发布于 2023-08-11 / 421 阅读

超高清全IP视频切换台系统

广播级视频切换台系统设备,作为广电行业节目制播的核心设备,负责系统中各种信号的接入和切换输出,该类设备长期被国外厂商垄断,国产化的广播级超高清IP视频切换台产品还处于空白状态。市场上主流的广播级视频切换台基于FPGA架构开发,硬件开发成本大、周期长,且相关厂家已拥有较长时间的技术积淀,技术壁垒高,难以突破。

视频切换台的功能单一,切换效果固化且简单,需要配备多种设备扩展其功能,整体流程复杂,人力、物力资源消耗大,各类超高清制播设备的价格也较昂贵,以致超高清节目制播成本居高不下。

IP化标准历经复合流发展、分离流发展、网络和资源管理发展等阶段,多项标准已非常成熟。使用IP化技术进行视频信号的传输调度已成为下阶段发展中的共识,可充分解决现有环境下制播系统向超高清发展面临的困境。

国产化的SDN交换设备日渐成熟,在多地都已经完成了实际应用案例。

新奥特超高清全IP视频切换台系统设计研发超高清全IP视频切换台系统,系统采用全IP架构,基于SDN交换机+通用计算机平台。系统充分考虑应用流程简化、灵活操控、成本控制等问题的同时,也满足了超高清节目制作中用户在包装特效、新媒体支持、多场景制作等方面的提出的需求。

系统基于通用SDN交换机和软件定义体系架构,研发切换台调度管控软件和视频信号处理模块,以较低成本实现超大规模SMPTE ST 2110 4K IP视频信号低延迟传输和净切换,以基于GPU的超高清三维渲染引擎呈现切换台的三维多视窗和CG转场特效。

系统同时具有超高清视频文件播放、三维图文渲染包装、流媒体信号接入和输出、字幕制作、Tally控制、录制等功能,实现全媒体现场制作。

系统基于软硬一体设计,硬件面板配置通道按键、转换按键、键控按键,提供定制化的用户切换按键、布局切换按键、输出控制按键、媒体播放控制按键、图文播出控制按键、CG转场按键等;除硬件操控面板外,还支持软面板触控式操控,软面板可同时部署在PC端及PAD、手机等移动端。软硬面板可协同工作,模块化扩展,适配不同应用场景。

系统具有扩展性强,功能完善,灵活可变等特点,可满足电视台的超高清、超融合、全媒体节目发展变化和节目制播需求。

国产超高清全IP视频切换台系统已在超高清节目制作中实践应用,可满足相关部门的节目生产要求,提高了节目生产效率,安全可靠。

系统架构图

项目主要技术参数、系统指标:

支持IP 2110信号的输入和输出;

支持色域ITU-R BT.709和色域ITU-R BT.2020的渲染输出;

支持SDN IP调度管理;

系统信号输入数量与交换机相关,支持超大规模信号调度管理;

系统支持PTP时钟锁相;

支持PGM信号和PVW信号的净切换输出;

具备信号切换模块,支持信号硬切换、特技切换、动画转场切换;

支持多格式本地视频文件的逻辑设置和播出;

支持三维多视窗场景的编辑和输出;

支持流媒体信号的输入和输出;

支持三维图文包装内容渲染;

支持Tally控制;

支持本地文件录制;

支持硬件操控面板的控制;

支持虚拟软面板的控制;

支持硬件面板和虚拟面板的系统操控;

项目技术及工艺创新要点:

项目技术点:

a.技术架构

本系统中包含视频信号调度模块、视频处理模块及控制模块。视频信号调度模块包含SDN调度管理服务器;视频处理模块中包含SMPTE ST 2110 IP信号接入、文件播放、图文包装、流编解码、Tally、信号录制、信号切换、特技切换、三维多视窗场景切换等多个功能组件;控制模块中包含硬件操控面板、软操控面板。系统采用全IP架构,强大的渲染能力,将诸多演播室功能融合于系统内部,无需额外增加设备。

功能模块架构

b.信号调度净切

基于通用SDN交换机和软件定义体系架构,研发切换台调度管控软件,满足无压缩、低延迟4K IP视频信号调度应用需求,支持SMPTE ST 2110、SMPTE ST 2022-7、SMPTE ST 2059-2等标准;支持SDN交换机端口管理,流信号的管理和监测,实现视频数据、音频数据、辅助数据的一键式切换。

本系统采用创新无压缩IP视频信号双层调度切换机制,用户使用操控面板发出切换指令,视频信号调度模块联合视频处理模块,最终完成SDN交换机中IP 2110信号的调度和视频处理模块的画面净切换输出。全IP架构,灵活性高,扩展性强,可通过交换机端口扩展,以较低成本实现超大规模ST 2110 4K IP视频信号低延迟传输和净切换。

通用型SDN交换机+创新调度

c.三维渲染引擎

视频处理模块中的超高清三维渲染引擎,采用了诸多先进的算法和技术语言,提供了丰富的功能组件:

渲染引擎采用通用的三维渲染技术Direct3D和与之配套的高性能GPU。渲染引擎内部采用16位RGBA浮点渲染,并采用浮点纹理格式,拥有远超常规整数渲染的高动态范围和高精度;三维渲染引擎使用GPU语言实现了高效的多路超高清画面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格式输入输出多路HDR视频的实时性;三维渲染引擎具备强大的视频播放能力。其技术涉及CPU解码、GPU上载、GPU纹理处理、帧/场处理和渲染展示等。

搭载超高清三维渲染引擎,视频处理模块可完成视频切换台中画面转换的渲染,可为转换提供CG转场特效,CG转场特效设置简单,画面效果丰富。内置的超高清视频播放列表和多视窗场景资源也可作为信源通道参与切换;内置的图文包装播出列表可完成图文字幕的渲染和叠加。

三维多视窗场景

d.软硬面板一体化操控

系统基于软硬一体设计,硬件面板配置通道按键、转换按键、键控按键,提供定制化的用户切换按键、布局切换按键、输出控制按键、媒体播放控制按键、图文播出控制按键、CG转场按键等;除硬件操控面板外,还支持软面板触控式操控,软面板可同时部署在PC端及PAD、手机等移动端。软硬面板可协同工作,模块化扩展,适配不同应用场景。

操控指令

e.同步信号

PTP时间精度可达到亚微秒级,可满足广电行业更高精度的时间同步要求。本系统中配置一套同步系统采用ST 2059-2 的PTP 信号,所有IP设备均可联通PTP时钟来进行时钟校准,实现全环境中信号的时钟同步。

f.延迟

在IP系统中的信号传输,同样也会有延迟的问题,系统流程上设备内部进行信号处理或系统间信号传输交互都需要耗费一定的时间。本系统中交换机传输、视频处理模块切换构成了系统输入到输出的总体延迟。

视频处理模块接收到IP 2110信号流后,先进行信号的采集解码,然后将视频内容和音频内容分别推送至视频池和音频池。视频池中的内容经过切换处理后通过内部键混增加图文字幕信息,最终视频画面内容被推送到IO卡进行编码输出。音频池中的内容也遵循音频混合逻辑,在音频混合器中完成合成,被推送到IO卡进行编码输出。音频内容和视频内容在视频处理模块渲染引擎中进行高速处理合成,有效降低了系统的整体绝对延迟。

视频处理模块内部流程图

g.Tally控制

系统提供Tally控制模块,可通过TSL 5.0协议发布三色Tally信息。系统中需要Tally显示的摄像机,联通与Tally模块的通信。当切换处理核心模块进行信号切换时,会将切换信息传送给Tally模块,由Tally模块将信息发送至接收端。

h.音频处理

系统提供虚拟调音台,系统为接入信号(SMPTE ST 2110、NDI、流媒体、DDR)自动创建一路音频控制器。系统还可支持外置声卡的接入,支持音频的输入和输出。

音频控制器支持UV表显示和调节,Tally显示,伴随及禁音状态显示。虚拟调音台默认切换逻辑为“伴随切换”,音频输出通道的内容会随着PGM通道内容切换自动进行切换,未进入PGM通道播出的信源的音频内容被自动禁音。另外系统还支持“禁音”和“伴随混音”的逻辑,“禁音”设置具有最高权限;音频控制器“伴随混音”设置打开,该路音频内容将会持续在输出通道中进行混音。

i.系统安全

为确保系统运行的稳定与安全,系统在程序运行平台、信号冗余保护、应急处理等方面都做了一定的考虑和处理:

基于Linux操作系统开发切换台调度管控软件,系统具有高安全性、高灵活性、管理灵活等特点。

本系统SDN交换机支持主备流配对,切换时支持同步切换。在核心处理系统中,支持SMPTE ST 2022-7主备路冗余信号的同时输入和同步净切换,实现信号的冗余保护

基于异态路由调度策略机制,实现一键智能应急切换。操控面板配备智能应急按键。当切换台输出信号出现异常时,应急人员无需判断故障节点,只需按智能应急按键进行应急。系统根据事先设置的异态路由调度策略机制以及按键的次数进行紧急切换应急。应急操作简单,从而提高应急效率。

工艺创新要点:

a.研发切换台调度管控软件和视频信号处理模块,以较低成本实现超大规模ST 2110 4K IP视频信号低延迟传输和净切换,实现对 IP视频流的实时切换和特效处理;

b.本系统具备超强的本地超高清视频播放能力;支持多种流媒体信号接收;系统内嵌在线包装模块,可实现三维图文包装内容的内部叠加和字幕播出;系统具备音频处理模块,支持声音的多种控制逻辑;系统支持PGM信号录制为多格式本地文件和多格式、多编码、多地址指向的流媒体推送;支持TSL 5.0 Tally信号的发布,多功能融合,可实现全媒体现场制作。

c.系统基于软硬一体设计,硬件面板配置通道按键、转换按键、键控按键,提供定制化的用户切换按键、布局切换按键、输出控制按键、媒体播放控制按键、图文播出控制按键、CG转场按键等;除硬件操控面板外,还支持软面板触控式操控,软面板可同时部署在PC端及PAD、手机等移动端。软硬面板可协同工作,模块化扩展,适配不同应用场景。