的顺利完成， 还应考虑到系统的可扩展性以及同其他系统的要求，比如与制作网的连接， 以及今后对v o d 业务的支持等。 可见，主要困难集中在信息存储、网络传输以及实时播放等环节：另外，行 业对帧精确有必然要求。 1 3 课题主要研究工作 本文主要从两个方面讨论硬盘播出系统中的关键技术：帧精确的实现；如何 提高系统性能以满足处理无压缩视频的需要。 以下给出各章的主要内容： 第一章( 本章) ：绪论。介绍广播电视行业数字化、网络化趋势及其发展现状。 硬盘播出系统的概况与无压缩视频的应用需求 第二章：硬盘播出系统设计方案，包括为实现系统的高可靠性、可扩展性在 硬件和软件两方面的思考。 第三章：帧精确与无黑场的实现，从采集、播出、切换等方面给出帧精确实 现的硬件与软件设计的方法， 第四章：视频采集与性能优化。根据视频采集的两种工作方式，分别讨论实 时存储和传输的性能及优化的方法。 第五章：系统改进方向。以第四章的分析结果为依据，讨论硬盘播出系统中 可以采用的新技术。 第六章：全文总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体设计 本章描述电视台数字化播出系统的总体设计，包括系统应达到的目标，为达 到系统目标采用的系统体系结构，相应的硬件配置和软件方案。 2 1 系统背景 节目播出是节目由策划、编辑制作至与观众见面的最后一关，是电视台面向 观众最直接的窗口。因此，电视节目的安全播出有着至关重要的意义和举足轻重 的作用。随着电视事业的发展，电视台的播出频道、播出时间、播出方式均发生 了很大的变化。播出频道越来越多，每天播出时间越来越长：在播出方式上，则 从手工方式向半自动以至全自动的方式转变【8 j 。 电视台的播出线要承接电视台及社会节目制作部门提供的各种节目源，是电 视台各个部门工作的最终体现，形成一个辐射中心：汇聚一编排一放射，因而影 响其安全播出的因素也就形形色色，千变万化。播出质量包括播出技术质量和安 全播出两个部分：播出技术质量是指播出时声音图像质量，其质量的好坏取决于 节目本身在制作时的质量，一般说来，在播出环节只对其进行个别的调整与弥补， 若播出环节涉及到有关节目本身的质量，应引起重视。节目质量的好坏直接影响 到节目的播出技术质量。另一方面，有许多影响播出安全的因素是我们始料不及 的，如日新月异的新技术采用、节目临时变化调整、机械运行故障、现场直播活 动的未知因素等等。这些都是必然遇到并影响播出安全的因素。如何从技术的角 度保证播出技术质量和播出安全是本系统要关注的问题。 本系统用于完成电视台数字化及网络化进程中的播出环节，实现节目自动播 出，减少由于人工引入的不必要的差错，同时在节目数据质量和共享上做一定工 作，本系统中包含节目上载，存储，节目表播出控制等。其中节目上载包括模拟 节目的数字化，节目数据的存储可以通过网络进行访问，实现数据在各个节点之 i b j 的共享。节目播出由播出服务器通过给定的节目表进行控制，可以精确到帧， 实现节目切换的准确性，同时避免黑场的出现。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 系统目标 2 2 1 数字化播出系统实现的原则 视音频压缩格式：由于视频数据流巨大，采用的压缩方法和格式将对视频服 务器的性能产生重大影响。在选择硬件平台时，还应慎重考虑：系统带宽，吞吐 能力，通道数，在线存储能力，编解码器及码率，联网能力等。 稳定性：播出系统软硬件的稳定性是重中之重，而软件相比较硬件来说稳定 性更为关键。整个数字播控系统的稳定性由以下几方面保证： 1 硬件平台的稳定性：视频服务器的稳定性尤为重要，视频服务器的结构 必须适合于播出、具有高可靠性。 2 软件系统的稳定性：根据著名的木桶原理，一个整体系统的可靠性是各 个部分稳定性中最差的那个。因此软件系统的稳定性尤其重要。 3 完善的热备份：包括数据热备份和信号热备份。一个完善的热备份系统 应该能够做到主、备系统之间的自动热切换，且不会造成播出信号的间 断。 4 完备的安全操作流程和方便有效的应急处理流程： 帧精确性：是评价数字播控系统的一个非常重要的指标。帧精确性有几方面 的含义：节目录入视频服务器时要根据给定的入点和出点录入；节目播出时( 按 照给定的时码或实时响应外部的播出g p i 信号) 精确到帧：播出时节目之间的衔 接要达到零帧精确，既不能出现黑场，也不能丢帧：播出时视频信号和音频信号 要完全同步，视、音频信号的切换也要零帧同步。要保证帧精确性和实时性不但 需要硬件支持更重要的是软件帧精确性算法， 扩展性：电视台播出内容和频道的调整，要求数字播控系统能无缝扩展。这 种扩展在方案设计、硬件平台选择和应用系统开发时就应该充分考虑。视频服务 器的扩展性包括单机基础上扩展视频通道数量；在线存储容量的扩展；将多台视 频服务器构成网络，提供更多的通道数和存储能力等。软件系统的扩展性取决于 软件系统框架结构的开放性。 华中科技大学硕士学位论文 开放性：一方面，新系统将会有很长一段时间与旧系统并存，且需要协同工 作。另一方面，实现了无带化生产环境之后，整个电视台会由不同分工的计算机 系统组成，各系统之间也需要协同和互操作。因此软件系统应提供对传统设备( 如 播控切换台或开关) 的控制和管理：并考虑与其他数字化设备如非编网络、管理 网络的互联问题，例如远距离录入和预监功能。 灵活性：采用数字播控系统的最大优势是可以实现非线性播出。如在播出的 同时灵活地调整播出单，改变播出顺序或 临时插播节目。播出灵活性还体现在支 持顺序播出、插入播出、触发播出、延时播出等方面。 易操作性：有几个方面的含义，操作方便，学习容易；应急处理能力强，备 份系统易切换；维修及故障排除方便，系统容易在线恢复：设备状态监控及报警， 包括远程监控和远程诊断。 安全性：电视台是具有高度安全性的单位，而播出又是电视台安全系统的灵 魂，所以播控系统除了提供稳定性之外，必须提供完善的安全机制，如用户权限 认证，播出日志和操作日志的自动记录，有效的责任追踪机制等。 演进式发展：演进式发展是电视台播出数字化的最佳发展方式，电视台首先 选择一部分播出内容( 如广告或某个频道) 作为数字播出的试点，待这部分使用 成熟之后，再以此为基础，逐步实现全台播出数字化的目标。演进式发展模式决 定了电视台数字播控系统的实施同样应具有阶段性，这可以保证播出工作在数字 化演进过程中平稳过渡，有效保护电视台在设备、软件和培训方面的投资。并且 电视台可以在实践过程中提出更合理的需求，使系统更加完善【9 1 1 1 0 】【l l 】。 2 2 2 本系统达到的目标 对照数字化播出系统实现的原则和针对传统的播出系统工作要求及存在的问 题，本系统达到以下目标： t 传统的模拟的磁带节目，可以转化为数字节目保存在存储服务器上等候播 出在转化的过程中应保证节目本身的质量，达到广播级视频的质量要求。 2 保证每天节目播出时间内正常播出。 3 电视节目按照节目播出表进行播出，实现自动切换。可能的节目源有硬盘 华中科技大学硕士学位论文 文件及卫星和微波信号。 4电视节目的播出保证高可靠性， 5 帧精确在数据采集和播出时实现。 6 节目播出过程中保证无黑场。 7提供诊断程序。监测视频服务器的状态，以及系统中其它硬件如编解码器、 网卡、遥拄设备和硬盘工作是否正常，及早报警， 8 系统结掏可扩展。 9 支持播出的灵活性， 2 3 系统体系结构设计 硬盘播出系统总体结构如图2 1 所示。 图中下方虚线框中表示的是与播出网络相连的节目编审和制作网络，在电视 台的工作流程中，它属于播出系统前面的部分，节目通过制作和编审以后送到播 出网络等候播出。 播出网络中各个节点通过千兆以太网相连：采用干兆以太网是适应音频、视 频这种多媒体数据的数据量大、实时的特点，保证数据信息和控制信息在各个节 点之间快速准确有效的传输 1 2 】。 9 华中科技大学硕士学位论文 巡发竿机锣叫 切换矩阵 tttttl c it)t t _ _ 皇l 由基l _ 曼l 零 零l 原 磁 带 播 出 系 统 1 0 0 0 m b p s 高速网络 t -。 堋珊站h 龇器 tt 。 故字设备摸拟设备网警l t 作站编目工作站 i 1 0 0 0 m b p s 高 速网络 图2 1 硬盘播出系统总体结构 播出网络中的各个节点根据功能的不同可以划分成几个不同的部分。 输入部分：完成数据采集及上传的任务。不同格式的数据通过这输入节点转 化为统一的数字格式，可以是数字节目或模拟节目。比如传统录像带上的模拟节 目数据通过输入节点上的视频采集卡转化为数字格式。然后，它们还负责把转化 完成的数据通过与他们相连的千兆网络传送到存储播出服务器上去。 输出部分：由视频服务器组组成。视频服务器由若干台服务器组成服务器组， 每台服务器上都有视频播出卡及高速磁盘阵列。它主要完成数据的存取调度及视 华中科技大学硕士学位论文 频文件的播放。视频服务器需要高带宽且稳定可靠的网络连接，对于所需数据存 取和传输的实时性、正确性要求严格，由于要同时响应来自上传节点和其它一些 节点的请求，在整个网络环境中它也是访问上相对频繁的环节，对于吞吐率和数 传率的要求因而也是最高的。考虑到上传请求在时间上分布的不均匀性，网络管 理工作站同时也要负责上传时的带宽分配。 编目工作站：负责进行节目编辑，经过编辑的节目表通过网络传送到播出服 务器上控制播出过程。 网络管理工作站：网络管理工作站负责实时监管网络中各个节点的工作状态， 实现对视频服务器组、上载工作站、编目工作站等的调度。其工作包括：管理存 储与播放服务器的状态变更；分配上传操作带宽：监控网络中各个节点的工作状 态；进行系统运行状态指示：提供系统控制台的人机交互界面。 2 4 系统硬件组成 网络平台：采用千兆交换机组成高速网络平台，以满足多媒体数据传输的需 求。由于本系统要适用于无压缩的视频数据，数据量十分巨大，对网络带宽的要 求较高。 服务器：视频服务器要完成播出工作；同时，当它没有播出任务的时候，要 接收数据存储在它所带的磁盘阵列上，考虑到视频处理与传输的需要，c p u 的处 理速度应足够快：同时，应提供足够的内存空i 训傲视频数据的缓冲【1 5 】 1 6 j 。 磁盘阵列：根据实际应用中每天播出节目的时间，节目存储的压缩方法，可 以计算对存储空间的要求。例如：根据上一章中对无压缩视频数据量的计算：帧 率为2 5 f i 乙址_ 正s s ，视频采样使用y u v ( 4 ：2 ：2 ) ，则每帧视频数据量约为o 8 m b ， 加上音频数据每秒数据量约为2 1 m b 。每小时的这种无压缩的视频、音频数据量 为约为7 2 g b 。若每天电视台播出时间为1 7 个小时，则节目存储空间大小为 7 2 * 1 7 = 1 2 2 4 g b ，约为1 2 t b 1 7 】【1 8 】f 1 9 】【2 0 i 2 1 】。 上载工作站：考虑到上载节目的方便性和安全性，上载工作站配置一定的本 地磁盘作为缓存。其它工作站仅限于完成本身工作，无需太大的存储空间。 另外，采用千兆交换机，考虑到系统的扩展性，应具有足够的冗余端口。数 华中科技大学硕士学位论文 字切换台要求能够使用r s 4 2 2 a 串口进行遥控，实现节目的自动切换f h l 。 2 5 系统软件组成 系统软件主要包括6 个子系统：系统控制子系统、节目上载子系统、数据存 储与节目播放子系统、网络节点的故障检测与诊断子系统、节点时钟的同步调整 子系统、存储播出服务器双机同步与容错。分述如下： 系统控制子系统：系统控制子系统( 以下简称为系统总控) 运行在网络管理 工作站上，是硬盘播出系统的控制中枢。 载子系统、数据存储与节目播放子系统、 其目标是协调节目上载子系统、节目下 网络节点的故障检测与诊断子系统、节 点时钟的同步调整子系统之间的工作，以保证电视台数字化视频服务系统实时、 可靠地运行。系统总控负责任务的调度及各种资源的动态分配，根据用户提交的任 务和资源状况决定任务的合理分配；监控整个网络的运行，适时地调整任务，以降低 网络负载，使网络在发生故障后，仍能降级运行，具有较高的可靠性；采集网络 的有关数据，及时、准确的向值班人员反馈有关网络的运行情况，做到及时报警； 根据中央电视台发布的时间信息来调整所有网络节点的时钟，使整个网络准时、协 调工作。 节目上载子系统：在不影响系统播出工作的情况下完成节目采集与上载。在 播出过程中，可以根据实际情况暂停、停止或恢复以前未完成的任务。 数据存储与播放子系统：接收、控制网络传输的音视频数据流并将其存储到 磁盘阵列，确保数据流平稳可靠地存储。从磁盘阵列中读取音视频流，通过视频 卡经由切换矩阵播出。视频服务器给编播工作站提供文件数据表单，并提取现在 要播放的节目单和明天要播放的节目单，以便预取和存储。网管工作站给存储播 放服务器发命令启动存储与播放工作，这里要保证播放数据流的实时供给，因此 存储播放服务器的切换、存储策略必须满足实时性要求。 网络节点的故障检测与诊断子系统：实时地对网络环境中的节点设备、功能 子系统进行故障的检测与诊断。网络节点的故障检测与诊断子系统由故障检测与 诊断控制子系统和故障检测与诊断节点子系统组成。故障检测与诊断控制子系统 嵌入系统总控，运行于网管工作站e 。故障检测与诊断节点子系统运行在各个节 华中科技大学硕士学位论文 点机上。 节点时钟的同步调整子系统：使各节点保持系统时钟同步，主、备播服务器 保持帧同步。对整个系统业务而言，工作需要连续，有序的进行，这就要求系统 中所有的设备，组件按照统一的时问基准运行，从c c t v 信号中提取标准北京时 间，并以此为基准设定系统中其他组件或设备的时间。系统总控每间隔4 0 m s 通 过时钟同步端口向各服务器发起轮询，得到各服务器运行环境时间后，加上网络 延迟平均值( 试验得出的统计数据) 与标准时间( 总控通过自己的串口线获得的 时间) 进行对比校时。 存储播出服务器双机同步与容错：主备播服务器播出帧同步、主各角色互换、 服务器可断开和重新连接。重新连接后主播能主动调整备播状态，双机重新同步 2 2 1 。 2 6 系统综述 视频素材通过上载工作站存成一定格式的计算机文件，通过千兆以太网传送 到存储服务器的磁盘阵列，然后从存储服务器直接播出。主要是上载工作站，网 络和存储播出服务器三个环节。 上载工作站的节目素材可以是模拟的，也可以是数字的。对模拟信号而言， 首先要进行模数转换，将模拟信号进行采样、量化、编码，转变成数字信号。数 字信号通过视频采集卡，按照需要的格式进行转换或压缩，通过主机内存，存储 成磁盘文件。 网络可以工作在两种方式，一种是视频素材通过视频采集卡后首先存放在本 地硬盘上，然后通过网络传送到存储服务器的r a i d 中；另一种是数据通过采集 卡后，不通过本地硬盘缓冲，直接传到网上，存到存储服务器的r a i d 中。 视频服务器担任两种角色，当它用做存储服务器的时候，任务是接受从上载 工作站通过网络传送过来的视频文件，存放到它所带的磁盘阵列中：当它用做播 出服务器的时候，任务是从本地的磁盘阵列中读出视频文件，通过视频卡转换成 需要的格式。任何时候视频服务器都只担任一种角色。 华中科技大学硕士学位论文 2 7 本章小结 硬盘播出系统是广播电视行业数字化和网络化进程的第一步。系统设计应满 足可靠性，对旧系统的兼容性，以及可扩展性以满足其后将实现的数字化环节： 节目制播和编审子网和v o d 系统的要求。 硬件组成上，采用千兆以太网满足视频传输的要求；采用磁盘阵列实现视频 存储的要求；采用热备份的服务器结构实现系统的高可靠性。 软件组成上，故障检测和诊断、播出服务器之间的热备份用于实现系统的高 可靠性；系统时钟同步和主备播服务器之间的同步实现播出控制帧精确性。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 帧精确与无黑场的实现 帧精确的实现一方面要有硬件的保证，另一方面软件也要有保证帧精确性的 算法。根据帧精确性几方面的含义：采集时起始和结束精确到帧；播出时按照给 定的标准时间精确到帧；播出时节目切换、故障切换精确到帧：视频、音频同步 精确到帧，以下分别给出硬件保证和软件实现的算法。 3 1 采集 若数据直接从数字摄像机得到，则不存在帧精确的问题。数字摄像机的视频 格式一股是d v 格式，采用帧内压缩算法；对摄像机的控制也不存在机械动作引 起的延迟，容易精确到帧。这里考虑的问题是将模拟录像带上的数据通过视频卡 进行a d 转换的过程中，如何从一个给定的帧开始，到一个给定的帧结束。 先看采集时的工作流程，如图3 1 所示：录像机从某一帧开始播出，与此同 时，采集卡开始从这一帧进行a d 转换，必要时可能同时进行压缩( 是否压缩是 可选的) 。 图3 1 视频数据采集流程 定位到帧的工作可以在采集工作站上通过遥控录像机完成，通过采集工作站 华中科技大学硕士学位论文 的用户界面可以没定录像机从给定的帧丌始播放。从模拟录像机输出的信号通过 接口箱送到采集卡的相应端口。采集程序一但启动，就驱动采集卡从相应的端口 中读取数据，当没有有效信号输入时，就填充黑场。考虑采集可能的情况：若采 集程序比录像机先开始工作，则视频文件的开始会有一些无用的黑场帧；若采集 程序比录像机后开始工作，又可能导致视频文件丢掉了些帧。解决问题可以有 两种方法：种是控制录像机与采集同步工作，使录像机定位到帧以后等待采集 程序的控制命令，只有收到控制播放的命令时才开始送出信号；另一种方法是由 采集程序判断读到的数据是否应该写入硬盘，采集程序通过对输入数据的检查， 判断输入的数据是否为应该写入硬盘的帧。 来看第一种方法。采集工作站与录像机之问通过r s 4 2 2 通讯端口连接。在采 集工作站的视频卡驱动程序中遥控录像机开始工作。注意到视频卡的初始化也需 要一段时间，遥控的时机选在视频卡开始从端口中读取数据之前。如图3 2 所示： 准备采集 遥控录象机 等 待 录 象 机 动 作 等待遥控信号 录象机接受控制信号 录象机机械动作 从指定帧开始播放 从接口读数据 图3 2 遥控录像机的时机 图中左边虚线框中是采集程序驱动采集卡的动作，右边框中是录像机的动作。 当采集卡开始从接口中读取数据之前要等待一段时间，等待录像机将有效的帧信 号送至端口处。录像机在设置好的特定帧处，等待采集程序发送的遥控信息，接 一 华中科技大学硕士学位论文 收到遥控信息之后，录像机要进行一系列的机饿动作，当磁带开始转动之后，信 号才丌始送到采集工作站的端口，测试表明，桫、录像机接收到遥控信息到它完成 机械动作开始把信号送到接口上所需要的时间在3 0 0 m s 左右，因为对串口通信程 序的测试表明串口通信的时间开销在m s 级，并且这种时间延迟是比较恒定的。 因此其中主要的时间开销在录像机的机械动作上。录像机的机械动作所占用的时 间也并不恒定在某个时间长度上，这个时间长度总是在某一个范围内摆动，采 集卡要等待一个由实际经验值统计出来的平均延迟时间，再开始读取数据。 以上的分析表明，在通过r s 4 2 2 通讯接 z 1 2 3 】( 波特率为3 8 4 k b ，s ) 遥控录像 机时，即使是使用所谓的零帧控制算法，只通过软件也不可能真正地实现零帧精 确的采集。为了实现真正的帧精确，应考虑使用别的办法来避免机械延迟带来的 影响。 t i m e c o d e 技术是由美国e e c o 公司所发明的，在1 9 7 2 年的美国电视电影工 程师协会( s o c i e t yo f m o t i o np i c t u r ea n d t e l e v i s i o ne n g i n e e r s 或s m p t e ) 及欧洲广播 播放联盟( e u r o p e a n b r o a d c a s tu n i o n ) 将之标准化后，即成为众所皆知的s m p t e t i m e c o d e 。t i m e c o d e 是以：分：秒：帧的形式来显示，如：o l ：o o ：0 3 ：2 0 。每 一帧在录像带上都有一个独一无二的t i m e c o d e ，根据t i m e c o d e 的概念，可以 考虑使用t i m e c o d e 的信息来确定帧。在广播级录像机上一般都有t i m e c o d eo u t 信号输出。一种可采用的办法是将t i m e c o d eo u t 信号引出，在采集工作站上接收 信号并使用硬件提取t i m e c o d e 信息。当数据要被写入到硬盘之前，将读到的 t i m e c o d e 值与给定的t i m e c o d e 值比较正确的帧才被写入硬盘。t i m e c o d e 的数 据结构定义如下： s t l a l c tt i m e c o d e i n th o u r ； i n tm i n u t e ； i n ts e c o n d ； i n tf r a m e ； l 华中科技大学硕士学位论文 3 2 按时播出 按时播出在广播电视的应用中是十分重要的。电视台般总要在标准时间播 出某个特定的节目，或者要在电视机屏幕上显示标准时间。考虑在7 ：0 0 整的时 候播出新闻，需要在那一时刻播出特定的帧，这是播出时帧精确的含义。可见， 首先需要得到绝对标准的时间；其次，播出时刻要与绝对时钟对准。 1 标准时间的获取 标准时间的获取是通过硬件实现的。采用标准授时设备，可外接cctv 信 号，解码标准北京时间。并集驱动、显示、守时、去干扰、自动校时、自动亮度 适应等功能于一体。数字母钟从c e t v 信号中提取标准北京时间，并由母钟输出 时间码给时间脉冲信号分配器，信号经分配放大后再驱动各个节点计算机。各个 节点计算机通过串口接收信号标准时钟信号，校正本机时钟。校正时钟的时间间 隔是可选的。另外，考虑到对硬件失效的冗余，可以采用软件校时。 2 软件校时 系统的管理工作站可以软件方式对各个节点机进行校时。当节点机时钟不准 确时，由管理工作站以自己的时钟为基准对节点机重新校时。其工作流程如图3 3 所示：系统中各个节点通过与管理工作站交换时钟信息，在4 0 m s 之内对各个节 点对时。考虑到信息交换在网络上的延迟，软件校时只在时间漂移超过4 0 m s 时 作用。这样使得软件校时并不是十分精确，因此软件校时只是对硬件校时的补充。 3 按时播出 与采集程序相似，播出时机的选择在视频数据被送往输出端口之前。播出时， 视频卡需要一段时间进行初始化。初始化完毕后播出程序从硬盘中读取文件， 将数据送到播出端口。这之前应将节目播出时阳j 与硬件时钟比较，由于标准时钟 已经通过数字母钟送到本地，播出程序只需将节目播出时间与播出服务器的本地 时钟提供的时涮比较，在节目播出时间点上将数据送到输出端口。如图3 4 所示： 1 8 华中科技大学硕士学位论文 曰 图3 3 软件对时的流程 3 3 节目切换 图3 4 播出时机的选择 以p a l 制式的电视节目为例，帧速为2 5 f r a m e s 。每帧图像时间为4 0 m s ， 按照电视行业标准，当连续丢失两帧以上的图像时，人眼会感觉到图像的抖动， 更多的图像丢失会造成出现黑场，这更加是电视行业不可容忍的状况。因此，无 论是节目切换或者由于系统故障引起的切换都应该在4 0 8 0 m s 内完成。 节目切换主要是指两个节目之间的衔接。节目播出的顺序由播出表提供，播 出表中给出节目所在的文件，起始和结束的时间，以及文件所在的位置。其数据 结构的描述如下： s t r u c tp l a y b i l l i t e m 2 s e r v e r s e r v e r v i d e o t i m e p b t i m e ； c s t r i n g p b p r o g n a m e ； c s t r i n g f p r o g p o s i t i o n ； 华中科技大学硕士学位论文 l o n g s t a r t ； l o n ge n d ； i n t l o o p ； u i n t p b r a i d n u m ： ： 由于不同的节目存放在不同的文件并且可能在不同的阵列当中，播出时节 目切换的帧精确实现应考虑到打开下一个文件时可能造成的延时。测试表明，打 开个文件可能会花费几百毫秒的时间。可以采取预先打开文件的方法。在上一 个文件播出即将结束时，预先打开下一个文件，将数据读到缓冲区中等待。 3 4 故障切换 故障切换是指在主播出现故障时，切换到备播播出。若故障发生时不能实现 帧精确的切换，则会出现图像跳动或者黑场。而在电视台的播出系统中，黑场是 无法容忍的。这里有几个关键的问题：视频服务器的结构设计要满足可靠性要求； 主播和备播之间要保持帧精确的同步，切换时才不会有抖动现象；及时检测播出 故障并通知切换矩阵将备播的信号切换出去。 3 4 1 视频服务器的结构 随着播出系统越来越庞大，单机服务器已不能满足多频道、大容量播出系统 的要求。因此，以网络方法将几个服务器级联起来性形成大系统解决架构。服务 器间的连接具体采用什么样的网络形式并不是固定的。但是，评定网络结构的好 坏，主要有以下两个客观标准：该网络会否引入新的单一崩溃点，而因此降低了 整个系统的稳定系数：网络是否能够满足大量视频数据的传输与管理，而同时具 有拓展性。 一个好的系统结构应该消除单一失效点( s p o f ) 。一个系统的s p o f 可以出 现在处理器、内存、存储系统、网络接1 ：3 、电源，为了致力于消除这些s p o f ， 通常采用的方法是增加硬件冗余。这里所说的硬件冗余是配合相应的软件系统， 以实现相应的侦错、处理功能转接、恢复过程。失效恢复过程也只有在实现了冗 华中科技大学硕士学位论文 余的系统中才得以实现。 视频服务器可以采用两种典型拓扑结构，第一种称为“热备份”服务器或“活 动备用”服务器模型( 如图3 5 所示) ，该模型中有一个运行关键应用程序的主服 务器和一个用于备份或通常置于备用模式中的热备份从服务器。另一种比较成熟 的配置被称为“活动活动”服务器模型，它的两个服务器都可以运行应用，而且 互为备份，这样通常具有较高的处理能力和较好的性价比。它有三种具体版本： “全复制”( d u p l i c a t ee v e r y t h i n g ) 方式( 如图3 6 所示) 、“无共享”( s h a r en o t h i n g ) 方式( 如图3 7 所示) 和“全共享”( s h a r ee v e r y t h i n g ) 方式( 如图3 8 所示) 2 4 1 2 5 1 【2 6 1 。 图3 7 无共享方式图3 8 全共享方式 本系统中采用活动备用方式实现服务器之间的热备份。这是因为主播和备播 的设计完全是为了实现系统的高可靠性。每台服务器有各自独立的部件，是完全 镜像。当主播的故障被检测到时，实现故障屏蔽，播出任务由系统自动转移到备 华中科技大学硕士学位论文 播执行：备播接管主播的任务；主播进行修复修复工作完成后，任务在合适的 时机重新交付给主播，或者这时原来的主播承担备播的任务等待主播故障；系 统总控要记录有关播出的信息，便于服务器故障时任务快速恢复。以下具体说明 相关的技术： 心跳( h e a r t b e a t ) 技术：一般说来，服务器之间相互监视着其它成员的健 康状况。这种状况监视采用在通用的互联网络( 比如通用以太网) 上或串口上传 输心跳信息来实现。在这种结构下，服务器周期性地交换信息，并利用回应信息 推断其它成员是否正常运行。在“热备份”结构中，主服务器定时向备用服务器 发出心跳信号。主播与备播之间有一条串口线联系，但其上传递的信息不是通常 的“ia ma l i v e ”的信息，而主要用于传递同步信息来保持主播和备播之间帧精确的 同步。这是因为当主播发生故障时，并不是由备播主动接管主播事务，这种接管 是由系统总控实现的。当总控发现主播故障后，通知切换矩阵把备播的信号切换 出去。当然，由于同步信息也以一定的频率在发送，备播也可以认为当一段时间 内没有收到同步信息时，主播出现了故障，因此通知总控进行故障切换。 故障屏蔽( f a iio v o r ) ：由故障检测与诊断系统来监视各个节点工作，发现 故障时由总控控制切换矩阵进行切换，不会导致播出事故。故障屏蔽不仅对于非 计划的错误导致系统出错时提高系统可用性，而且对于正常的宕机时间，例如系 统管理员需要对主播服务器执行维护时，同样可以将其上的播出进程转移到备播 服务器上来，直到主播服务器重新参与工作。 修复：当一个失效的播出服务器重新交付在线使用时，应回到与当前的播出 服务器同步的工作状态。通过串口交换的同步信息，可以帮助重新交付的服务器 恢复到双机同步的工作状态。并且其状态由主播转为备播。 日志文件系统( j o u r n a | l n gf i i es y s t e m ) ：总控监视节点工作状态，并对 节点工作状态进行、庀录。在系统总控工作站维护节点工作状态文件可以帮助系统 恢复运行。日志文件系统从任务开始就产生相应记录，如果正在播出的服务器失 效，文件系统能“重放”它日志中的信息从而在本节点重新启动后恢复。 华中科技大学硕士学位论文 3 4 2 主备播之间的帧精确同步 i 主播服务器 r l r _ t 主备争用同步播 兆 信息传送通道出 交切 换 i 备播月& 务器 f、 换 机 l r 台 i监控平台 图3 9 主备播服务器结陶 如图3 9 所示，视频服务器采用活动，备用这种热备份的方式。主播和备播在 各个级别上是完全镜像的，包括r a i d 。它们做完全相同的工作。 主播和各