4K IP 制作切换系统设计与实现

本文介绍了基于通用服务器+ 交换机的IP 网络架构,采用 超高清视频渲染引擎,对4K IP超高清信号调度、特效切换、 图文包装、输出应用等技术进行攻关,研制的国产广播级超 高清IP 视频切换台系统。本系统为采用原生IP 架构的广播 级超高清IP 视频切换台系统,维护便利,功能完善,灵活 可变,满足电视台的IP 超高清节目发展变化和节目直播需 求,在IP 超高清领域实现弯道超车。

摘要

目前主流切换台系统长期被国外厂商垄断,特别 是国产超高清视频切换台设备尚处于空白阶段。传统 切换台基于硬件开发架构(FPGA),超高清信号的调 度及处理等核心技术无法突破、技术壁垒高、设备费 用高昂,且通道扩充难度大、功能扩展性差、格式单一, 无法满足新媒体制作需求。

一 4K IP 制作切换系统设计思路

1. 设计思路

系统基于通用服务器+ 交换机的IP 网络架构进 行设计,自研超高清视频渲染引擎,对4K IP 超高清 信号调度、特效切换、图文包装、输出应用等技术进 行攻关,研制国产广播级超高清IP 视频切换台。系统 支持IP 2110 信号输入、输出,通过SDN 交换机控制 视频信号的调度、管理、分发,支持超高清视频文件 回放、超高清图文字幕叠加、场景植入等功能。系统 采用CPU+GPU+IP 数据交换有机结合的技术架构, 支持超高清视频的渲染和数据的实时传输,并采用开 放的软件架构实现协同化制播的工作流程。

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2. 系统总体架构

本系统内容主要包括:基于SDN 交换机为核心、 采用CPU+GPU 通用硬件和超高速渲染技术,研制 广播级超高清IP 视频切换台。研制的广播级超高清 IP 视频切换台支持不少于20 路符合ST 2110 标准的 IP 信号的切换,支持多级M/E,内置视频播放器, 可同时播放不少于8 路超高清视频并用作切换台信 号源。

(1)4K 超高清IP 无压缩视频切换制作

系统工作在4K HDR 的制播环境,采用无压缩的 IP 化信号调度和分发方式解决4K 超高清大带宽在制 作和传输中的难题。

采用SMPTE ST 2110-20、40 协议将视频数据和 辅助数据分离制作,实现IP-2110信号流净切调度管理; 基于CPU+GPU 技术架构,研制超高清视频渲染引擎, 实现超高清特效切换,构建超高清广播级IP 视频切换 台系统。

4K 信号数据量是高清信号的4 倍,传统基带方式 已经不适用于4K 转播系统。因此4K 切换系统设计建 造将基于IP 架构,实现IP 系统的管理、监控以及和 周边基带设备信号转换。4K 切换系统内采用SDN 集 中控制系统,拟解决SMPTE ST 2110 标准的4K IP 信 号矩阵调度、源名的修改与下发;完成对切换台AUX 母线的控制,以及切换台信源源名的修改与下发;实 现全系统源名跟随功能;支持多分割画面内双色Tally 和UMD 显示以及CCU 双色Tally。

(2)SDN 交换机的信号调度

本系统采用4K 全IP 架构,基于ICT 技术以网络 数据交换机为核心,构建广播级超高清IP 视频切换台。 系统采用SMPTE ST 2110-20、40 协议将视频数据和 辅助数据分离制作,采用SMPTE ST 2110-10 协议,以 PTP 信号作为时钟同步信号,交换机启用边界时钟(BC 模式)完成系统的同步,实现超高清IP 视频切换台系 统的内外同步锁定。

交换机启用IGMP 协议,在视频域采用PIM-SSM 机制完成IP 数据包(视频数据和辅助数据)的调度、 制作和处理,生成4K 超高清单链路SMPTE ST 2110- 20 IP 数据包和一路SMPTE ST 2110-40 IP 数据包。 系统以全IP 方式制作无压缩4K 超高清、HDR (HLG)信号,本系统应急方式是以IGMP 边缘调度 的方式切换网关设备SNP(并支持NAT 功能)组播 的方式予以实现。研制切换面板指令处理软件系统, 以切点信息控制SDN 组播地址,实现切换信号预置和 净切功能,并保证切换延迟不超过6 帧。

(3)超高清视频播放

研制超高清视频文件转换工具,将各种格式视频 文件超实时转化成H.265(HEVC)格式文件。借助 GPU 加速视频文件解码,实现8 路超高清视频实时播 放,构建超高清视频播放引擎。基于GPU 渲染加速 的CUDA 技术,构造线性化浮点渲染颜色空间,实现 SDR 和HDR 视频文件混合播放。

3. 系统主要创新点

(1)多路IP 2110 超高清视频信号特效切换

系统计划采用SMPTE ST 2110-20、30、40 协议 将视频数据、音频数据和辅助数据分离制作,拟实现 IP 2110 信号调度管理,系统架构通过软件定义网络 模式,以SDN 路由交换设备为路由交换核心,基于 SDN 控制器控制SDN 路由交换设备,架构满足无压 缩、压缩IP 流调度场景需求。基于CPU+GPU 技术架 构,研制超高清视频渲染引擎,实现多路符合ST 2110 标准的IP 信号的特效切换。

(2)IP 流信号SDN 调度管控

以SDN 交换机为路由交换核心,基于Openflow 协议研制SDN 交换设备管控软件,满足无压缩、低延 迟IP 流信号调度应用需求。拟采用SMPTE ST 2110- 20、40 协议将视频数据和辅助数据分离制作,实现IP 2110 信号流净切调度管理。

(3)多路超高清视频实时播放

使用GPU 语言高效实现了多路超高清画面的色 彩空间和像素格式的转换算法,使用GPU 支持的快速 内存操作保证了大量数据的快速传输,在技术实现上 保证了使用 10bit 格式输 出多路HDR 视频的实时 性, 实现多 路超高清视 频实时播放。

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4. 采用的方法、技术路线以及工艺流程

(1)采用的方法

搭建广播级超高清4K IP 切换台系统,确定系统 架构及接口规范,建立4K 视频图像采集标准规范,明 确文件格式及编码码率等技术参数。切换台系统在设 计上完全支持SMPTE ST 2110-20、40 标准,通过接 入核心交换机形成完整的切换链路。

系统采用SMPTE ST 2110-10 协议,以时钟发生 器提供的PTP 信号作为时钟同步信号,以完成4K 超 高清IP 切换台系统的内外同步锁定。

系统使用4K 全IP 架构,基于ICT 技术以网络数 据交换机为核心构建4K 超高清IP 切换台系统。使用 SDN 交换机作为信号调度的核心,控制系统通过交换 机实现信号监看、信号切换、管理调度功能。

SDN 交换机计划启用IGMP 协议,在视频域采 用PIM-SSM 机制完成IP 数据包(视频数据和辅助数 据)的调度、制作和处理,生成4K 超高清SMPTE ST 2110-20 IP数据包和一路SMPTE ST 2110-40 IP数据包。 4K 制作切换方面,采用先进的 CPU+GPU 技术 架构,以自主研发的顶点/片段变换处理算法结合 GPU 高级语言编程,达到优异质感与光感效果的特效 转场的实时渲染。

4K IP 切换台系统部署2 台SDN 交换机作为主 备数据核心,以单链路模式制作无压缩4K 超高清 SMPTE ST 2110-20、40 信号。系统拟通过SDN 交换 机、CPU+GPU 通用硬件和超高速渲染技术,研制广 播级超高清IP 视频切换台。

研制的广播级超高清IP 视频切换台支持多路符合 ST 2110 标准的IP 信号的切换,支持多级M/E,内置 视频播放器,可同时播放多路超高清视频并用作切换 台信号源,同时满足直切、叠化、上下键的制作动作, 适配4K 节目直播任务需求,完成带包装信号以及含直 切和叠化特技的PGM、PVW 信号的制作。

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(2)基于SDN 架构的IP 信号调度管理

IP 信号调度管理架构通过软 件定义网络模式,以SDN 路由交 换设备为路由交换核心,基于SDN 控制器控制SDN 路由交换设备, 架构满足无压缩、压缩IP 流调度 场景需求。可自定义的硬件路由切 换,数据流程、环节可灵活编辑, 实现真正软件定义的网络。

外来信号接入到SDN 交换机, 由系统按照路由和管理策略进行多目的调度转发。 系统可以实时接收交换机提供的视频数据信号, 并可在线进行多画面实时预览,可手动选择需要的信 号进行切换,实现多画面手动切换功能。

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(3)4K IP 切换台内部流程设计

参照电视制播操作流程,重新定义了视频、音频、 时钟等信号在系统内部的流程及混合顺序。在此基础 上研发 的4K IP 制作切换台系统,既符合传统流程, 也提供了更多元化的切换功能。

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二 结束语

系统的研制成果能够在电视台4K超高清演播室、 4K 转播车建设上取代国外的硬件切换台系统,大大降 低建设成本,更有利于超高清节目制作建设的快速落 地,创造可观的社会效益和经济效益。

未来,系统将助力建立超高清节目内容制作产业 园区,推进超高清节目内容从策划、制作到分发等的 全产业化发展。


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转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:广东省广州市广播电视台 滕建新 袁锦春 新奥特(北京)视频技术有限公司 李涛 王宁