（计算机系统结构专业论文）mpeg2压缩视频数字化播出系统采集子系统设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 m p e g 2 在技术上的进展使得它具有良好的可编辑性、可切换性、格式转换性及 传输性。因此可以肯定，m p e g 一2 将成为从前期拍摄直至播出传送的主流压缩格式，而 基于m p e g 2 的硬盘播出系统也将具有很好的发展前景。 采集子系统作为硬盘播出系统的输入部分，为整个播出系统提供素材来源，是数 字化播出的基础。采集系统实现了通过硬件采集编码卡对节目源进行捕获，同时引入 了转化系统。【一些节目源如d v d v c d 等，只需经过转化系统软件的简单处理即可生 成符合要求的文件。采集系统建立了统一的基于多线程的过滤器处理模型，过滤器的 可替换性使得系统具有可扩展性。， 采集系统各个过滤器( 功能模块) 之间通过基于逻辑环的缓冲区进行数据交换。 缓冲区大小设置对采集性能有很大影响，可根据基本流参数及过滤器输出参数进行设 置，以取得合理值。为提高系统性能，软件实现的过滤器需要进行算法优化：在m p e g l a y e ri i 编码器的实现中，对耗费大量c p u 计算的子带滤波和心理声学模型须采用快 速算法：节目流复用器采用等字节打包方法及根据视音频位率比进行复合的策略，以 简化软件处理：针对d v d 和v c d 特点分别实现解复用器和m p e g 1 系统流提取器； 通过直接i o 方式提高读写文沣的i o 速率。 帧精确是广播电视行业一个首要的问题，采集系统的帧精确是其中的一个重要方 面。对于传统模拟录像机，通过r s 4 2 2 串口遥控进行同步，可实现捕获帧精确：对于 转化系统，采用粗跳步与细跳步相结合的方法对系统流的i 图象进行快速定位，从而 获得帧精确。 关键词： 压缩视频播i 潦统：采集素巯：节目痴壹合器；解蔓用器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , m p e g 一2h a sa g o o da b i l i t yo f e d i t i n g ，s w i t c h i n g ， t r a n s f o r m i n ga n dt r a n s f e r r i n g i ti sc e r t a i nt h a tm p e g - 2w i l lb e c o m et h em a i nc o m p r e s s e d f o r m a ti nt e l e v i s i o nf i e l d ，a n dh a r dd i s kb r o a d c a s t i n gs y s t e mb a s e do nm p e g 一2w i l lh a v e a g o o df u t u r e a sa l li n p u tp a r t ，t h ec a p t u r es y s t e mp r o v i d e st h em a t e r i a lf o rt h eh a r dd i s k b r o a d c a s t i n gs y s t e m s oi t i s t h eb a s eo fd i g i t a lb r o a d c a s t i n g t h ec a p t u r es y s t e mc a r l c a p t u r ep r o g r a mt h r o u g hh a r d w a r ec a r d ，a n dt h et r a n s f o r m a t i o ns y s t e mi sa d d e dt o c a p t r u es y s t e ma san e wp a r t i nt r a n s f o r m a t i o ns y s t e m ，s o m ep r o g r a m sl i k ed v d v c d c a nb e c o m ee l i g i b l ef i l e st h r o u 9 1 1s o f t w a r ep r o c e s s e s t h ec a p t u r es y s t e me s t a b l i s h e sa n u n i f o r mf i l t e rp r o c e s s i n gm o d e lb a s e do nt h r e a d af i l t e rc a nb er e p l a c e db yan e wo n e ，a n d t h i si m p r o v e st h ea b i l i t yo fe x p a n s i b i l i t y t h ef i l t e r s ( m o d u l e s ) e x c h a n g ed a t at h r o u g hb u f f e rb a s e do nl o g i cr i n g ( b b l r ) n es i z eo fb u f f e rh a sg r e a ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fc a p t u r i n g s oa l la p p r o p r i a t e v a l u ew i l lb es e ta c c o r d i n gt ot h ed a t as t r e a mp a r a m e t e r sa n df i l t e ro u t p u tp a r a m e t e r s i n o r d e rt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r s a r i t h m e t i cw i l lb eo p t i m i z e di nt h e i r s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n f o rt h em p e gl a y e ri ie n c o d e na q u i c ka r i t h m e t i cw i l tb e a p p l i e dt os u b b a n df i l t e r i n ga n dp s y c h o l o g i c a lm o d e l t h ee q u a lb y t ep a c k e tm e t h o da n d m e t h o do fm u l t i p l e x i n ga c c o r d i n gt ov i d e oa u d i ob i t r a t er a t i ow i l lb ea l s ou s e di nt h e p r o g r a ms t e a mm u l t i p l e x o r ad v dd e m u l t i p l e x o ra n dm p e g ls y s t e ms t r e a mp i c k - u p f i l t e rw i l lb ei m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c s d i r e c ti om o d ew i l lb eu s e d t oi m p r o v et h ei or a t eo ft h er e a d w r i t ef i l t e r s i nt e l e v i s i o nf i e l d f r a m ep r e c i s i o ni st h ep r i m ep r o b l e m ，a n df r a m ep r e c i s i o ni nm e c a p t u r es y s t e mi so n ea s p e c to fi t t h r o u g hr e m o t ec o n 廿o lo fr s 4 2 2 s y n c h r o n o u s c a p t u r i n gw i l lb er e a l i z e di nt h et r a d i t i o n a la n a l o gv i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ( v c r ) i nt h e i 华中科技大学硕士学位论文 =：=揣ii i l l l ： t r a n s f o r m a t i o ns y s t e m ，as p e c i a lif r a m ei na l lm p e gf i l ew i l lb el o c a t e dq u i c k l yt h r o u g h c o a r s e - s t e ps e a r c ha n df i n e s t e ps e a r c h i nt h i sw a y , f r a m ep r e c i s i o nw i l lb er e a l i z e d 。 k e yw o r d s ：c o m p r e s s e dv i d e ob r o a c a s t i n gs y s t e m ；c a p t u r es y s t e m ；p r o g r a m s t r e a mm u l t i p l e x o r ；d e m u l t i p l e x o r 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 广播电视行业的发展趋势 1 绪论 随着数字技术的发展和应用，各种传媒也正向数字化和网络化的方向发展，尤其 是因特网的发展严重地冲击着电视业，数字化、网络化已成为全世界各种媒体的发展 趋势，无论是报纸、广播还是电视，走数字化、网络化的方向已势在必行【卜2 】。 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： 这种数字化还正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【3 5 】。从技术角度来讲，数字电 视技术具有的优点主要体现在以下几个方面： 1 数字信号在传输过程中通过再生技术和纠错编解码技术使噪声不逐步积累， 保持信噪比基本不变，适合多环节、长距离传输。 2 数字电视设备输出信号稳定可靠，能够避免在模拟系统中非线性失真对图像 的影响。 3 易于实现信号存储和各种特技处理。数字电视信号具有极强的可复制性，用 在节目制作上可提高图像质量。 4 数字技术与计算机配合，可以实现电视设备的自动控制和操作。 5 采用时分多路数字技术。可以实现信道多工复用，如进行图文电视广播( c c s t ) 等。 华中科技大学硕士学位论文 6 利用数字压缩技术使传输信道带宽比模拟电视明显减少，可以合理利用频谱 资源。利用数字压缩技术，在一个卫星频道上转发多套电视节目，达到节省卫星信道 的目的，提高传输容量。 7 采用数字编码方法，便于实现加扰和解扰技术，使收费电视在实际中得以应 用。 8 数字电视信号具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道， 特别是异步传输模式( a t m ) 网络中传输。随着电视数字设备向多媒体方向发展，可 形成开放性的电视多媒体网络，方便与各类计算机网络联通，达到信息共享。 当从更大范围来考察这场由数字化所引发的电视领域的革命时，还会看到由于计 算机、多媒体技术与数字电视技术相结合而产生了非线性编辑系统和虚拟演播室系 统。非线性编辑系统是一种以计算机为操作平台的电视节目后期制作系统，它包括了 数字压缩技术、数字存储技术、数字图像处理技术、计算机图形技术、网络技术等相 关技术，把数字化、多媒体化、交互性和网络化带入视频编辑之中，给电视制作带来 重大变革。虚拟演播室技术，将计算机与电视技术结合起来，能提供逼真的虚拟空间， 即将计算机制作出来的背景图像与演播室拍摄的人物完美地结合在一起，从而制作出 传统设备无法表现的节目，将人物置于千变万化的虚拟三维空间之中，丰富了电视屏 幕，这是对传统演播室技术的重大挑战。 电视多媒体非线性技术的出现，为节目制作、播出网络化提供了条件。为了提高 工作效率，达到资源共享，可以将以单机工作方式的多台非线性编辑系统、虚拟演播 室系统、动画工作站、音频工作站等各类以计算机为操作平台的系统组成网络，成为 电视台内部的一个小局域网子系统。还可以将电视台内的各个制作、播出及管理等子 系统，采用可传输多种信息的a t m 网或宽带以太网拓扑成一个大的局域网，建立全台 的宽带视频综合业务网络，实现计算机设备、多媒体设备的互联和信息交流共享，并 支持各虚拟网络之间的信息交换，使台内与台外的网络之间互相联通，形成大的广域 网 6 7 1 。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 硬盘播出系统逐渐成为主流 全面推进广播电视数字化，就是从节目采编、制作、存储、播出到节目传输、发 射、接收的各个环节都实现数字化，数字化硬盘播出系统就是其中非常重要的一环。 硬盘播出系统以视频服务器为主体，充分发挥硬盘存储的优势，避免了因录像机 等设备出故障给播出带来的影响，充分发挥多通道资源共享的优越性，轻松实现各节 目之间的串编播出和各种插播、定时播出之间的控制管理，把节目存放在硬盘中，可 以达到无失真保存，所有节目从制作、编辑端口上载，从而简化了从制作到播出的工 作流程，有利于提高工作效率。视频压缩技术、海量硬盘存储技术、网络技术是硬盘 播出系统的技术基础“ 作为体现新技术特征的基于硬盘的播出系统，由于它良好的非线性编辑性能、多 通道的编解码器、长时间的节目存储量、周详的安全考虑和灵活的网络功能，在电视 播出领域的应用已成为电视技术人员关注的焦点，可以肯定基于硬盘的播出方式会逐 步替换传统的磁带播出概念。 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，并有很好的发展前景 1 2 - 1 3 】。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，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、信号互扰和多次复制中的噪声 积累，并极大简化了节日串编和播出工序，从播出安全来讲，硬盘播出系统的生产厂 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。其特点如下： 1 它采用了数字的处理和存储方式，信道传输特性甚优，多次重播的图像质量一 致性好； 2 由于采用了硬盘作为存储媒体，磨损极低，数据可以长期保存和播放而基本不 影响质量； 3 图像和声音作为数码信号存储于硬盘，由于硬盘的存取手段适应于多进程实时 访问，多个输入、输出通道可以同时存取同一或不同数据，实现了资源共享， 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = 利用率大大提高： 4 克服了磁带录像机机械结构维护困难、费用高、可靠性差等长期困扰电视技术 工作人员的常见问题，其可靠性主要决定于硬盘系统和周边设备的硬件水平以 及相应的应用软件水平，而这类技术正呈现强劲发展趋势； 5 节目录入、播出节目单设置完成后，一般无需人为干预，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； 6 硬盘播出的实现平台为服务器，其通用性较好，可以在开放底层接口的条件下 灵活地实现各种应用： 7 系统的内部扩展能力以及外部扩展能力较好，能够很好地与未来的全数字、网 络化、资源共享的节目编播体系相衔接。 1 2 国内外概况 1 2 1 m p e g - 2 将成为广播电视领域的主要压缩格式 m p e g 一2 在技术上的进展将扩大占领电视领域的范围，很可能成为从前期拍摄直至 播出传送的主流压缩格式。这种新动向正趋于明朗化。要想在电视领域从前期录 制到最后播出传送都采用同一压缩格式，那么这个压缩格式必须具有可编辑性，可切 换性、格式转换性及传输性，而m p e g - 2 在技术上已不存在问题。 1 编辑性 m p e g 一2 作为一种压缩格式，引起人们最大争议的是它的可编辑性，但随着人们对 m p e g 一2 的深入研究和有关硬件的研制进展，这种可编辑性已经不再有什么问题了 【j “扪。目前m p e g 一2 的可编辑方式有下列几种。 ( 1 ) i 帧编辑 在目前非线性编辑中广泛采用m - j p e g 压缩。m - i p e g 具有可编辑性，使用帧内压 缩，帧与帧之间是独立的。皱此不互相牵连，并且硬件实现起来比较容易，成本较低 1 6 - 1 7 。m p e g 具有i 、b 、p 的帧组，只有i 帧类似于一j p e g ，故只保留i 帧从而解 决m p e g 的编辑问题，这种编辑方案已被采用，有人叫m p e g 一24 2 2 ( i ) 方式它主要 4 华中科技大学硕士学位论文 应用于电视盾期制作，戳高艨鼙为前键。檄据一碧研究袭明，一个5 0 m b s 静m p e g 一2 4 2 2 i ) 数蒲流冒议完全达到遮个戮的。这种方式沌m - 2 p e g 至少脊两个优廉：( ) m d e g 一2 4 2 2 ( i ) 数据流眈m - j p e g 数鼯流( 瓷稽阉痰爨前提下) 可节约存储空籁1 5 麓蠢； 将它转换藏任侮渺瓣稽式帮院较密荔，褥盈转换镄失枣。嚣蔚f a s t 秘n e c 簿公司邑 骞产黯润觳。 ( 2 ) i 8 缡辗方式 这是s o n y 公司在数字b e t a c a m - s x 录像梳中慕蠲的方式。崮子多了一个转桉，邋 褥麓褥实行秧猿疫编辑一壹邂久翻关注静游题，以d n w - a 1 0 0 ( 纛带结合蘩秉缘樵) 为 辅说麓如 驽实现1 8 编辑。d n w a 1 0 0 廷一种蠹繁结合豹录像辊，它童簧麓矮焱逡舒编 瓣，然看褥笈涮到磁带主。它麓舞瑰顿耩度编辑翡关键是匿含秘个糨鬻豹m p e g 解弱 器，农进磐编辚对，磁带上懿豢耢麓羧到褒盘上，然鬣将记录态磋擞上爨冬豢i 孝转矮藏 蒸带傣号，垂予溪擞主鹃豢誊葶楚爨维鹃臻号，经过解礤焉熬售号是蠢悉缭麓姣字视频 偿号，经绫辑麟生成e d l 。激豫攘壤据e d l ，按割耩个m p e g 一2 解磋器传送疆焱上采懿 豢糕，经m p e g - 2 编鹚嚣揍壤露记录巍磁带上。s o n y 爨嚣个实对孵麓嚣魏一个实瓣绽 鞲嚣泉竞戏编艨 壬务懿。 0 ) i b p 编辑 i b p 缡矮爨麓p 嚣压缭方焱孛最壤瓣一秘方式。鑫予一令额缀孛巍i b p ，黉骰糊实 辩，羧了嚣簧大量懿诗冀，褥显黉诗舞速度 鬻谈，黪矮鸯疆 睾趣默绦诞。溅遮荧簪 c - c u b e 公司暑囊产了荤片m p e g 绽孵褥嚣d v x p r e s s ，共孛锈含m p e g 缡褥嚣，双遽道 p e g - 2 勰隅嚣，数字特技处攥、卷频处璎及骞关接口，采鼹f 矗鬟瓣麟( f r a m e - a c c u r a t e m p e ge d i t i n g ) 技术解决峻糕燮煞缡爆阉器。霾本拶公司馕照懿c l e a n c u t 技术瞧采 鬻鼹个m p e g 麟玛嚣，当进行缡辍辩，一个鼹鹚器避行正誊解璐，并输爨一个节爨片 瞬时，另一个解玛嚣也谯紧张遗体准釜工作( 处予p r e - c h a r g e 方式) ，帮准镰下一个 要剪辑的节器片凝瓣解鼹。里输出瓣第一个节疆片嫒结柬时，疆传嚣美转至努个 瓣霹嚣，这露繁2 个解鹚器凑予搴先豹 襞蕊，裁缝游实瓣逡准确缝邀窭繁2 个繁瓣片 凝。 2 。可饶按憷 、i p e g 一2 莛编辑秘过镶中，必然涉及到运动矢量、编码方式等，幽予每i 笑缝瓣璐裁 5 华中科技大学硕士学位论文 有可能采取不同的参数( 对于同一内容的图像段) ，因此多次编解码会引起图像质量 的下降。另外目前压缩信号要进入制作或需要切换，一般都要先进行解码，同样也存 在这一问题。 欧洲s n e l l & w i l c o x 公司和b b c 共同开发了“i n f o b u s ”和“m o l e ”技术，为上述 问题的解决奠定了基础。i n f o b u s 意为信息总线。在压缩编码时将有关决定压缩的信 息如运动矢量，图像类型和预测方式等从m p e g 比特流中分离出来，形成信息总线， 即是说，我们在解码m p e g 码流时，既要输出图像信号，也同时由信息总线输出如何 编码的信息，经过处理后再编码时仍使用这些编码信息。m o l e 技术的想法是，将m p e g 解码器解出的数字视频与i n f o - b u s 信号再次进行合并，即将i n f o - b u s 信号插入到解 码的数字视频信号之中，变成一个信号，这样就可实现压缩信号与不压缩信号的切换， 并且一般切换台可进行切换。 3 格式转换性及传输性 i p e g 一2 由于采用帧闯压缩在保证质量的情况下可大幅降低数据传输率，使得它 成为传输的首选，并且牢固的占领了电视传输市场。 格式转换性指的是多代能力。m p e g 一2 分为不同的档( p r o f i l e ) ，在档下又分成 不同的级( 1 e v e l ) 。另外，在具体压缩过程中，帧组可以不固定，如编辑可采用三种 编辑方式：i 编辑，i 、b 编辑和i 、b 、p 编辑，因此它们之间的相互转换是经常使用 到的，如果按常规的先解码、再编码进行转换，那么这种串接损失是有的，如果有多 次这样的转换，对图像的损害是可见的。多代之后，视频质量有可能已经下降得不可 使用。这样的转换损失已经不再令人担心了，因为上述的信息总线技术和m o l e 技术 已经为解决这个问题铺平了道路。 目前t 电视台播出设备正在向数字化过渡，其中一个明显的趋势是向硬盘多频道 播出过渡而采用归e g 一2 压缩方式正形成主流，这无疑会加快电视领域采用m p e g 一2 作为压缩格式的进程【1 3 】。 1 2 2 硬盘播出系统国内外概况 近几年来随着硬件、软件、存储介质的不断推陈出新，硬盘播出设备逐渐步入实 6 华中科技大学项士学位论文 用阶段，众多厂家进入此领域参与角逐，除了有老牌的国外公司泰克、惠普之外，还 有大洋、方正等一些国内公司，他们的产品都运用了最新的数字压缩技术及网络技术， 一改传统的播出工作模式和流程，提高了电视台的播出效率。以下列举了泰克公司、 惠普公司的硬盘播出系统，作简单的比较以供交流 1 泰克公司的硬盘播出系统p r o f i l e 早期的p r o f i l e l 0 0 和p r o f i l e2 0 0 是以m - j e p g 方式存储的，而p r o f i l e3 0 0 是 在原来p r o f i l e2 0 0 的基础上做了改动，增加了m p e g - 2 的编码板和解码板。 p r o f i l e3 0 0 的网络是按主备方式工作，主机和备机有2 进2 出( 最多4 出) 数 字通道，均可自带硬盘( 9 g b 或1 8 g b ) 再可通过s c s i 口外接硬盘箱。主备机通过光 纤通道连接，控制部分通过以太网联接。 泰克公司的新一代视频服务器p r o f i l e x p 采用m p g e - 2 存储，支持帧精度剪辑和 流传送，通道数扩展到8 个( 最多6 入) ，总体性能比p r o f i l e3 0 0 有很大提高【1 9 】。 2 惠普m e d i a s t r e a m 硬盘播出网络 该系统采用惠普视频服务器，采用高可靠性和可扩展性设计。主机h pe 2 5 2 4 c 共 有6 个通道，其中最多4 个输入，每通道有两块专利解码芯片，利用“c l e a n c u t ”技 术进行剪辑。可做到任意帧播放、变速慢进和往复搜索，以及帧精度标记x 标记出， 如图1 1 所示。 圈i i 思晋m e d i a s t r e a m 硬盘播出网络 该系统采用i b p m p e g 一2 ( 伸虬) ，6 - 1 5 m b s 或者i b p m p e g 一2 ( 4 ：2 ：2p r o f i l e m l ) 格式，6 - 3 0 m b s 速率方式储存，在8 m b s 速率下e 2 5 2 4 c 可存储3 6 小时，加上选件 0 4 4 可储到1 0 8 小时。该播出系统同样采用主备机独立存储，光纤通道联网方式，安 全可靠。 7 华中科技大学硕士学位论文 3 方正无忧数字播控系统 该系统基于c s 结构，实现瘦客户端的硬盘自动播出网络。其核心是两台 p i n n a c l e 公司的m s s l 6 0 0 ，共使用8 个m p e g 一2 编码器，1 6 个m p e g 一2 解码器。每台 m s s l 6 0 0 使用9 块9 0 g 硬盘，采用r a i d 3 技术组成磁盘阵列，编码率采用l o m b s ，存 储时间为1 0 0 小时。两台m s s l 6 0 0 之间的光纤网连接，任何一个通道上载素材，都可 以通过f c 在另一台服务器产生镜像备份。 可见，泰克的p r o f i l e 、h pm e d i as t e a m 及方正数字播控系统采用可靠性较高的 专用硬盘录像机和专用服务器，通过s c s i 口自带硬盘，并通过成熟的f c 网联成主备 网络并采用高效的m p e g - 2 压缩。 从国内外硬盘播出发展趋势来看，m p e g 一2 始终占据着主导地位。在m p e g - 2 标准 中，为了适应各种图象格式，分成了四种等级。其中，“高等级”及“1 4 4 0 等级”是 用于高清晰度电视的格式：“主等级”是标准清晰度电视的主要格式【2 0 l 。本播出系统 一开始就瞄准了高清晰度电视，同时考虑与m p e g - 1 兼容，故采用m p e g 一2 格式，且各 种参数范围可调，如码率1 0 m b p s 5 0 m b p s ，g o p 大小1 1 5 ，采样率按照i t u rb t 6 0 1 建议：亮度信号为1 3 5 m h z ，色度信号r - y 、b - y 均为6 。7 5 m h z ，即所谓的4 ：2 ：2 取 样。 1 3 本文的研究内容 针对国内外电视系统采用硬盘播出的趋势，本文研究基于m p e g 2 压缩的视频数 字化播出系统，特别是在姬e g 一2 压缩视频数字化播出系统采集子系统设计中碰到的 一些问题，并对这些问题进行了分析。以下给出各章的主要内容： 第一章( 本章) ：介绍广播电视行业数字化、网络化趋势及国内外概况： 第二章：从硬件和软件两个方面描叙了整个系统的总体构成。 第三章：描叙了采集子系统的模型。传统的采集系统只考虑采用硬件编码卡对节 目源进行捕获，而没有考虑采用格式转化获取需要的素材。这些节目源如d v d v c d 等 数量众多，仅需要进行简单的音频格式转化和音频视频复用即可，不涉及视频格式的 转化a 本文将传统的模拟信号捕获与文件转化统起来，建立了统的采集子系统处 8 华中科技大学硕士学位论文 理模型，提态了采集予系统的可扩展性。 第四章：详缨讨论了采集予系统模块懿实现。科m p e gl a y e ri i 的编鹦，采建了 优化算法，旋商了予带滤波和心理声学模塑的计算复杂度；在实现m p e g 一2 节西流复 用器时，采用了等字节打包方法和按照祝酱频位率比进行复用的策略，简化了c p u 的 处理；针d v d 毂v o b 文传特点，设计了专门鼹复瘸器，逮度比逶用艇复角器鸯了提离； 对v c d 的d a t 文件系统流的撬取进行了讨论：为优化i 内位能，在读文件和写文件采 用了直接i 0 方法。 第五犟：讨论了采集系统豹鞍攒确技术。详缨讨论了如传瓣臻统熊模拟录像撬进 行蓣定位，还讨论了如何在m p e g 系统流中侠速定位刻i 帧以获得转纯的帧耩确。 第六牵：全文总结。 4 本耄夺结 本章简单介绍了当前广播电视行业的数字化趋势，分析了网蕊成热的计舞机技术 绘广播毫视劈业带来的星大变化，一些在禚来条件下无法达到豹特技效栗在现在静情 况下也已经变成了现实，豳诧广播电视行煦的工作效率商了很大的提高和改善。 电视台硬盘撵出系统是近几年了最新出现的一种技术，它改革了电视台过去的工 炸模式，太大减轻7 工作人员熬工佟量，霹靠栋冀稳定瞧方瑟都畜藿大静提离，鑫i 跑， 现在豹电税台都在进行有关数字系统的改造，以便更好的服务观众，服务社会。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体结构 m p e g 一2 压缩视频数字化播出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，本系统中包含节目采集、上载、下载、存储、节目表播出控制 等。 1 1 系统硬件组成 硬件体系结构如图2 1 所示。主要由网络管理工作站、采集上载工作站、编目工 作站和存储播放服务器( 4 台存储播放服务器构成) 通过千兆位交换机连接构成。千 兆位交换机为整个系统的实现提供了一个重要的物理平台。采集上载工作站负责上载 节目源的采集和上载，编目工作站负责节目单的编辑，网络管理工作站负责整个网络 的网络信息管理、资源配置、消息控制等，存储播放服务器负责所有节目的播放，同 时也配合采集上载工作站完成节目的上载，服务器上挂有磁盘阵列，服务器上播出的 节目首先要存到磁盘阵列中，才能由服务器安排上面的节目进行播出。 1 采集上载工作站 采集上载工作站负责不同格式数据的采集和上载，由于采集完成后需要经过暂存 才能上载，所以上载工作站必须配备一个容量相对较大的本地硬盘用来缓冲采集的节 目文件，以便在以后的特定时间里上载该节目。 2 下载工作站 下载工作站主要是把服务器上的节目下载并进行记录，以便把该节目作为资料进 行保存。 3 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，实现对存储与播放服 务器组、采集上载工作站、下载工作站、编目工作站等的调度。其主要任务在于：管 1 0 非线性编辑系统 图2 1 系统硬件体系结构圈 理存储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：提供系统羧翩台的入机交互界面；通过串1 ：3 控制切换矩阵进 行留羧。 4 ，孝镳援救骚务器缀 襻罐援放服务嚣缀圭4 台服务器、6 块视频撵放卡及8 令4 3 2 g b 懿蘸逮磁盘阵列 构成，它主要完成数据的夺取调度及视频数据的实时援放，对于魇霭数据存取和传簸 的实时性、正确性要求严格。因此要求c p u 的处理速度应足够快；同时，应提供足 够的内存空间傲视频数据的缓；“e r - 1 - 2 2 1 。存储播放服务器需要高带宽且稳定可靠的网 络连接，由于要同时响应来自上传节点和其它一些节点的请求，襁整个网络环境中它 墩是访闯上褶对频蓉的环节，对于吞吐率和数传率的要求因而也慰最高的。 存潞播被服务器筑采翔2 x ：方式，处于播旅状态的辙务器只有2 台，且重为备份。 暇务器浅耧数器瞧缀缓、t 建、播放霹并发透行，系统串楚予上佟状态的骧务器可瑷 华中科技大学硕士学位论文 ：= _ # = = = # = # = ；= = _ ；= # _ = = # = # = # 膏最多4 台。考虑劐上抟请求在懿间上分布酶不筠匀毪，网络管理工伟滔同对遣簧负 责上传时的带宽分配。 5 卡兆网络平台 午兆以太劂为鼹域网提供1 g b p s 戆馨宽，浏时继承了它蛇裁驱以太鄹1 0 b a s e t 秘 抉速以太弼1 0 0 黔a 髓t 弱许多特点。本系统采鬟m p e g - 2 主要钟对商清激发r 蠛( h d t v ) 蔫要，传输率秀1 0 m b p s 5 0 m b p s ，采用午菟馘太弼能满是了本系统对带宽桶要求。 1 2 系统软件组成 系统较佟主要镪摄6 个子系绞：系统控制予系统、苓髫采集上载予系统、数据存 储与节誉播放予系统、潮络蒂煮静敬溱捻溅等诊断子系统、节煮露钟酌蕊疹谲整子系 统、存储播放服务器双机同步与容错。分述如下： 1 系统控制子系统 系统控制子系统( 以下麓称为系绕总控) 运行程网终管理工作站上，是硬盘援出 系统懿控捌枣妪。其基椽是协调繁晷采集上载予系缝、麓鬓下载予系绕、数嚣存镄与 节蘑攒放子系统、两络节患静故醚检测与诊断予系统、节点对锋的阐步调貉子系统之 间的工作，以保证电视台数字化播出系统实时、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秘资源状况决定任务的舍邂分配：监 控整个网络鲍运行，逶时地调整疰务，以降低嬲络受载，使网络理发生故障篮，仍熊降 缀运行，其鸯鞍蕊静霉翥性；采蘩鼹终翡有关数攥，及对、准确豹翔缓班入员反馈有 关阉络的运行情况，傲刭及对报警；裰锯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。 2 节目采集上载子系统 程不影嚷系统撵出工纷豹憾况下，突戏节爨采鬃与爨动上载。农撵出过程孛，爵 敬投搭实际情况耨箨、洚建竣恢复以前未究成翡镣务。 3 数据存储与播放子系统 接收、控制网络传输的费我颓数据流并将其存储到磁盘阵列，确僳数掇流平稳可 靠地存储。从磁盘阵列中读取誊视频流，道过视频卡经由切抉矩薄掇出。褪频服务嚣 1 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = ：= = ；2 _ = = = # = = # = = t = _ = = # = = 绘编播王作站提供文 学数攒袭单，并提取现在要播放的节耳单和明天要搔放的节强 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攒放工作，这 里嚣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 对瞧要求。 4 。鼹络螯点豹藏簿检测每诊断予系绞 实黠建瓣鼹终舔壤中憝繁点设备、功熊予系绫逡纷数障豹检测奄诊凝。羁络带点 黪敬障捡测与诊瑟子系绫巍敬蹲捡溅与诊羧控割子袈缀秘鼓薄捡溅与诊凝苓点子系 统缎成。故障检测如诊断控制子系统嵌入系统总控，运行予网篱工作站上。故障检测 与诊断节点予系统运行在各个节点机上。 5 节点时钟的同步调懿予系统 使各节点保持系统时钟湖步，主、备播服务器保持帧同步。时整个系统业务而咨， 工俗需要连续、有穿的进行，这就要求系统中所有的设备或组件按照统一的时间基准 运行。簸c c t v 售孽孛提取标准寇京辩闫，势教就力蒺准浚定系统率其德组 串或设备 瓣辩阕。系统憋控每闯隔4 0 m s 遴过孵镑弱步端霹自各骧务器发起轮诲，褥裂各服务 器遴褥嚣嫒时闯瑶，趣上鼹终延迟乎均篷( 试验褥出熬缆诗数攥) 与标准瓣潮( 惑控 逶道盘己螅串口线获褥瓣对阉) 遴嚣对兜棱瓣。 6 。襻储播放服务器双机同步与容错 主备播服务器播出帧同步、主备角色置换、服务器可断开和重新连接。重新连接 后蔓搔能主动调整备播状态，双枫重颛同步。 3 本耄，j 、结 硬盘播出系统是广播电视行业数字豫秘耀络纯送稳螅第一步。 在本章中，对熬个m p e g 一2 压缩视频数字化攒出系统进行了概述，初步拦绘7 整 个系统的备个环节。 整个系统硬件谣次上截括千兆位交换机、采集上簸工作站，存储播放服务器， 网络篱理工作站和缡目工作站。存储播放服务器带有大容量的阵列，可以用来存放长 霹阍豹节蠢数据。采集上载工亍笨站典有采集秘上载的功能，并可以同步实觋两个功能。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 整个系统软件层次上包挺7 采集上载子系统、数据移健与节目援放子系统、系 统控制予系统、网络繁点瓣教障检测与诊凝子系统秘节点辩钟鹃溺步调整子系统。采 集上载子系统圭要完裁节褥的采集并把节茸自动上载到播放服务器的阵剜中；数据存 储与节目播放予系统主要完成有关上载节目的接收和节目源的定时播放；系统控制子 系统主要完成网络资源管理、节目单发送；网络节点的故障检测与诊断子系统主要完 成网络繁点的监测期纠错；节点时钟的慰步调整子畚绞主要完成各节点对镑校射。 l 毒 华审科技大学硕士学位论文 3 采集子系统的设计 采集子系统是整个数字化搔如系统的输入部分，是蹩个播出系统素材的来源。采 集视频图像的质量一经采集就被确定下来，以后无论采用何种技术，都不可能使图像 质壤比采集时的质量更高，所以采集是数字化播出的基础。 3 1 采集子系统概述 电视台的工作特点决定了节目来源的多样化，不但有传统的模拟录像带，还有数 字录像带、d v d v c d 、卫星和微波等节目源，所有的节目源都要经过采集系统转化 为统一的文件格式。但具体视频和音频采用何种压缩格式应根据系统的硬件条件及系 统嗣标确定。 播出系统采用的播放卡为v i s u a lc i r e u i t sr e e l t i m e 2 ，该卡支持有限的音频压缩格 式：m p e g l a y e ri i 音频：支持各种参数的m p e g 1 和m p e g 2 视频格式；支持节目 流和传送流两种系统层。采集系统应满足上述播放卡的要求，同时还要加上一些限制： 由于用于国内电视台的播放，须采用p a l 制式；采用节目流更适合予硬盘播放环境。 基于上述考虑，采集系统采用了符合孵e g 一2 标准的文件格式：系统层为节目流，视 频格式为p a l 制式的y p e g - 1 和i p e g - 2 ，音频格式为p e gl a y e ri i 。经过采集后的 文件保存在本地盘中，然后由上载予系统通过千兆嗣传输到播放服务器的阵列中。 根据采集过程的不同，可把采集系统分为两部分，即捕获系统和转化系统。 3 1 1 捕获系统 对予传统鹩模叛信号，需疆数字纯后才麓在硬盘播粥系统中播出，而捕获系统就 是专用予横羧信器的数字化，拜来的模摈信号输入到采集编码卡，通过捕获程序控制， 把音频税频信号疆缩海疆p e g 一：搭式实时存簿羁本地硬盘中。由予m p e g 视频采厢菲对 l s 华中科技大学硕士学位论文 = = = _ # = # _ = # _ = = = 目# = 。；= ；# = # = # 称的压续算法，在p c 枧上明软 牛来避露m p e g 视频压缨缀码是缀费鞋重的，即使编码几 个视频片断也器花费好凡小时，所酸必须采粥硬件采集编码卡进行a 例如把p a l 制式 鲍视频傣号压缩为m p e g - 2 接式，嚣婪每秒2 5 蜮的编弼速度，用软 牛来实现远远不够， 必须采崩硬件编码。对音频信号的压缩可髑硬件也可糟软件进行压缩，这是因为音频 的数搌爨远小于视频的数据爨；誊频压缝的复袋度远小于视频压缝的复杂度。 3 。1 2 转化系统 原则上艇囊的节曼源郝霹以邋过捷获系绞进行采集，只要把繁嚣源圆牧澹模拟信 号，输入到捕获系统瑟可迸行采集，但采集时间等于攒放时间，费时较长。肖黧节基 源，如v c d d v d 等，可戳经过一些簿攀熬软 串转化就霹变为所鬻静文停格式，节约采 集时间。能够通过转化系统进行采集的节舅源其视颓格式必须悬符会要求的( 在本系 统串，必矮凳p a l 割式静瓣鹊一l 或赫p 隅一2 格式) ，冀需对音频避彳亍相应静转换，鲡 d v d 只需把街频从a c 3 转化为m p 2 ( m p e gl a y e ri i ) ，然后把音频和视频复用为一个文 孛。 ! 凳频椿式不符舍要求豹节鑫潆，昃鸯遗避擒获程謦迸行采集，因为对视频格式进 行软件转化的代价是巨大的。 3 2 采集予系统模型 3 2 t 一般数据流处理横型 采案进程实际上是数据流处理的过程，w 以衢鍪数据处理的一般流程来摘叙采集 过程。微软公司提供了套在w i n d o w s 平念上邀行多媒体淀处理豹开发魁 d i r e c t s h o w ，与d i r e c t x 舜发包一熬发布。本文借助d i r e c t s h o w 的过滤器模型来摇叙 采集予系统模型矗6 1 。 觳说来。数据流的处理要经j 童多个阶段，每一酚段对应一个功能模块，参与数 据处理的鑫个功熊模块髂为过滤器( f i l t e r ) 。各个过滤器接一定鹄颓序连接成条“流 查垡! ：递塑圣终! 过滤器之间的通过输入辕出接口( p i n ) 逶接。过滤爨鳆输入输出 1 6 华中科技大学硕士学位论文 接口的连接实际上是通过共享同一个环形缓冲区实现的，这样可以平滑由于过滤器之 间并行操作而引起的速度差异。 过滤器一般都有一个或多个输入口和输出口( 最前和最后一个过滤器除外，最前 一个过滤器没有输入口，最后一个过滤器没有输出口) 。按照接口情况，过滤器有以 下几种形式( 如图3 1 所示) ：只有一个输出口( a ) ；只有一个输入口( b ) ：一个输入口 一个输出口( c ) ：一个输入1 3 多个输出口( d ) ：多个输入口一个输出口( e ) 。 口咽口 图3 1 过滤器的基本形式 图3 1 中的矩形代表过滤器，箭头表示数据流的流向，数据流包括基本流( 音频 基本流、视频基本流等) 和复用流( 如m p e g 1 系统流，m p e g 2 传送流和节目流等) 。 其中的a 过滤器一般用于获取数据源，数据源可来自文件，因特网或外界模拟信号等： b 过滤器决定数据的最终去向，包括把文件存盘，或将数据送往声卡显卡显示等：c 过滤器是负责数据流的处理，如对压缩音频流进行解码，转化为无压缩音频流，或把 复用流转化另外一种复用流：d 过滤器为解复用器，把一路复用流分解为多路的基本 流：e 过滤器为复用器，可把多路基本流合成为