（计算机系统结构专业论文）无压缩视频服务系统的上载子系统设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要+ l 现行的硬盘播放系统大多为面向基于压缩的m p e g 一2 视频流的硬盘播7 放系统，这种硬盘播放系统造价相对较低，但是由于面向的是压缩的视频 流，图像质量损耗较大，不能满足未来的高清晰电视对画面质量的要求。 而面向无压缩视频流的无压缩硬盘播放系统由 有关的数据压缩，所以图像信号的完整性得到 过程不涉及到 无压缩视频服务系统的一个主要特点是数据量大，每秒的数据量约为 2 0 m 字节这样大的数据量不但要求播放时的服务器要有足够的i o 带宽用 于数据播放，另外也要求节目在从上载工作站上载到服务器时网络带宽要 超过2 0 m b 。根据上载模型，上载速度不但受到了网络带宽的限制，而且 还受到i o 带宽和缓冲区调度策略的限制。网络带宽方面由于采用了干兆 以太网，网络带宽基本上满足了要求；i o 带宽方面，由于采用了高速的 s c s i 设备，为系统消除了i o 方面的瓶颈；因此提升上载速度的瓶颈则突 出表现在缓冲区调度策略。 在上载系统的设计中使用了基于逻辑环的缓冲区，通过对一组缓冲区 片进行映射形成了一个缓冲区片环，从而使得对缓冲区的操作好像是对一 个环形缓冲区的操作。基于逻辑环的缓冲区可以使得多个线程可以对缓冲 区进行并行操作，从而提高了对数据的处理效率，针对共享访问缓冲区带 来的问题，提出了较好的缓冲区共享访问规则，在好的规则的支持下，避 免了共享访问有可能带来的问题，为高效的墼塑丝垄提供了安全保障。 关键词：无压缩视频服务系统；干兆以太网：萑牙逻辑环l 的缓冲区 ， 临界区 ，本项目受国家自然科学基金( 6 9 9 7 3 0 1 7 ) 的资助 编 采 咽少 震 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t + t h ec ur r e n th a r dd i s kb r o a d c a s t i n g s y s t e m ( h d b s ) i s m a i n l yo r i e n t e dt o c o m p r e s s e d m p e g 一2v i d e os t r e a m t h ec o s ti s c h e a p ，b u ti m a g eq u a l i t y i s n7 t p e r f e c ta n ds o m e t i m e sd i s t o r t i o nm a yh a p p e n i td o e s n ts a t i s f yt h en e e do fh d l 弋， b e s i d e s t h a t ，u n c o m p r e s s e d v i d e os e r v i c e s y s t e m ( u v s s ) n o to n i y h a sa h i g h q u a l i t yi m a g e ，b u ta l s od o n ti n v o l v ei nc o m p r e s s i n gd a t ai n t h ep r o c e s so f d a t ac o l l e c t i o n ，t h e r e f o r et h ei n t e g r a l i t yo fi m a g es i g n a lc a nb eg u a r a n t e e d t h eu n i q u ec h ar a c t e r i s t i co fu v s si st h a td a t at r a n s f e rr a t ei sa b o u t2 0 m b s i tn e e d sn o to n l yb i g hi ob a n d w i d t hf o rv i d e op l a y i n gs e r v e 5b u ta l s oe n o u g h n e t w o r kb a n d w i d t hi n u p l o a d i n gp r o g r a m s t h es p e e do f u p l o a d i n gs y s t e m i s a f f e c t e db yn e t w o r kb a n d w i d t h ，i l ob a n d w i d t ha n db u f f e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h e g i g a b i t5 t h e r n e ti ss e t u p i nu v s s ，w h i c he l i m i n a t e st h er e s t r i c t i o no fn e t w o r k b a n d w i d t h o nt h es i d e ，h i g h - s p e e ds c s id e v i c e sa l s oa r em a d eu s eo f , w h i c h i m p r o v e st l op e r f o r m a n c e t h e r e f o r eb o t t l e n e c ko fu p l o a d i n gs y s t e mm a i n l yi s b u f f e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m i nt h ed e s i g no fu p l o a ds y s t e m ，t h ec o n c e p to fb u f f e rb a s e do nl o g i cr i n g ( b b l r ) i sp u t t e df o r w a r d ag r o u pb u f f e rs l i c ei sm a p p e dt oab u f f e rs l i c er i n g ， s oa st oo p e r a t i o nt ob u f f e rs e e m st oo p e r a t i o nt oab u f f e rr i n g b b l rc a nm a k e m u l t i t h r e a do p e r a t et h eb u f f e ra tt h es a m et i m e ，a n di m p r o v e sd a t ah a n d l i n g e f f i c i e n c y f o ra c c e s s i n gs h a r i n gb u f f e r , an e wa c c e s s i n gs h a r i n gb u f f e ra l g o r i t h m i sd e s i g n e d ，w h i c hp r o v i d e ss a f e g u a r df o rh i g h - s p e e dd a t ah a n d l i n g k e y w o r d ：u n c o m p r e s s e dv i d e os e r v i c es y s t e m ：g i g a b i te t h e r n e t ；b u f f e rb a s e d o nl o g i cr i n g ：c r i t i c a ls e c t i o n 4 s u p p o r tb 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 t 6 9 9 7 3 0 1 7 i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 1 1 1 广播电视行业的数字化趋势 当今世界处于飞速发展的信息时代，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。电视技术从模拟向数字过渡是必然的发展方向，数字电视将传统的模 拟电视信号经过抽样、量化和编码成二进制数字信号，然后进行各种功钷 的处理、传输、存储和记录，也可以用计算机进行处理、监测和控制。数 字电视设备不仅可以获得比原有模拟设备更高的技术性能，而且还具有模 拟技术达不到的新功能，令电视技术进入崭新的时代。它令人们看到、听 到接近演播室质量的电视图像和c d 质量的声音，并令节目内容更丰富多 彩。不仅为人们提供高质量的视听享受，还提供数据、文字、图形和静止 图像等信息 1 - 2 】。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： l 、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，基本不产生新的噪声，保持信噪比基本不变，收端图像质量基本 保持与发端一致，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，消除了微分增益和微分相位失真引起的图像畸变。 3 、易于实现信号存储，使用各种数字处理，如帧存储器、数字特技机、 华中科技大学硕士学位论文 数字时基校正器，产生新的特技形式，增强了屏幕艺术效果。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。 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，通常为 模拟电视的l 4 左右，甚至更小，这样可以合理利用各种类型的频谱资源。 对地面广播来说，数字电视可以启用模拟电视的“禁用频道”，也可以采 用“单频网络”技术进行节目的大面积有效覆盖，如用一个数字电视频道 完成一套电视节目的全国覆盖：对于卫星传输及广播，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，特别是异步转移模式( 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。 正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各；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、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。全数字演播室在系统构成形式方面与传统模拟演播室基本没有变化， 只是基本设备内部及系统内部信号采用串行数字分量电视信号格式。 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 华中科技大学硕士学位论文 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。 1 1 2 硬盘播放系统逐渐成为电视台播放系统的主流 在电视台播出方式中，传统的磁带播出方式存在着很多缺陷，节目带化、 磁化等物理、化学问题影响导致节目图像质量劣化，因为清洗磁头、换机 播出会导致短暂停播。很多节目特别是广告节目经常需要重复播出。经过 多次录制，播出的图像质量相当不理想。随着人们对电视画面高质量的要 求，改革传统的播出模式己势在必行。 随着计算机业的飞速发展，非线性编辑率先运用于制作领域，近来用于 华中科技大学硕士学位论文 广告、新闻的串编和播放的硬盘播出系统也在一些电视台投入使用，用硬盘 这一媒体替代传统的磁带，其优越性己越发明显。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 ih 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 3 6 1 。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、亮 色失真和多次复制中的噪声积累，并极大简化了节目串编和播出工序，从 播出安全来讲，硬盘播出系统的生长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 7 - 9 1 。但是当前的流行的硬盘播出系统普遍存在着的以下三大缺陷： l 、由于在编辑过程中采用压缩方式，节目自然就有损耗，影响节目 质量。而做出高质量的，高清晰度的电视节目是电视人始终为之奋斗的目 标。 2 、无法适应未来高清晰度电视的需要。由于采用压缩方式，系统硬 件的带宽、速度和软件性能都不考虑高清的需要。因此一旦转为高清，便 面临着系统软硬件全面更换的局面。而发展高清晰电视已是近在眼前的事。 3 、编辑网与播出网存在连接障碍。由于目前大多数国内公司的软硬件 实力，无法编制统一音视频编码的，编播双网合一大型业务管理和经营管 理应用软件。而数字化电视的最终目标就是实现编辑网络与播出网络的双 网相连，实现智能化管理，提高从信息采集，前后期制作，直至整个系统 的工作效率和技术质量。 1 1 3 课题的来源、目的和意义 为了解决上述现行硬盘播放系统中普遍存在的问题而提出的，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厂面 向无压缩视频流的电视台视频服务系统，该系统吸取了现有的硬盘播出系 统的设计经验，并且结合无压缩视频流的独有特点，较好的解决了流行的 华中科技大学硕士学位论文 面向压缩视频流的硬盘播出系统中普遍存在的问题，使得系统无论是在系 统性能还是可靠性方面都有较好的表现。 。1 2 国内外概况 1 2 1 电视台硬盘播出系统国内外概况 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 m 一引，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。 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【1 4 l 。以下列举了泰克公司、惠普公司、d r m 、a s c 和s e a c h a n g e l 公司共五款硬盘播出系统，作简单的比较以供交流。 l 、泰克公司的硬盘播出系统p r o f i l e3 0 0 p r o f i l e ，应该说它是最早被大家所接受的硬盘录像机，早期的 p r o f i l e l o o 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 口外密硬 盘箱。主备机通过光纤通道连接，控制部分通过以太网联接。 华中科技大学硕士学位论文 泰克公司的视频公司在9 0 年底由g v g 公司收购，推出新一代视频服务 器p r o f i l e x p ，该机型采用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 le3 0 0 有很大提高。 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、全数字存储和重放播出，广泛用在体育 插播、多通道广播、节目重放、网络延迟、n v o d 、节目分配和d t v 播出。 该机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，以及帧精度标记入标记 出，如图1 1 所示。 图i i 惠普m e d i a s t r e a m 硬盘播出网络 采用i b pm p e g 一2 ( m p m l ) ，6 一l5 m b s 或者i b pm p e g 一2 ( 4 ：2 ：2 p r o f i le 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各机 独立存储，光纤通道联网方式，安全可靠。 3 、d r m 公司d o r e m e 硬盘播出网络 该系统采用光纤通道联网、共享存储的方式联网，如图1 2 所示，与前 述几款不同的是除了共享存储之外，其服务器外接多个视音频接口( v i d ) ， 视频输入通过该接口进行a d 变换、图像压缩编码后再通过s c s i 口传至服 务器再由光纤通道存储于硬盘塔。 该网络也是主机备机热备份方式工作，主备转换自动进行，为便于编 辑、上字幕等，该系统采用一j p e g 存储。在使用5 ：l 压缩比时，码率为 6 华中科技大学硕士学位论文 1 6 6 m b s 5 = 3 3 2m b s ，可达b e t a c a f f ls p 质量，1 0 04 、时需用硬盘 1 0 0 x3 6 0 0 x3 3 2 - b 8 = 1 5 0 0 g b ，1 8 6 硬盘需要8 3 个。 图1 2d r m 公司d o r e m e 硬盘播出网络 该系统采用m j p e g 存储，通过以太网可准确地寻找硬盘存储节目的 编辑点进行编辑，也可通过高压缩比以低数据率将图象传送到终端进行审 查，灵活方便，只是系统复杂，硬盘数量巨大，其可靠性和经济性均不宜 作为播出设备。 4 、力取公司的a s cv r 3 0 0 硬盘播出网络 力取( l e i t c h ) 公司的v r 3 0 0 光纤通道共享存储视频服务器，利用a s c 独特的f i b r e d r i v e 技术结合光纤通道环使所有工作站同时分享所有在线 的视频资料。一个单v r 3 0 0 就可连接5 个以上带光纤接口的硬盘塔。拥有 2 0 个以上i 0 通道的系统可联接超过1 0 0 个带光纤接口的硬盘塔，此方案 与我国众多的非线性编辑系统的联网方式类似，如图l 、3 所示。 一 7 华中科技大学硕士学位论文 w o r k s t a ti o n 5 w o r k s t a ti o n 6 s t o r a g e i s t o r a g e 图l3 力取公司的a s cv r 3 0 0 硬盘播出网络 该系统目前应用m - j e p g 方式存储，今后可升级到d v c p r o 和m p e g 一2 压缩标准。 5 、s e a c h a n g e 公司的m e d j ac l u s t e r 硬盘播出网络 图1 4s e a c h a n g e 公司的m e d i ac l u s t e r 硬盘播出网络 与前几种不同该系统采用服务器堆的工作方式，运用其自己独创的 先进设计思想一m e d i ac l u s t e r 技术设计而成。该思想由4 个核心部分综 合而成：多级故障自恢复技术：易于扩充的网络结构：多输入输出接口， 多u p s 电源共享，如图1 4 所示。 8 华中科技大学硕士学位论文 简单地说多级故障自恢复技术就是不采用传统的主备方式以减少冗 余，将任一输入口的输入的数据通过算法分配至每个节点服务器，再由每 个节点服务器分配至r a i d 磁盘。当任一r a i d 磁盘发生故障，以1 2 个硬 盘为一组，同组硬盘能够通过r a i d 算法维持播出，并自行恢复数据至换上 的新盘。而任一台服务器发生故障也同样由其它服务器维持播出并恢复数 据，此即两级数据保护。 该网络由最少三台最多至九台服务器( 节点) 组成，为提高可靠性， 每节点只配置宽口6 8 芯( u l t r aw i d t h ) 1 0 0 0 0r p m ，s c s i 硬盘1 2 个 ( 4 3 g b 9 g b1 8 g b 或3 6 g b ) 。若采用j 节点，1 8 g 硬盘，共有硬盘 l2 l 8 j = 1 0 8 0 g b ，若采用m p e g i i 格式存储，按8 m b s 的码率可存1 9 2 小时节目。该系统采用1o o m b s 工业标准双向快速的以太网联网，通过硬 件结构使每个节点均与其它节点互联，并采用m e d i ac l u s t e r 专利技术的 视频网络传输协议、称为s e a n e t 协议，该协议可满足处理高带宽传输通讯 的要求，并允许全部输入输出同时存取，访问共享的视频节目素材。其传 输效率高达8 0 以上。结构较光纤简单、可靠性高。 本系统以先进独特的设计思想做到两级数据保护。以软件的先进取代 对服务器可靠性的苛刻要求，同时降低了冗余，使硬盘的利用率达到8 0 以上，而主备方式的网络只有5 0 。另外由于多服务器协同工作可使输入 输出的通道大大增加，五服务器系统的i 0 可达到1 0 进1 0 出。 比较以上五款网络，泰克的p r o f i le 和h pm e d i as t e a m 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 i i 压缩。在现有的硬盘自动播出 系统中，绝大多数都是对压缩视频流的存储和播放，主要是采用m p e g 一2 压缩方式处理视频数据，随着高清晰度数字电视的出现，人们对视频图像 的质量将会有更大的提高，目前的m p e g - 2 的压缩方式将不能满足人们对高 质量图像的要求，而无压缩的硬盘播出系统由于不对图像进行压缩，则可 以保证图像的高清晰度，无压缩视频服务系统按c c i r 6 0 1 建议，采用4 ：2 ：2 ， 分量记录方式，可以更好的和正在蓬勃发展的高清晰度电视接轨。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 电视台无压缩视频服务系统的技术优势 无压缩视频服务系统吸取了现行硬盘播放系统的设计经验，并根据无 压缩视频流的特点，采用了先进的设计方案，使得系统在各个方面都有较 好的表现。具体技术优势如下： 1 ， 提供非压缩的最高品质的音视频流。 2 从节目最初的编播制作开始，直到播出，所有的编播、管理、 传输、保存都可以在网络上轻松完成。 3 建立编播一体、可扩展的中心海量存储系统，可以预设的临时 编排3 4 小时( 可选) 的备播节目，全部节目自动准时播出，精确 到帧。 4 一经播出的节目自动存为小体积、高画质、适合长期保存的d v d 光盘或数字录像带，转入资料库，以供几十检查和其他节目调用。 5 从电视台到播出部或其他超过【k m 的系统采用光缆传输确保画 质和传送速率。 6 建立编辑系统的前置中心服务器，连接各类编辑系统，达到各 类设备在网上互通共管。 7 在前置中心服务器和中心海量存储器之间设立审查协议，连接 相关的审查部分，经审定的节目自动进入中心海量存储器。 8 在前置中心服务器和中心海量存储器之间设立响应的输出协 议，未经许可不能随便调用。 9 在资料库设立相应的输出协议，未经许可，不能随意调用资料。 l o 在前置中心服务器中，各编辑系统之间设立相应的协议，未经许 可不能随意调用。 l1 该系统的输出端口是未来面向社会的开放式电视点播网的前 端。播放系统支持四路不同信号源模拟、数字、微波、卫星信号， 同时自动上载。提供两路独立输出端口。此两端口信号相互独立， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 互为备份。即可接至模拟输出设各，如c a t v 有线电视网等，又可 接至数字输出设备，如监视器等。 1 3 课题的主要研究工作 课题研究了无压缩视频服务系统中的上载子系统设计中碰到的一些问 题，并对这些问题进行了分析，分别对上载设计中各种影响上载速度的因 素进行了分析，指出了这些因素对上载影响的原因所在。 影响上载速度的原因主要体现在下面三个层次：网络带宽、系统i o 性能和缓冲区调度策略。系统高速度的数据传输率对网络带宽有着较高的 要求，在系统设计中通过使用千兆以太网从而满足系统在网络带宽方面的 要求；系统i o 的速度通过采用了速度较快的s c s i 接口，i o 性能也得到 了可靠的保证；因此在本章中重点讨论了缓冲区调度的策略。 在上载子系统的设计中使用了基于逻辑环的缓冲区，通过对一组缓冲 区片进行映射形成了一个缓冲区片环，从而使得对缓冲区的操作好像是对 一个环形缓冲区的操作。基于逻辑环的缓冲区可以使得多个线程可以对缓 冲区进行并行操作，从而提高了对数据的处理效率，针对共享访问缓冲区 带来的问题，提出了两种对缓冲区的共享访问规则，在这些规则的支持下， 避免了共享访问有可能带来的问题，为高效的数据处理提供了安全保障。 1 4 本章小结 本章简单介绍了当前广播电视行业的数字化趋势，分析了日益成熟的 计算机技术给广播电视行业带来的巨大变化，些在原来条件下无法达到 的特技效果在现在的情况下也已经变成了现实，因此广播电视行业的工作 效率有了很大的提高和改善。 + 电视台硬盘播放系统是近几年了最新出现的一种技术，它改革了电视 华中科技大学硕士学位论文 台过去的工作模式，大大减轻了工作人员的工作量，可靠性和稳定性方面 都有重大的提高，因此，现在的电视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。 现在的电视台播放系统大多采用了m p e g i i 的视频流，这种系统的优 点是造价相对较低，中小型电视台都可以接受，缺点就是采用了压缩的视 频流，图像信号有损耗。随着人们生活水平的提高，人们对图像质量的要 求必然也越来越高，这是现行的压缩视频流的硬盘播放系统无法达到的目 标，电视台无压缩视频服务系统正是应对未来的这种需要，配合高清晰 电视的逐步普及而开发的，相信在相当长的时间内必将有着技术方面的领 先优势。 2 华中科技大学硕士学位论文 2 1 系统概述 2 系统总体设计 电视台无压缩视频服务系统是一套以高速磁盘阵列为基础，千兆 以太网为基本框架的，能满足无压缩节目播出的，只要经过简单升级和更 换少量板卡便可满足即将到来的高清晰度数字化编辑、播出需要的电视台 计算机编播管理网络系统。该系统除了妥善解决了传统播控方式存在的节 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i l “”i 。 2 2 达到的要求、技术指标 播出系统是电视台不可缺少的重要组成部分，一个设计合理的自动播 出系统不仅可以提高播出质量和可靠性，可以降低播出人员的劳动强度， 而且还可以扩展播出功能。自动播出系统的设计者应综合考虑系统的可靠 性、播出功能及技术指标的合理性和先进性以及价格等方面因素【1 8 以9 1 。 具体性能要求如下： 1 视频质量达高清晰级 2 节目切换可精确到帧 3 可扩展性好，将来可以扩展出更多路输入输出用户端口 4 节点间以具有g b i c 端口的千兆网交换机相连接，传输速度可达 到o b p s j 可以实现上载的自动化 华中科技大学硕士学位论文 6 处理能力强，能处理数字录像机信号、模拟录像机信号、地方 台的微波信号及中央台的卫星信号 7 输出信号多样化 8 视频音频输出可直接制作d v d 光盘或数字录像带，为入库保存 和系统化检索提供良好基础 9 提供前置中- 1 5 , 服务器，可方便地连接各编辑系统或工作站，达 到各类设备在网上互通共管 1 0 视频分辨率：水平方向为7 2 0 象素，垂直方向为5 7 6 象素 1 1 音频采样速率为4 8 k h z l2 帧速率n t s c ：2 9 9 7 h z ，p a l ：2 5 h z l3 采用大型安全双供系统输出，两路独立播出，互为实时检测， 自动切换，确保系统能够容错性、安全性，系统切换达到安全同 步 2 3 系统硬件 2 3 1 硬件体系结构 硬件体系结构如图2 1 所示。主要由网络管理工作站、上载工作站、 编目工作站和存储播放服务器f 由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，为无压缩视频流的可靠、快速的传输做了网络带宽的保证。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，存播 服务器负责所有节目的播放，同时也配合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。 4 华中科技大学硕士学位论文 网路管理工作站上载工作站l上载工作站2 图2 1 系统硬件体系结构图 2 3 2 硬件组成 千兆位交换机 1 上、下载工作站 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 过短暂缓存才能上载，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。 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。 2 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、上载工作站、下载工怍站、编目工作站等的调度。其 主要任务在于：管理存储与播放服务器的状态变更；分配上传操作带宽：监 华中科技大学硕士学位论文 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。 3 存储播放服务器组 存储播放服务器组由4 台服务器、4 块视频播放卡及8 个4 3 2 g b 的高 速磁盘阵列构成，它主要完成数据的存取调度及视频数据的实时播放。存 储播放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。 存储播放服务器组采用2 x 2 方式，处于播放状态的服务器只有2 台， 且互为备份。服务器内部数据的组织、上传、播放可并发进行。系统中处 于上传状态的服务器可以有最多4 台。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。 4 于兆网络平台 干兆以太网为局域网提供1 g b p s 的带宽，同时继承了它的前驱以太网 1 0 b a s e t ，快速以太网1 0 0 b a s e t 的许多特点。它使用相同的以太帧格式和 帧长，允许全双工操作与流量控制( 8 0 2 3 x ) 。在半双工模式下，使用相同 的c s m a c d 介质访问控制，在网络管理中使用相同的管理对象( 如m i b 对象) ，因而在当前客户服务器计算环境的使用快速增长、多媒体应用日 益增多、高速网络流量要求激增的形势下，千兆以太网成了升级到高速网 络的理想选择。由于千兆以太网的这些特点，在主干网互连、高速以太交 换机互连、高性能服务器连接以及未来高端高带宽桌面计算机的使用方面 将得到广泛应用。 无压缩视频服务系统由于单位时间内传输的数据量较大，百兆网的网 络带宽不能满足它的要求，而千兆网凭借其带宽大的优势为无压缩视频服 务系统的实现提供了一个物理平台，是整个系统的重要组成部分。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 4 系统软件设计 2 4 1 总体设计目标 系统软件运行在上述平台上( 工作站的操作系统选择w i n d o w s2 0 0 0 p r o f e s s i o n a l ；存储播放服务器的操作系统选择w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 4 0 ) ， 用以实现电视台数字化视频服务系统的实时、同步、可靠、自动化和有效 工作。 系统软件主要包括5 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。系统软件结构框图如图2 2 所示。 2 4 2 系统控制子系统 一_ 圈旦重塑 塑圜 图2 2 系统软件组成图 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， 它是电视台数字化视频服务系统的控制中枢。其设计目标是协调节目上载 华中科技大学硕士学位论文 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。 为了有效地协调系统的运行，在系统总控中特别嵌入3 个控制模块( 子 系统) ：存储播放控制子系统、故障检测与诊断控制子系统、时钟同步控制 子系统。 对于节目上下载子系统向数据存储与节目播放子系统提出的上下载 请求，系统总控首先根据网络运行状态进行适当的预处理，再以适当的方 式提交存储播放控制子系统，存储播放控制子系统进一步根据存储播放服 务器、磁盘阵列的工作与负载状态做出响应；对于编目子系统提出的节目 单编辑更新请求，经系统总控许可后，交由存储播放控制子系统负责节目 单的编辑更新；对于存储播放控制子系统向上下载子系统提出的有关上 下载请求同样经由系统总控许可后，交由上下载子系统做出响应。 系统总控根据故障检测与诊断控制子系统给出的设备就绪状态、功能 子系统的运行状态等信息，采用文字或图表形式实时地进行系统运行状态 指示：当故障检测与诊断控制子系统报告系统发生故障时，系统总控进行 及时报警，以便工作人员及时采取措旌解除系统故障。 系统总控按照系统存储播放对节点的同步要求，合理地确定同步过程 的时间间隔参数，时钟同步控制子系统根据同步时间间隔适时地对系统主 要节点进行同步校时。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 3 数据存储与节目播放子系统 从磁盘阵列中读取音视频流，通过视频播放卡经由切换矩阵播出。存 储播放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 2 0 2 3 1 。 本系统采用了四个存储播放服务器，每个服务器下挂两个r a i d 0 级磁 盘阵列，四个服务器分为两组，每组的两个服务器互为备份。服务器的r a m 被逻辑地划分为两个缓冲区，一个用于服务器向磁盘阵列写，一个用于服 务器从磁盘阵列读，构成乒乓存储器，这样可提高网络带宽及存储服务器 和磁盘阵列的利用率【2 ”。四个存储播放服务器都可通过视频播放卡播放节 目内容，也都可通过存储g b i c 口上载节目( 成片) 。当a 组系统播放时， b 组系统上载；a 组系统播放一定时间后，可以启动一边播放一边上载。 反之亦然。同时，也考虑节目下载需求 2 5 - 3 3 。 存储播放子系统的软件部分包括存储播放控制子系统和存储播放服 务子系统。存储播放控制子系统嵌入在网管工作站主控程序中，存储播放 服务予系统则驻留在四个存储播放服务节点中。与存储播放服务子系统有 关联的有节目编目工作站、网管工作站、上下载工作站，切换矩阵。存储 播放服务子系统与它们之间都通过存储播放控制予系统进行交互。编播工 作站与存储播放服务器间采用c l i e n t s e r v e r 结构 3 4 - 3 7 】，存储播放服务器提 供数据表单，编播工作站通过o d b c 直接访问数据表单进行节目编排，存 在数据库的一份表单中，存储播放服务器据此表单顺序播放，且编播工作 站可随时对此表单中未播放部分进行修改。网管工作站与存储播放服务子 系统之间是c l i e n t s e r v e r 结构，它通过存储播放控制子系统来与存储播放 服务子系统进行交互，系统开启时，主控程序调用存储播放控制子系统，控 制协调存储播放服务器对音视频数据的存储与播放 3 8 - 3 9 。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 4 节目上载子系统 在不影响系统播出工作的情况下，完成规定的上载任务。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。 根据需要制定上载任务，根据制定的上载任务向总控发出上载请求， 接到上载确认之后建立与存储服务器之间的数传连接。 数传过程中，可以根据任务的优先等级进行动态的处理：处理紧急任 务时，暂停某一任务；取消某任务，并通知总控删除已上载的内容：收取 总控信息，恢复先前被中断的传输。 2 4 5 节点时钟的同步调整子系统 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、组件按照统一的时间基准运行。系统采用标准授时设备，可外 接c c t v 信号，解码标准北京时间，并以此为基准设定系统中其他组件或设 备的时间。 系统总控每间隔一定间隔向各服务器发起轮询，得到各服务器当前时 间后，加上网络延迟平均值( 试验得出的统计数据) 与通过授时设备获得 的标准时间进行对比，若有超出允许的时间偏差范围，就发送系统重新校 时命令，各设备收到命令后运行其校时程序，重新对时。 2 4 6 网络节点的故障检测与诊断子系统 设计目标是实时的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，并可对出现的异常与错误能够尽快予以恢复。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。故障检测与诊断节点子系统收集本地的硬件和软件两方面的信 2 0 华中科技大学硕士学位论文 息，通过判断，非正常时发送消息给故障检测与诊断控制子系统。另外， 故障检测与诊断节点子系统通过定时给故障检测与诊断控制子系统发送活 动消息表明自己的工作状态。若故障检测与诊断控制子系统在一定的时间 间隔内未收到这个消息，应认为故障检测与诊断节点子系统有问题。故 障检测与诊断控制子系统主动探询各个节点的工作状态、接收各个节点传 送来的消息、判断各个节点的总体工作状态、通知值班人员、将各个节点 的总体工作状态信息填入总控的状态表中。故障检测与诊断节点子系统侦 错节点子系统收集本地硬件工作信息、收集本地应用程序工作信息、判断 本地工作状态、发送本地状态信息给故障检测与诊断控制子系统。 2 5 本章小结 在本章中，对整个电视台无压缩视频服务系统的设计进行了分析 和讨论，对整个系统的模型进行了概述，初步描绘了整个系统的各个环节。 整个系统硬件层次上包括干兆位交换机、上载工作站，存储播放服务 器，网络管理工作站和编目工作站。存储播放服务器带有大容量的阵列， 可以用来存放长时间的节目数据。上载工作站具有采集和上载的功能，并 可以同步实现两个功能。 整个系统软件层次上包括了上载子系统、数据存储与节目播放子系 统、网络管理子系统、网络监测子系统和时钟同步对时子系统。上载子系 统主要完成节目的上载：数据存储与节目播放子系统主要完成有关上载节 目的接收和节目源的定时播放；网络管理子系统主要完成网络资源的管理、 节目单的发送：网络监测子系统主要完成网络节点的监测和纠错；时钟同 步对时子系统主要完成各节点时钟的校时。 2 i 华中科技大学硕士学位论文 3 1 上载模型 3 上载子系统的设计 通过上章的描述，服务器播出的所有的节目均来自于阵列，所以所有 的节目资源都要先通过上载工作站上载到服务器所挂接的磁盘阵列中