（电路与系统专业论文）硬盘播出网在电视自动播出系统中的应用研究.pdf

学科专业：电路与系统 论文题目：硬盘橘山网在电视自动播出系统中的应用研究 作者：白新跃 导师：杨晓波副教授 摘要 y 3 6 3 8 6 l 本文针对广播电视领域的需求，分析得出了硬盘播出网络系统的设计原则和 设计规划，选择了m p e g 2 作为系统的视频图像压缩标准，采用并扩充了s o n y r s 4 2 2 通信标准和外部系统通信，并通过对系统中上载工作站、编辑工作站、审 片工作站、播出工作站和数据库服务器功能和模块实现的阐述，详细讨论了硬盘 播出网络系统的整体设计和模块实现。并在实际应用中得以印证。在电视技术从 模拟向数字过渡，从单机处理向网络发展的趋势下，硬盘播出系统必将成为新 代电视自动播出系统的核心和发展趋势，并将最后成为全硬盘播出系统。 1 在本文最后，又阐述了硬盘播出网络新的实现方法和硬盘播出网络值得改进 的士i 巨方，为硬盘播出网络的发展和扩充指明了方向。亍， 关键词： 电视，橘出，网络、视频、m p e g 2 。 m a j o r ：c i r c u i ta n ds y s t e m s u b j e c t ：h a r d _ d i s c b r o a d c a s t i n g n e t w o r k s ，s t e m sa p p l i c a t i o n i n a u t o m a t i ct e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g s t u d e n t ：b a ix i n y u e t u t o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r y a n g x i a o b o 、 a b s t r a c t i na n s w e r i n gt ot h ed e m a n do f t h et e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n gf i e l d ，t h i sa r t i c l ep r e s e n t s t h r o u g h e n o r m o u sa n a l y s i st h ed e s i g n i n gp r i n c i p l e sa n dd e s i g n i n gs c h e m e sf o rt h eh a r d - d i s cb r o a d c a s t i n g n e t w o r ks y s t e mi t a d o p t sm p e g - 2a st h ev i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r da n dc h o o s e ss o n yr s 4 2 2 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt oc o m m u n i c a t ew i t ho u t e rs y s t e m s t h eo v e r a l l d e s i g n i n ga n dm o d e l r e a l i z a t i o no ft h eh a r d - d i s cb r o a d c a s t i n gn e t w o r ks y s t e ma r e e x p l o s i v e l yd i s c u s s e db yt h e e l a b o r a t i o no ft h ef u n o t i o na n da p p l i c a t i o no fu p l o a ds t a t i o n ，e d i t i o ns t a t i o n ，a u d i t i o ns t a t i o n , b r o a d c a s t i n gs t a t i o na n dd a t a - b a s es e r v e r , a n dt h e ya r ea l s ov e r i f i e di ap r a c t i c e u n d e rt h et r e n do ft e l e v i s i o nt e c h n o l o g y l st r a n s i t i o nf r o ma n a l o g yt o d i g i t a l ，f r o ms i n g l e c o m p u t e rt on e t w o r k ，t h eh a r d d i s cb r o a d c a s t i n gs y s t e mi s b o u n dt ob et h en u c l e u so ft h en e w g e n e r a t i o no fa u t o m a t i ct e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gs y s t e m ，a n du l t i m a t e l y , t ob et h eb r o a d c a s t i n g s y s t e mt o t a l l yb a s e do nt h eh a r d d i s c a l s oi nt h ea r t i c l e ，t h en e ww a yt or e a l i z et h eh a r d - d i s cb r o a d c a s t i n gn e t w o r ka n ds o m e s h o r t c o m i n g si ni ta r eo f f e r e d a n di t sd e v e l o p m e n t i nf o t u r ei sp o i n t e do u ta sw e l l k e y w o r d s ： t e l e v i s i o n ，b r o a d c a s t , n e t w o r k ，v i d e o ，m p e g - 2 u ：t - 科技人学f l | ；! i 毕业论史 1 1 自动播出系统发展历史 第l 章绪论 电视播出技术发展到今天，已经由原来的手动播出发展为自动播出系统，在技术上和播 出质量上都有很犬的进步。随着数字视频、臼动控制、计算机网络通信、数据存储、多媒体 技术的发展，电视台节目也正从原来的模拟处理为主逐步发展到以数字技术为主，由单机系 统向网络分布式系统发展从而必：睁引发电视自动：| ；i 出系统经历一场新的技术变革，从传统 的 帚山系统向以便盘 番出网络为中心的新一代的自动播出系统的转变也随之成为可能在硬 盘 蒲出网络中，电视台自办节日的上载、制作、传输、编辑、审核直至播出整个流程的计算 机网络化操作均可实现。从而电视台在新闻、广告等众多业务方面的管理得以规范，电视节 目质量大大提高，大人提高了电视播出的准确| 生、可靠性，并且减轻了操作人员的劳动强度。 1 2 硬盘播出网络介绍 硬盘播出网络系统是用于电视台节目上载、制作、编辑、审核、传输、播出和存储为主 要任务的计算机局域网络，具体见下图： 2 由【兰l i i 可见，该系统包括 i 数据库服务器：数据库服务器保存视频相关信息如素材、节目单，并提供相关数据 服务。 2 文件服务器：存储视频文中l ：数据、支持视频文什操作，如视频备份、传送、播放等 3 上载l ：作蛐：完成各种视频文竹的采集支持各种上载方式，如v t r 上载、手动上 载利定时上载符，检直视频文件的台法惟浏览视频文什。 4编辑i 稍值：新建、编辑素材，检舟、测览检查视频文件，建立、编辑节目单检 俺、洲览 h 单。 5 审片 ：作站：除了编辑l ：作站的功能外还只有素材巾定羽l 节目单审定的功能，只 有经过审定的节目单才允许播出。 6 橘出二r = 作站：在接到播出指令后，播山相应的视频节目单或素材 硬盘播出网络包括视频素材上载 ：作站、编辑工作站、审片工作站和播出工作站，并以 此为主线管理全台的自办节目，如广告，新闻筲。 硬盘橘出网络是以视频处理为中心的网络处理系统，而数字化视频处理的核心技术 数据压缩，可以在一定视频质量的条件下成卣上千倍地压缩原始视频图像数据例如一个 2 4 位色彩图象火小6 4 0 - 4 8 0 ，每秒3 0 帧的朱最缩的视频流，码流超过2 0 0 m b p s 这样大 的数据量给数字视频的保存和传送提出了非常苛刻的要求：而经过m p e g 2 压缩后广播级 恻像质鲑的视频码率也不过为8 m b p s 经过十余年的研究，压缩技术取得了卓有成效的进步， 陆续出现了许多不同的压缩方式，如m j p e g 、m p e g 1 、m p e g - 2 等其中m p e g - 2 是一 种适于各种应用( 如存储媒体、分配传输和通信) 的高质量视频的压缩标准。它具有高压缩 比、高图像质量、可变码率、可分类分级等特点，尤其适合广播电视领域应用 和磁带的顺序播放相比，硬盘的随机存取使它可以快速检索视频素材及视频素材的特定 段落，因此硬盘的引入必将给视频存储和播出带来新的发展。随着硬盘技术的发展，硬盘 的容量和速度都有很大的提高，和压缩后视频文件实时处理的速度相比，高速硬盘具有数倍 乃至数十倍的视频实时播放速度。并且随着硬盘r a i d 技术的应用，硬盘的可靠性、安全性 等方面都得到保障，正是考虑到硬盘随机存取、高速、安全等特点，硬盘播出网络系统采用 硬盘作为系统的存储媒体 埂盘播出网络以高速网络为基础和纽带，因而网络技术的成熟和快速发展极大地促进了 j “播质鼙数字视频的网络化传输，庄专业广撩电视领域承l 相关领域，数字网络转向可以支持 j 播质蛄数字视频i 芏i 象传输的高速网络的发展趋势越米越明显。随着快速以太网和千兆以太 网的推出，今大在局域网内的网络传输迷度已经足以实现数路到数十路数字视频压缩图象的 实时传输。 数字视频技术的发展和网络的普及促使通信、娱乐和商业环节寻找数字视频嬲络传输的 解决方案。从而出现了数字视频传输的全新应_ 【 j 。数字视频传输可以使商业互动更加便利 是沟通更加自然。通过架设专用数字视频网络，操作人员可以直接浏览电视台广告和新闻的 内容。而不用在不同的部门间奔波。从而1 i 省丁时间和费用 但是尽管数字视频技术和网络结构都存在但要实现数字视频传输。仍存在技术的复杂 性。就网络而言，这种复杂性来源于现存的网络针对声音和数据做了专门的优化，而没有考 虑视频。视频本身的特点和视频文件的大小要求网络通信必须符合相关的要求才能成功地传 送视频视频传送要求大的、持续而稳定的数据流才可以成功地播放清晰连续的活动面面。 由此产生了以下问题：对数据而言，网络阻塞所带来的网络传输延迟并不会影响数据本身的 准确性但视频却刚好相反，冈为视频是实时的，任1 d j 网络阻塞所引起的延时必将引起视频 幽象搠j 声音的火真。闪此，硬盘 | 出网络系统必须采川高速的视频传送网络井采用延时播 放等技术，以完成视频数据的实时传送任务。 在视频数字化的过秘中近一、两年山现了一种专川于视频播放的数字i 殳备视频服 务器，视频服务器一般是将视频图像以专_ 辟j 的视频压缩格式压缩( 编码) 后保存在大容量硬 盘上，朋专用的解码芯片对视频数据进行解乐缩( 解码) ，来完成视频素材得耍放利用硬 盘技术丰数字技术，视频服务器可以实现视频紊材的任意重组年i i 回放，可以实现自身多段素 材指定入点和出点间的无缝橘放。和传统的j 册山设备相比有非常明显的优势实践证明，该 设符用于橘出环1 ，可以极大地提高播出质苗有效减少切换次数因此也就提高了播出的稳定 性和i 可靠性国外比较并名的视频服务器产品育：t e k t r o n i xp r o f i l e 系列，q u a n t e ! c a c h e b o x 、 c l i p b o x ，s o n ym a v 一5 5 5 、v s r 、2 0 0 0 锋产1 1 u 但视频服务器也存住一些缺点由于视频服井器地类似于传统设备的单机殴备，虽然自 i “蝣菇嘉越。勰 瓤i 皇王壁丝盔堂堕主皇些堡奎 身的性能优异，但在网络支持等方面却有所欠缺；各种品牌的服务器采用的视频压缩格式各 不相同从而使素材的相互交换变得困难：再加上视频服务器昂贵的价格，对国内大多数中 小型电视台来说，要支付起这笔费用，就变得十分困难了硬盘播出网络系统就是在继承视 频服务器优点的同时，兼顾开放性和兼容性，它以数字技术和网络技术为依托，以计算机为 平台，使网络系统的升级变得简单并有效地降低了整个系统的造价，适合国内大多数电视 台使用。 硬盘播出网络系统以计算机为基础，素材为主线、网络为纽带，充分考虑了电视台数字 视音频节目非线性录制、制作、传送、审定和网络资源共享自动播出、视频存储等电视台实 际上薹行特点，将数字视频技术与计算机网络技术相结合，可以使电视台节目制作数字化、传 输网络化、节目共事化、播出自动化和管理科学化，从而极大地提高了电视台节目质量和运 行效率，降低运作成本由此带来众多方面的显著优点，是当今国际广播电视发展的主流和 趋势。 硬盘播出网络系统，作为电视自动插出系统的核心，在整个系统中起着越来越重要的作 用，它完成了整个电视台自办节目的制作、传送、存储、审定、播出等管理工作电视台播 出系统，已经逐渐由原来的录像机为主要播出设备转向硬盘播出网络和计算机并存的盘带 结合方式，并且随着专业视频存储媒体的变革，逐渐向全硬盘网络播出系统方向发展 国际硬盘播出系统为了保证电视播出的稳定性和高的图像质量，田外的类似硬盘播出网 络产品经过近几年的发展，已逐步趋于完善，可以实现视频素材的采集、存储和播出等全过 程的自动化，如p r o b e t 的a u t o m a t i o n & a s s e tm a n a g e m e n t 、n d s 的m e d i as t o r mi i 、s o n y f l e x s y s 等。但国际的硬盘播出系统大都以视频服务器为基本播出设备，组成的硬盘播出系 统的性能也比较理想。但造价也相对较高，在国内还是刚刚起步，只有几家正在做相关的研 究，从已经面市的产品看，大多还是基于m o t i o nj p e g 的视频压缩。基于m p e g - 2 视频板 譬的硬盘橘出系统研究在国内和国外还很少见。 1 3 课题研究目的及意义 硬盘播出网络系统的开发和建设，客观上顺应了电视节目数字化、网络化的发展趋势， 为电视台提出了一套全新的应用解决方案该系统的开发和使用，可使电视台实现视频节目 制作数字化、传输网络化、节目共享化、播出自动化和管理科学化，极大地提高了电视台节 目质量和运作效率，降低了运行成本，同时减轻操作任务的复杂性，降低劳动强度 该项目的建设，实现了网络技术和视频技术完整结合有效克服了视频服务器价格昂贵 的缺点。为电视台节约了资金并为该系统的推广铺平了道路 该项目涉及到计算机网络通信技术、多媒体和数字视频技术、数据库技术，自动控制技 术、数据库等许多方面，是多学科交叉项目，存在相当的技术难度其问题的解决需要综合 运 上述各种知识。 该系统涉及电视台全台的管理，包含了数据库服务器、上载、编辑、审片和插出等多个 模块。本课题就姓要针对电视台的具体需求设计一个基于硬懿橘出网的电视自动播出系统 并完成系统软埂件的实现，具有相当人的：i ：作量。 4 ：41 型塾查兰塑! ：生些堡塞 第2 章系统设计 2 1 计算机将为电视节目带来什么 电视i 了曰系统的发展大体经过了以下几个阶段 图2 - 1 视频处理方式演变图 楼拟处理方式由丁其稠有的缺陷，要实现简单的视频变换已经力不从心更不用说特效 了所以寻期的电视节目制作设备成本高，但制作效栗却并不理想。随着数字技术的发展 出现了以数字技术为核心的视频处理方式，利甲些时候的模拟处理方式比较，数字处理方式 可以实现视频幽像的任意分割、变换、拟合等多种操作，在视频处理上有了质的飞跃。 电视1 y 目制作橘出是电视台的核心业务，其重要性不言而喻对技术设备要求很高。国 内传统的1 ，目制作 番出设备一般都采用独立的模拟设备。对于电视节目制作这样的工作程 序，持仅将相应的模拟设备更换为数字殴备，使用独立的单台非线性系统。效率并不高。因 为把仃目荥入慢枯剪辑之后，还要再转录出来制作播出带工作程序并未简化，数字化的意 义不人。数字殴符的网络化可以解决上述问题简化工作程序，提高制作效率减少错误。 降低投资。 通过网络联接符税频l ：作站协同1 ：作，已成为数字视频处理系统发展的必然趋势。特别 是以嘎络解决方集为基础的电视硬盘搔山网络系统已经越来越受到各个电视台的重视 网络技术的发展，使高速数据传输成为现实，如快逮以太网的交换速率达到1 0 0 m b p s , 而f 兆以太网造价低廉交换速率可以达到i g b p s 。高的交换速率简化了广播级视频素材的 网络传输。 总之，计算机网络技术的麓展必将推动攀个电视台的网络建没，从而促使原先孤立的多 ! l l 体电视制作i 作站有效地连接在一起，并通过这一视频网络实现台内、台外的节目共享和 臼动橘出，进而实现褴个电视中心从节目制作、存储、管理劁播山流程的数字化和网络化 2 2 电视自动播出系统简介 圈2 - 2 多频道自动播出系统框图 自动播出系统以视频切换台为中心，其系统包括切换台、各种播放设备、各种转播信号 和播出控制机群。 其中： 切换台负责将特定的视音频输入信号在适当时刻切至视音频输出端口，切换台一般具有 p g m 、p s t 、p r w 三种输出，p g m 信号用于播出，p s t 信号是预置信号p r w 为预览信号 各种v t r ( 录像机) 是电视自动播出系统中传统的播山设备，录像机和各种转播信号、 卫星信号、硬盘播出网中的播出工作站共同组成切换台的视音频信号输入 主、备控j ：作站负责整个自动播出系统的控制和逻辑，它负责在指定时刻将指定视频输 入信号通过切换台输出整个电视自动播出系统在播出控制工作站的控制下有序完成播出工 作任务。另外为了保证控制系统的稳定性，主、各工作站相互检测，在一方工作失败或死 机时由另一方代替工作 加入硬盘播出网络的自动播出系统，和传统的自动播出系统相比在整体结构上尽管没有 大的区别，并且埂盘播出网络通过视音频线传递模拟视频信号和模拟自动插出网络兼容t 并 作为切换台一路或多路视频输入信号；同时硬盘播出网中的撬出1 ：作站通过r s 4 2 2 接口受 控于播出控制机，以此实现和传统控制方式的兼容，因此具有良好的兼容性但是，硬盘播 出网还通过l a n 传递除音视频模拟信号而外更多的数据信息如数据库、警告信息等，加入 了硬盘播出网的撩控工作站除了可以直接接受用户的人工输入以外。还可以直接从数据库中 提墩需璎橘出的节日单或素材完成播出任务。其先进性是不言而喻的。 6 电子科技大学颁j ，毕业论文 2 3 硬盘播出网络系统设计 2 3 i 系统设计原则 考虑剑电视台数字视音频节目非线性录制、编辑、审片与网络资源共享自动播出等电视 台实际运f 7 特点及视音频计算机网络面临的数据传输量大、实时性强、对数据安全、可靠性 及一致性耍求高，在考虑整体设计过程中遵循以下原则： 可靠性：保证住任何情况f ，不至于丢失数据、损坏数据，即使在系统出问题时也能够 有必要的手段_ l 措施保证不停播。 先进性：由于埂盘播出网络统在投入使用后在若千年内一般不允许进行较大的改动， 所以设计网络系统时必须有一定的超前意识，应该顺应整个行业的发展趋势让系统在将来 若干年内还保持领先；同时在设计上要充分考虑使用方便，与全台节目制作流程相符最大 限度减少信号传递环节； 灵活胜：能灵活配置各工作点所共享的网络带宽、数据传送、存储空间等。各工作站的 功能均可在一定范围内调整，变更 扩充性：在网络规模扩大时，可方便地扩充网络端口数撞，1 0 0 0 m 数据交换到桌面为 网络扩展留有广阔空问。 升级性：随着网络技术的发展，先进的网络设备及产品不断涌现，保证硬盘播出翘系统 可方便过渡到更先进的网络技术，并能保护现有投资，不造成较大的浪费 硬盘播出网络系统遵循以上的原则进行设计，在整体结构、文件系统、通信指令、实时 橘出、视频雁! l 、数据阵技术博许多方面进行了认真仔细的设计。现就以一f 几个方面加以详 细描述。 l 王l 羔l 盔型：望些堡塞 2 3 2 系统设计框图 图2 3 硬盘播出网络系统拓扑图 硬盘插出网络以网络作为视频传输和数据交换的纽带。以数据库为核心，在各个工作站 如上载工作站、编辑工作站、审片工作站和播山工作站的配合f ，完成视频节目的上载、制 作、审核、传输和播出等电视台任务 硬盘播出系统包括了数据库服务器和视频文件服务器：甘目上载、录制、管理工作组， 节目管理、串编、审片工作组和多频道硬盘播出工作站，硬盘插出网络中的各个工作站通过 网络彼此通信协同作业其中节目上载工作组负责将模拟图像信号如录像机信号或非编工 作站信号或卫星信号等采集下来，并对采集卜来的视频文件作进步的处理，如对视频信号 8 做剪切和特技处理等。节目管理、编排、审片工作站负责编制播出用节目单，审查每一段视 频紊材和每一个节目单，允许或禁止某一素材或节目单的播出。多频道硬盘播出工作站组负 责在播控机的控制之下，完成指定节日单或视频素材的播出 涉及系统框架的内容很多以下就系统设计原则和整体实际方案作以下分析 2 3 3 硬盘播出系统设计要点 在硬盘播出网络系统整体设计中我们针对系统模型、系统冗余处理、系统控制接口、 系统网络结构、视频文件处理方式、视频压缩方式等方面等认真思考并作出了最后选择以 下是系统的一些设计要点 2 3 3 1 松耦合的系统模型 硬盘播出网络系统本身是一个分布式操作系统，就软件来说，它不象硬件一样可以有清 晰、明确的归类。因为就本质而言，软件是模糊的和无定型的但是，在多c p u 系统中区 分两种不同的操作系统总还或多或少是可能的，那就是松耦合和紧耦台系统。正如我们将要 看到，松耦合和紧耦合的软件与相应的松耦合和紧耦合硬件大致相似 松耦合的软件允许分布式系统的机器和用户基本上各自独立，但是也在必要的情况下进 行一定程度的相互作用。假设有这样一组个人计算机，每个机器都有自己的c p u 、存储器、 硬盘和操作系统，但是通过l a n 共享一些资源，例如激光打印机、数据库等因为每一台 计算机都能够明显地同其他计算机区别开来每一台都有自己的任务，所以整个系统是松 耦合的如果网络因某种原因而崩溃单个的计算机虽然会失去一些功能( 例如打印文件的 能力) ，但是它仍在很大程度上仍能继续工作。 在另一个极端的例子中。我们可能会发现一个专门用于并行运行一个下棋程序的多处理 机每个c p u 都被指定一个棋局进行推演，他分析盘面和所有可能的结果，当推演结束后 c p u 汇报其结果，同时被指定一个新的盘面进行推演这个系统的软件，包括它的应用程 序以及支持它的操作系统，与前面的例子相比很明显它是紧耦台的 我们这里借用紧耦合和松耦合的概念。用以讨论硬盘播出系统的系统模型，我们假定系 统中一个工作站任务的完成必须建立在其它工作站正常工作的基础上，否则辊会造成系统工 作失败的模型为紧耦合模型，而每一个工作站不必依赖其它工作站就能完成规定任务的系统 模型称为松耦合模璀那么显然要构建一个稳定可靠的系统，应该选用松耦合的系统模型 从概率的角度分析：一个任务的完成所依赖的环节越多那么出错的概率也就越大 具体贴以f 公式： 一 p t o r a l ；兀p ii _ 1 n0 5 p f i 其中： p t o t a l ：系统稳定运行的概率 p i ：系统中每一个部件能够稳定运行的概率。 考虑到系统对每一个部件的依赖程度则系统稳定运行的概率为： p t o t a l = l - i ( 卜d i * ( 卜p i ) ) i = i no ! p i s l0 s d i ( 1 ( t - 2 ) 其中： d i 千袭系统对部件的依赖程度。 由公式( i - 1 ) 、( i 2 ) 可知，p t o t a l p ir s i ( n ，即系统正常运行的概率小于系统中每一个 部件正常运行的概率系统正常运行所需要的部作越少，系统对部件的依赖程度越低，则系 统可以稳定运行的概率就越大要使系统能够稳定运行就要尽量减少系统所依赖的因素， 同时提高每个部件稳定运行的概率，并且降低系统对每一个部件的依赖程度。 据硬盘播出网络系统而言建立松耦台的系统模型，降低系统对每一部件的依赖程度， 减少中间环节，提高每一部件的稳定性，才能提高系统的运行稳定性 就硬盘播出网络而言，它的三大依赖因素是网络、数据库雨l 文件系统。其中数据库提供 系统信息的服务和管理，视频文件是整个网络系统要处理的对象，网络是硬盘橘出网络系统 中最关键最基础的因素，但是数据库的存取和视频文件数据的传递通过网络来实现，网络的 重要性不言而喻，因此，要提高系统的稳定性，必须降低数据库和文件系统对网络的依赖性。 要降低数据库系统对网络的依赖性，一种方法是可以采用本地数据备份的方法，也就是 在网络断开连接的情况f 系统可以通过读取数据库本地数据备份的方法保证系统正常运 行对插出工作站等关键环节做本地数据备份是必要的而且是必需的，另一种方法是方面减 少或消除具体工作任务对数据库的依赖，如果任务的完成不必依赖于数据库，那么即使在数 据库损坏的情况下任务照旧可以顺利，例如素材的上载工作，完全可以抛开数据库连接，在 上载工作完成之后再登录入数据库叉比如插出工作站，在数据库出错的情况下可以直接 选取文件进行播出。从而保证播出可以正常进行 降低视频文件对网络的依赖性和网络素材共享是相互矛盾的网络素材共事就要求视频 文r l ：通过网络传送，从而不可能脱离网络而又实现网络共享，在这种情况下只能让最关键 的一l 作站直接访问视频文件而不通过网络访问，从而保证关键任务的完成。 无疑播出“r 作站的稳定可靠是最关键的，它将直接影响到接个电视台的播出，将插出工 作站直接建立在视频文件服务器上，播出环节不必从网络中其他设备凋用，从而避免了播出 工作站对网络的的依赖。 再比如上载工作站上载和视频传送分开，成为两个不同的任井，使上载可以在网络中断 的情况时正常进行。 2 3 3 2 冗余处理 要提高整个捕出系统的稳定性，除了必须使其在数据库、文件系统、通信、网络等许多 服务器环节具有容错处理能力，还必须让系统 勺关键环节具有容错处理能力。 解决容错通常的办法是使用冗余技术。有三种可能：信总冗余、时间冗余和物理冗余 信息冗余就是增加额外数据位以使出错的数据完全恢复如硬盘r a i d 技术，通信中的 奇偶校验，c h e c k s u m 应用等 时间冗余就是在动作执行后，必要时可再次执行。时闻冗余对暂时性和间断性错误特别 有用 物理冗余，使用额外部件使整个系统能容许一些部件的损失戏火效如使用冗余的处理 机，当一些崩溃时，系统仍能正常运行。 实际上，单台计算机的稳定性是无法满足0 故障的稳定性要求的，计算机紧耦合的设计 模型决定了它只有在所有部件稳定运行的情况下，才有计算机系统的稳定运行例如处理器， 存储器、i ，o 设备、电缆或软件等发生错误都：晦引起系统工作的不正常，另外随着时间的延 续、环境条件的恶化、意外的输入、操作失误等因素，也会造成计算机系统暂时或永久性的 失效。采用两台或多台计算机同时工作并且完成相同的任务，只有在两台戏多台同时失效的 情况下才可能导致系统工作失效所以计算机的冗余处理可以在很大程度上提高计算机系 统的稳定性 理论上采用般机或多机的方式，可以极大减少系统出错概率见以f 公式： p e r r o r = p i e r r o t “no = p i e r r o r ；l 其中 0 p e r r o r ：系统出错的概率。 p i e r r o r ：平均每台计算机出错的概率。 n ：系统中计算机的数目。 假设每台计算机出错的概率为0 0 0 0 l ，那么两台热备份同时出错的概率为1 1 0 8 i 。 采用双服务器、主备橘出工作站、多上载站、双数据库、视频文什备份的方式都能改 进链个硬盘 罨出网络的稳定可靠性。 而视频文件存储硬盘采用r a i d 技术，在r a i d 阵列中，只有同时有两个硬盘同时损坏 才会导致硬盘数据无法恢复。 在通信中加入奇偶校验等都属于信息冗余的范围。从而在报火程度上降低了通信误码。 2 3 3 3 外部接口 硬盘播出网作为电视自动播出系统的一个组成部分，和自动播出系统必然有一个接口存 住，硬盘播出网通过模拟啬视频信号线路、网络、r s 4 2 2 等和自动插出系统结合在一起因 为大多数电视台的自动播出系统已经成型，如何实现两个系统的兼容、如何将新的硬盘撬出 系统加入传统的电视自动插出系统而不对原来的系统结构造成太大的影响，自然是新的硬盘 播出系统要考虑的问题。而这里最主要的是控制信号的兼容，让新的硬盘播出系统兼容老的 控制指令，并在原通信协议的基础加以扩充，以使控制内容更加丰富，不失为一个比较良好 的解决方法。 硬盘橘出系统采用电视自动播出系统的典型控制协议s o n yr s 4 2 2 录像机控制协议， 以便于和l 原系统的兼容。在此基础之上扩充该控制协议，以提供比原协议更多的控制内容。 2 3 3 4 网络结构 硬盘播出网络系统对基础网络的要求比较高，和一般的数据传输不太相同的是，视频数 据的传输要求实时性比较高例如播出工作站要求视频数据实时传输，网络阻塞造成的视频 数据延时对捅出任务来说就是播出的失败。 现阶段比较成熟羽l 普及的网络有以太网和a t m 网络其中以太网理论上依靠碰撞检测 来判断，在数据出现碰撞时会造成数据的等待重传。从而造成数据的延时。但采用交换机的 以太髓，实际上不存在数据碰撞，所以不会造成数据的延时a a t m 网络采用虚电路的方法传递数据，可以为某一虚通道分配一定的带宽数据的传 输不受其它通信请求的影响在理论上解决了数据延时的问题也是一种比较良好的解决方 案。 以太网的普及雨i 迅猛发展使它的传输速率嘏初的1 0 m b p s 发展到1 0 0 m b p s 的快速以太 网、最近义出现了千兆以太网。以太网传输速率的提高为我们采交换结构的以太嘲奠定了 基础。另外以太网的恃及使它的价格相对低廉，明显降低了系统费用，也是我们采用以太网 作为硬盘播山基础网络的主要考虑。 2 3 3 5 视频文件处理 垭虢播山网络的中心就是运刚数字视顺技术处理电视任目的录编i f 橘，就象模拟视频处 理是以融带为处理对象一样，数字视频处理的中心山秤是硬鼎视频文什。如何做好视频文件 的传送、存储笛趄我们必须关注的重要内窬。 皇王壁塾苎兰塑! 堂些堡塞 和其他文件相比较，视频文件有着文件比大的特点。由于视频信息越大，相应的视频文 件也比较大，如g m b p s 的m p e g 2 编码的1 小时睦度的视频文件，其大小达3 6 g 字节 为r 控制视频文件的有序传送，硬盘播出网络采用流式方法传递视频数据。印在传递开 始时建立流对象，在传递结束时释放流对象，采) j 流式媒体可以直接控制视频流的传输速度、 暂停、重新开始流传送、检验传送结果等 另方面，采用流对象传递视频文件可以实现文件传送同时而不影响文件的其它操作， 如捕出，传送进行的同时实现视频文件的播出，和一般的视频传输方式相比，其实效性更高 从系统安全的角度出发，硬盘播出网要实现视频文件的备份，从而保证文件的绝对可靠 2 3 3 6 视频压缩方式的选择 在压缩格式方面基于m o t i o nj p e g 的视频处理板 都已经非常成熟和普遍，目前大多 数非线性编辑系统都是基于m o t i o nj p e g 的。但是m o t i o nj p e g 也有自身不可避免的问题： 数据量大、各厂家之间格式不兼容。这两个闽题的存在导致了存储、传输、交流、造价等一 系列问题 和m o t i o n j p e g 相比，m p e g - 2 提供了更好的解决方案，更高的压缩比、更小的存储空 间，可以更高设地利用传输带宽。而且m p e g 2 提供了摄制、传输、制作、存档等不同环 宵的统一视频数据格式，能够解决多种视频数据格式并存带来的问题，例如减少了多次编， 解玛的质量损失，减少用户的投资，具有更好的开放性等。目前已经出现了很多基于m p e g 2 的编辑系统。 d v 格式作为现在数字视频的一种标准格式，也具有其自身的优势。目前很多电视台采 用了d v c p r o 、b e t a e a ms x 格式的录制设备。但d v 格式由于是诈压缩格式，图像质量虽高， 但数据撬人对网络系统是一个巨大的考验。 从上述二种压缩格式的比较可以发现，m p e g 2 是最适合今后r 捕电视领域的图像压缩 格式 2 3 3 7m p e g - 2 视频压缩方式 m p e g 2 的视频标准： m p e g 一2 是一种高质量视频的压缩标准，也有人直接称他为广播电视的视频压缩标准 m p e g 2 建立在m p e g - 1 标准基础之上，囊括了视频通信的各个领域。从v h s 的图像 质量一直到高清晰度电视的应用领域，包括多点电视会议、工作站窗显示等多种应用场合， m p e g 一2 通过一系列的分类分等级的压缩算法米实现这一要求，m p e g 2 的编码输出码流的 句法能够适应各种要求，解码器能识别并解山并种等级的原图像也就是说，m p e g 2 的设 计使它成为一种能分j 璺 像等级的编码器和解码器 为了适应广橘、通信、计算机和家电视听：c 业的广阔需求以及不同的数字h d t v 体系 i s o e cd i s i3 8 1 8 - 2 ( 即m p e g 2 视频部分) 制定了5 类，4 个等级。5 类分别为简单类， 土类，s n r 可分级类，空间可分级类和高类。4 个等级包括：低级、土级、高1 4 4 0 级、高 级。类，荡级的组合共有2 0 种不同的组合，但并非所有组合都有实际意义其中m m i 。即 主类主级可能的庶州包括数字视频广播( d v b ) ，数字视盘( d v d ) 、数字有线电视和交互 式l u 视茁。目f 甫厂播电视领域均采用主类土级的等级标准。 2 2 3 3 8m p e g - 2 视频压缩算法及流程 m p e g - 2 视频编码算法基于运动补偿离散余弦变换算法，采用块结构适用于不同的信 号，m p e g - 2 采用以下几种技术来实现圈像的压缩处理： 时域预测：减少视频图像问的时间冗余： 频域分解：用d c t 分解图像的空间块，来充分利用静态和逻辑上的空间冗余； 量化：在保证质量损失最小的条件下确定选择传送哪些信息以减少比特率； 可变睦编码：利用由量化和各种类型附属信息构成的符号序列的静态冗余 这些基本块是m p e g 一2 视频算法取得高技压缩的主要部分，但同时它采用了许多特殊 的技术增加效率和扩展性m p e g - 2 视频压缩算法有缀大的灵活性，可应用于不同的领域并 允许图像的大小、纵横比和位速率发生变化m p e g 的像素分辨率被限制到低于7 6 8 * 5 7 6 ， 帧速率限制在小于或等于3 0 帧s m p e g 起源于j p e g 静止图象压缩算法j p e g 算法在二 维空间内利用图像冗余，而m p e g 在三维空间里利用冗余，因此m p e g 可以产生更高的压 缩因子。m p e g 压缩算法依赖于三条基本原则：以减小空间冗余的离散余弦变换为形式的基 于域的变换方法：减少帧到帧冗余的时序处理；动态预测和基于块的动态补偿 输入的视频序列先进行预处理( 插入、过滤) ，然后用运动预测来帮助建立当前图像和 已传送图像的预测器。如果用到运动估计的运动向量，则作为附属信息，减去每块的预测。 剩余的进行d c t 变换井对d c t 系数进行量化，量化后的系数传送前进行变长编码在为 运动估计和预测建立参考图像前，量化后的系数要进行重构，逆d c t 变换，并与预测器结 合。 幽像块和预测误差块都有很高的冗余度。为了减少冗余，m p e g 算法用离散余弦变换将 像素的8 * 8 块或错误项的8 * 8 块变换到频域，再将频率系数量化量化是将每个频率系数近 堕王整塾盔兰坐兰塞些堕皇； 似为允许值范围内的极限值的过程编码器选择一个量化矩阵，这个鬣化矩阵指明了8 * 8 块中的每一个频率系数是怎样量化的离散余弦变换和量化的混合导致许多频率系数变成 0 ，为了最大限度地利用这点。将系数按“之”字形折线顺序组织，以产生需要的行程编码 系数被表示成一系列行程幅度对，每对指明若干个零系数及一个非零系数的幅度。这些行程 幅度对用一个变长码来编码：短码表示常出现的对，长码表示很少出现的对 和所有的压缩茸法一样，m p e g 2 算法也是通过将的视频图像自身的冗余度，来压缩视 频图像的，和m o t i o nj p e g 相比，m p e g 2 不仅消除了帧内图像冗余度而且利用了视频序 列帧间豳像冗余度高的特点，进一步提高了幽像的压缩比 2 3 2 9m p e g 编、解码板卡的选取 针对广播电视行业对视频图像质量和稳定性的特殊要求。我们选择了f u t u r e t e l 公司 n s 3 2 5 系列作为m p e g 2 视频编码卡n s 3 2 5 系列为分辨率达7 2 0 * 5 7 6 。f u l ld i 编码，具 有高的分辨率编码码率从2 m b p s 到1 5 m b p s 连续可调并且它允许编码过程中的实时插 出，f u t u r e t e l 的s u r e s y l 3 c 同步技术可以保证n s 3 2 5 每周七天，每天2 4 小时连续工作。该 扳 工作稳定，同时支持多板卡兼容，是理想的广播级m p e g 2 编码用 。 由于m p e g 一2 的广泛应用，已经有大量的忡e g 一2 播放卡，其性能各不相同。从中我们选 择了o p t i b a s e 的v i d e o p l e x 系列回放卡来实现m p e g 2 视频文件的回放 从原理上讲，v i d e o p l e x 系列板卡的优越性在于它可以同时打开两个文件( a c t i v e 和 i n a c t i v e 文州) ，井能在a c t i v e 文件播放结束时，将i n a c t i v e 文件转为a c t i v e 视频文件，i n a c t i v e 文仆和a c t i v e 文什的转换实现了m p e g - 2 视频素材的无缝连续播放，从而完成多段视频素 材的无缝插放。 v i d e o p l e x 系列扳卡具有g e n l o c k 端口，可 ；【保证该播放卡和外部视频源的同步，在视 频切换时，可以保证视频信号的连续和无跳跃。 v i d e o p l e x 系列板卡的另一个优点在于它允许多扳膏共存，一台计算机内同时可允许6 块板卡同时e 作。这样可以在一台计算机上实现多套节目的播出。有效锚约投资。 通过实验，发现该板卡具有稳定性好、可扩充性好、可靠性高等优点，是一款工业级的 板# 它可以每周7 天，每天2 4 小时连续l ：作。 综上所述，v i d e o p l e x 系列扳卡既可以实现多素材的无缝播放并保持视频信号的同步， 又能够连续亡作而不产生错误，非常适合用在插出工作站这类对稳定性要求苛刻的场合。 另一款m p e g - 2 解码板卡r e a l m a g i cd v d m a g i c p r o 具有价格低廉的优势，同样有高的 l 兰i 像质量在d v d 软解压对c p u 求较高的今天，选用该板 作为编辑和审片工作站素材 浏览扳 i 4 台适不过丁 随着m p e g 2 便仆扳卡的不断推出，不排除将来有更优秀的视频扳譬陆续推出，怎样 在现有系统软件不做火的改动的情况下兼容新的硬件板卡，是设计过程中耍考虑的一个主要 问题，对此系统采州了面向对象程序设计中的类来解决这一问题。避过开发设备基类 t b a s e d e v i c e 来规范设备的接口函数，而每一种硬什扳譬或软解压方法作为从基类继承而来 的子类来统一硬中i ：扳。 的接口，要加入一种新的板r ，只要编下i 相应板膏的子类，即可顺 利加入新的板帚另外因为t 8 b a s e d e v i c e 同样包含录制函数所以m p e g 2 编码卡可以同 样以此为基类加以开发。 b 子科技大学研士毕业论文 2 3 2 1 0 指令控制接口 如前所述为了实现硬盘橘出网和电视白动橘山系统指令系统的兼容，系统采用s o n y 公司r s 4 2 2 通信协议。 关于播山控制l ：作站和硬盘播出工作站的通信方式，系统最初采_ 【 ；l 了w i n d o w s 的 d c o m 通信模式，即利用w i n d o w s 的d c o m 对象模型，依靠系统r p c 来实现通信的。但 实践证明这一方式有它固有的缺点。采j ) d c o m 通信模型，硬盘播出1 ：作站的启动和运行 由插控软件加以控制，在硬盘播出工作站关机或一r 作不正常时，控制j ：作站工作出错。无法 完成其它设备如v t r 等的正常控制。另外d c o m 配置繁杂，一臣出错，必须重新启动才能 使计算机恢复正常给系统的稳定性带来极大的威胁。并且无法和现有电视自动播出系统兼 容。因此，虽然以d c o m 作为系统接口可以实现全自动化的播出控制但这一设计在稳定 性和可维护性等方面却并未走向成熟，硬盘播出系统最终选择了传统的r s 4 2 2 通信方式， 依靠自身实现通信的全过程，而不再依赖操作系统提供的系统服井，从