（模式识别与智能系统专业论文）电视延时器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 电视台是当今最重要的传播媒介和舆论阵地之一。它通过提高播出信号的质 量、内容和播出时间等各项指标，保障其能够发挥正确的舆论作用。随着电视台 播出质量的提高和播出形式的变化，现场直播的形式正在得到广泛应用。在现场 直播过程中，尽管播出机房内相关设备的安全性和稳定性已经得到了很大提高和 保障，但是由于多种原因往往造成意想不到的情况发生。一种避免现场直播过程 中出现的意想不到的情况播出的有效方法是，对现场直播节目进行适当的延时， 使导播有足够的时间判断处理而不影响节目播出的时效性。 基于上述现状，本课题设计了一个延时器。该延时器主要实现了以下三个功 能：首先是延时播出，这是延时器的基本要求。根据需要，可以设定延时时间的 长度；其次是直通播出，在需要把现场节目直接播出的时候，就启用该功能；最 后是垫片播出，在直播现场有异常情况的时候，用事先准备好的内容替换录入的 现场信号播出，保持播出的连续性。 在设计和实现过程中，首先完成了延时播出的功能：根据选用s d l 0 0 板卡提 供的开发包和延时器功能需求，设计了相关的函数，实现了节目的录入和播出。 通过在内存中缓冲录入的音视频数据，当数据达到延时时间所需要的存储量时启 动播出线程，实现了延时播出的功能；接着实现了直通播出的功能：它直接调用 延时播出模块中设计的录入和播出线程，录入的数据不在内存中缓冲直接播出； 最后实现了垫片播出的功能：根据垫片播出的需要，设计了一个用于垫片播出的 线程，把垫片内容从磁盘中读出替换录入的数据播出。 最终，该延时器实现了延时播出、直通播出和垫片播出的功能，并且可以在 这三个模块之间任意切换。通过测试，达到了延时播出器的性能指标。 通过该延时器可以有效地避免直播过程中现场不雅内容的播出，提高了电视 台的播出质量，增加了播出的安全性。 关键词：延时，数据传输，多线程，安全播出 a b s t r a c t t vs t a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i e l d si nt h em e d i aa n dp u b l i co p i n i o n b y i m p r o v i n g t h ei n d i c a t o r so ft h eq u a l i t yo fb r o a d c a s t i n g s i g n a l ，t h e c o n t e n to f b r o a d c a s t i n ga n dt h eb r o a d c a s t i n gt i m e , t vc a np l a yt h er i g h tr o l eo fp u b l i co p i n i o n w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h eb r o a d c a s t i n gq u a l i t ya n dt h ed i v e r s i t yo fb r o a d c a s t i n g f o r m s ，t h ef o r mo fl i v eb r o a d c a s t i n gi sb e i n gw i d e l yu s e d i nt h ec o u r s eo ft h el i v e b r o a d c a s t i n g ，- , l t h o u g ht h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h eb r o a d c a s t i n ge q u i p m e n ti nt h e e n g i n er o o mh a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l y , s o m et h i n g st h a tw ec a n t f o r e c a s tm a y h a p p e n d e l a yb r o a d c a s t i n gi sa l le f f e c t i v ew a y t oa v o i ds o m eb a dt h i n g sb r o a d c a s t b y t h i sw a y , i n s t r u c t o r si nb r o a d c a s t i n gh a v ee n o u g ht i m et od e a l 、析也t h ee m e r g e n c ya n d w i t h o u ta f f e c t i n gt h et i m e l i n e s so fb r o a d c a s t i n g b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，ad e l a y e ri sd e s i g ni nt h i sa r t i c l e i ta c h i e v e st h r e e m a j o rf u n c t i o n s f i r s t ，i ti sd e l a y e db r o a d c a s t ，w h i c hi st h eb a s i cr e q u i r e m e n to fd e l a y e r t h ed e l a yt i m ec a nb es e r i n ga c c o r d i n gt ot h ed e m a n d s s e c o n d ，i tc a nr e a l i z e i m m e d i a t eb r o a d c a s t w h e nt h el i v ep r o g r a m m i n gi sd i r e c t l yb r o a d c a s t e d ，t h i sf u n c t i o n i se n a b l e d t h el a s t , i ti st h er e p l a c i n gb r o a d c a s t i n g w h e na l le m e r g e n c yc o n d i t i o n h a p p e n s ，i tc a nb er e p l a c e db y t h ep r o g r a mt h a tw eh a v ep r e p a r e da n dt h ec o n t i n u i t yo f t vp r o g r a mc a nb em a i n t a i n e d w h e nt h ed e l a y e ri sd e s i g n e da n dr e a l i z e d ，t h ed e l a yf u n c t i o ni sa c h i e v e df i r s t l y w i t ht h eh e l po ft h es d ko fs di0 0 ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h e d e l a y e r , w ed e s i g n e ds o m ef u n c t i o n st om a k et h et vp r o g r a mb er e c o r d e da n dt h e nb e b r o a d c a s t e d t h ed a t ao fa u d i oa n dv i d e oi ss t o r e di nt h em e m o r y w h e nt h ec a p a c i t yo f d a t ar e a c ht h ed e m a n d so f t h ed e l a yt i m e ，t h et h r e a do f b r o a d c a s t i n gs t a r t su p t h ed e l a y b r o a d c a s t i n gp r o g r a mi sa r c h i v e d i nt h em o d eo fi m m e d i a t eb r o a d c a s t i n g ，t h et h r e a d s o fr e c o r d i n ga n db r o a d c a s t i n gt h a ta r ea c h i e v e di nt h em o d eo fd e l a yb r o a d c a s t i n ga r e r e u s e d t h ed a t ao fr e c o r d i n gi sb r o a d c a s t e di m m e d i a t e l ya n di sn o ts t o r e di nt h e m e m o r y t h el a s ti st h em o d eo fr e p l a c i n gb r o a d c a s t i n g an e wt h r e a di sd e s i g n e da n di t c a nb r o a d c a s tt h ep r o g r a mw h i c hw a ss t o r e di nh a r dd i s k f i n a l l y , t h ef u n c t i o no fd e l a yb r o a d c a s t i n g ，i m m e d i a t eb r o a d c a s t i n ga n dr e p l a c i n g ! 塑! ! ! ! ! 兰! 一一 - _ _ _ _ _ - _ l _ - - _ _ _ _ _ l _ - - _ i _ _ _ _ _ _ _ 一一 b r o a d c a s t i n gi sr e a l i z e di nt h ed e s i g n ，a n dt h e s et h r e ef u n c t i o n sa l s oc a n b es w i t c h e da s r e q u i r e d t h et e s t i n gr e s u l ts h o w s t h a ti tm e e t st h ed e s i g np u r p o s e u s i n gd e l a y e r , t h eu n h e a l t h yb r o a d c a s tp r o g r a m c a l lb ea v o i d e d ，t h eq u a l i t yo f b r o a d c a s t i n gc a l lb ei m p r o v e d ，a n dt h es e c u r i t yo fb r o a d c a s t i n g i sg r e a t l ye i l h a n c e d k e y w o r d s ：d e l a y ；d a t at r a n s f e r ；m u l t i t h r e a d i n g ；s a f eb r o a d c a s t i n g h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：i 墓笠篁 日期：舢7 年6 月2 e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： l 裂垒筮 导师签名：泌 日期：扣7 年 4 p 调口日 第一章引言 第一章引言 1 1 开发背景 耳 广播电视是当今世界上最重要的传播媒介之一，是社会和经济发展的必然结 果【l 】；同时，它对社会进步和经济发展也起到了巨大的推动作用。作为电子传媒， 广播电视事业在信息时代面临着机遇和挑战。所谓机遇因为广播电视是重要的信 息载体，在信息化时代应该有其更加广泛的生存和发展空间；所谓挑战因为这种 传统的信息载体正面临着现代化通讯、互联网等新兴信息载体的挑战。 在市场经济条件下，我国广播电视面临着“内挤外压”的竞争局面。“内挤”是指 行业内和国内不同媒介间的激烈竞争，例如电台与电台之间、电视台与电视台之 间、广播电视媒介与印刷媒介之间以及与互联网媒介的竞争、广播电视传输网络 与其他传输网络之间的竞争等；“外压”是指我国的广播电视业与国外的各种传播媒 介之间的竞争。为在“内挤外压”的形势下求生存求发展，我国广播电视业整体和业 内的各法人主体只能选择竞争，走产业化的道路。近2 0 年来，以数字技术、卫星 技术、光传输技术和网络技术为代表的新技术正在给广播电视的发展带来革命性 的变化。技术的发展决定着广播电视的节目制作质量、传输质量和覆盖范围，这 些因素都是广播电视业产业化竞争发展的手段。 广播电视产业化的发展，需要得到良好的收视率，吸引更多的观众，更快更 好的占有广大市场。通过迅速增加现场直播节目、卫星直播节目和谈话类节目， 听众更多地参与到广播电视节目的直播中；为追求更多的时效性、趣味性，越来越 多地直播接听打入的电话和群众性娱乐活动，成为各类节目中非常吸引听众的部 分。现场直播形式不仅可以体现电视节目的快速、准确、实时性，而且减少了播 出画面的质量损失，有效的吸引了广大群众，提高了收视效果【2 】。 现场直播的形式为广播电视带来了良好的市场，是广播电视产业化发展的巨 大动力。在电视播出中，直播的形式占有越来越多的比重，逐渐成为了播出的主 要形式。由于广播电视是重要的舆论阵地和传播工具，承担着传播科学理论，先 进文化，塑造美好心灵，弘扬社会正气和倡导科学精神的艰巨任务。江泽民同志 曾说：“新闻舆论，作为上层建筑、意识形态的一个重要组成部分，由于其自身的 特点和优势，同政治、经济、文化生活的各个领域，都有着密切的联系，都会产 1 电子科技大学硕士学位论文 生广泛而深刻的影响。”因此，确保播出的安全性，严肃性和完整性非常重要。 为了保证播出的安全性和严肃性，如何从技术角度避免直播过程中事先不可 预料的事故播放，一种有效地方法就是对现场直播节目进行适当的延时，使导播 有足够的时间判断处理而又不影响节目播出的时效性。一旦直播现场出现不正常 情况，在设定的延时间隔内，对已录入还未播出的音视频信号进行剪切、编辑并 替换为硬盘中其它合适的素材，或以人眼不易觉察的速率( 正常速度的o 8 倍1 2 倍) 稍快或稍慢播放，以保持相应的延时量。 利用延时技术，系统可以对直播内容编辑处理。例如：在延时系统的后端编 辑，可以将直播活动中不精彩、不吸引人的内容删除，从而调整直播节奏、确保 直播质量。通过延时播出系统，将广告事先导入到延时系统中，在后端同直播内 容组合编辑，这起到了很好的传播效果。延时播出系统为直播内容又把了一道关。 通过延时播出，对不适宜播出的内容进行拦截和删除，尤其是在转播境外节目时， 面对敌对势力对广播电视播出系统的破坏，延时技术有效的保障了播出节目的安 全。 延时技术在广播电视播出工作中的应用越来越多，也越来越重要。播出系统 作为电视台节目面向观众的最后一道关口，采用延时播出技术，对于保障广播电 视台播出的严肃性，完整性，维护广播电视宣传机构的形象，避免出现政治错误， 避免出现主持人打喷嚏等方面起着极其重要的作用。因此深入了解延时播出技术， 在广播电视播出系统中正确使用延时技术是非常必要的。 1 2 延时播出系统综述 在广播电台、电视台的播出系统中，录入的现场信号经过延时器之后，再送 入播出系统播出，组成了延时播出系统。通过延时播出系统，可以提高声音清晰 度、修正音视频不同步，避免直播过程中现场不雅内容的播出等。因此，延时技 术一直受到广电行业的关注【3 j 。 在广播电视直播节目中，延时器的使用方法有两种：一种是前端延时；另一 种是后端延时【4 】。根据延时器接入播出系统中位置的不同，分别称为前端延时播出 系统和后端延时播出系统 5 】【6 】。这两种方法各有不同的特点和使用范围。 前端延时是把延时系统接入播出系统前端，即把音视频信号延时后，再送入 演播室的切换台，而后经过切换送入播出系统。图1 1 为前端延时播出系统框图。 2 第一章引言 音视 卜 延时 八 切换台 八 播出 频信号系统v 。系统 图1 一l 前端延时播出系统框图 前端延时播出系统如图所示。若把延时时间设为2 0 秒，则进入切换台的音视 频信号是被延时2 0 秒后的信号。该延时方式比较适合于直播中需要用到外来信号， 且外来信号不确定性较大的情况。例如：体育赛事转播。从卫星接收下来的信号 配以演播室主持人的解说这样的播出形式。导播室的工作人员可以看到从卫星接 收的实时信号和延时2 0 s 后的信号。而演播室内的主持人只需看到延时2 0 s 后的信 号并加以解说即可。当卫星信号出现不良信息或中断信号时，导播室的工作人员 可以有不超过2 0 s 的时间做出应急处理。导播室可以将画面切至主持人或录像机内 的垫片播出素材。观察实时信号，等其恢复正常之后再切出。前端延时的方式特 点是操作相对简单，但只能局部延时。若出现其它情况则难以控制。 后端延时是把直播音视频信号直接送到演播室，演播室把播出信号延时后， 再最终送往播出系统。图1 2 是后端延时播出系统框图。 图l - 2 后端延时播出系统框图 若把延时时间设置为2 0 s ，则节目直播的一切工作都要比播出时间提前2 0 s 。 当节目出现不良信息时，工作人员同样具有不超过2 0 s 的时间做出应急处理。切换 台可以切换到垫片播出素材。2 0 s 之后在延时器打回到延时状态。这时延时器输出 的是2 0 s 之前的信号。正是录像机所播放垫片素材的开始部分，工作即可恢复正常。 在观众眼里看到的是该垫播素材被播放了两边。后端延时较前断延时方式复杂， 但是后端延时能够整体工作，便于控制全局。 目前流行的延时播出系统，多采用t h o m s o n 公司的p r o f i l e 系列、s o n y 公司的m a v 7 0 x g i 、m a v 5 5 5 等组成的延时播出系统。这些设备由于价格昂贵， 开发出的延时播出系统价格昂贵，其用户群为中央或省级电视台，限制了它的使 用范围。采用固件延时器组成的延时播出系统，由于其存储量小，只适合于广播 电台延时播出的需求，不适合需要存储大量数据的电视台延时播出的需要，而且 3 电子科技大学硕士学位论文 垫片播出的内容不能够在后端进行编辑，限制了它的使用。因此，需要设计出适 合电视台延时播出需要的延时播出系统。 1 3 本课题的主要工作及组织结构 本课题来源于广播电视台的直播节目、互动节目等的需求。本文的主要工作 是如何实现延时播出，直通播出和垫片播出；如何使软件容易操作，性能稳定。 为了完成这个目标，需要解决以下几个问题： 1 系统的稳定性。要确保系统能够长时间稳定的工作。 2 系统功能的完整性。延时器除了具有延时播出的功能外，还需要有直通播 出和垫片播出的功能。 3 系统的功能容易扩充。当出现新的功能需求的时候，系统应该具有良好的 扩展性。 4 操作方便和灵活。在出现紧急情况时，能够简单方便的进行切换。实现无 缝切换，保持播出连贯性。 本文将详细介绍延时播出系统以及一些相关的知识，包括延时器的发展过程， 设计和实现等。论文的组织结构主要分为以下几个章节： 第一章：介绍了电视延时器开发的背景及延时播出系统的现状，说明了延时 技术发展的必要性。 第二章：分析了市场上现有的延时器，对比了它们的特点；提出了该电视延 时器的功能和需要满足的性能指标，最后给出了延时播出的具体实现方案。 第三章：介绍了延时器的硬件平台选择和软件的整体设计与实现。详细介绍 了软件模块的设计和实现过程。 第四章：介绍了延时器的调试过程和测试结果。给出了调试过程中遇到的主 要问题及解决办法，给出了最终的测试结果。 第五章：总结了整个研究工作的成果。 1 4 本章小结 本章首先介绍了广播电视技术的发展，促使了广播电视技术的产业化发展。 在产业化发展中，为了占用广阔的市场，现场直播的形式得到越来越广泛的应用。 为了避免播出过程中出现的负面效应，直播节目中越来越多的采用延时播出的方 4 第一章引言 式，介绍了延时播出的作用。然后，介绍了延时播出系统。最后，概括了论文的 组织结构。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章延时器的现状分析和功能设计 随着近年来计算机软硬件技术的发展，音视频产品不断更新，已经有越来越 多的基于计算机平台的音视频产品替代了传统的复杂且昂贵的设备。从早期的字 幕机到后来的非线性编辑，再到如今的硬盘播出和虚拟演播室，无不是电脑介入 广电领域的鲜明例证。在广播播出中，由于访谈类直播节目大量增加，且听众直 接参与。为了防止意外发生，延时器已在广播直播节目播出中使用多年。其性能、 功能都已经很成熟完备，该类产品国内生产的也非常多；在电视播出方面，使用 延时器是近年来才开始的，主要原因并不是以前没有这个需求，而是由于以前的 技术尚不足以生产出足够稳定可靠、性能指标达到电视播出要求的产品。随着技 术的进步，电视播出信号延时得以轻松实现。现在电视播出用音视频延时器产品 也不断出现。本章将对现有的延时器进行分类介绍，然后比较其特点，根据现有 延时器的特点设计本文延时器的功能，给出具体指标和实现方案。 2 1 延时器的现状分析 延时器根据其实现方式的不同可以分为两大类：固态延时器和硬盘延时播出 系统；按照其输入输出信号性质分类：按照其输入信号性质可分为模拟播出系统 用延时器和数字播出系统用延时器；按照使用用途分类：延时器可分为音频广播 用音频延时器和电视广播用视音频延时器。本节按照其实现方式的不同，详细介 绍了固态延时器和硬盘延时播出系统。 2 1 1 固态延时器 固态延时器是使用固态存储器件r a m 写入一定时长的数字播出信号，在经过 一定的延时时间后再读出播出。由于存储器件容量有限，所以固态延时器的延时 时间是非常有限的，般为数十秒。 按照输入信号的性质，固态延时器又分为模拟固态延时器和数字固态延时器。 模拟固态延时器是指输入输出均为模拟信号接口的产品，该产品一般属于专 业级的。其原理框图如图2 一l 所示： 6 第二章延时器的现状分析和功能设计 图2 1 模拟播出系统用固态延时器 由图2 1 可见，实际上延时器内部处理的信号均为数字信号。因此模拟信号必 须经过a d 转换方可处理；在输出端，再经过d a 转换还原成模拟信号。每个a d 、 d a 转换环节都会造成信号损失，可见延时器用于模拟播出系统是极不经济的。 数字固态延时器是指输入输出均有数字( s d i a e s e b u ) 信号接口的产品， 该类产品一般属于广播级的。其原理框图如图2 2 所示： 图2 - 2 数字播出系统用固态延时器 由图2 2 可见，延时器用于数字播出系统处理更简洁，性能更好，且提供了模 拟输出信号接口。 固态延时器出现的早，技术成熟。现在，对美国e v e n t i d e 公司b d 延时器系 列产品中的一种b d 6 0 0 给以介绍【刀【8 1 。 美国e v e n t i d e 公司一直致力于广播专业领域的设备研究与开发，多年来设计 并生产出了许多音视频设备，在数字广播延时器的开发方面，是开拓先驱。其设 计生产的b d 6 0 0 延时器，功能齐全、用户操作方便且直播安全可靠系数比以前该 系列产品有很大提高。因而，大大减小了串入延时器对节目质量的影响。 b d 6 0 0 数字延时器的信号流程图如图2 3 所示： 7 电子科技大学硕士学位论文 数字信号 图2 3b d 6 0 0 数字延时器的信号流程图 其中d s p 存储器这一组成模块，是确定延时器延时量的核心部分。工作原理 是：模拟音频信号经过a d 转换成数字信号，然后送入d s p 卡。在存储器中按照 先进先出的原则顺序通过。在主板中单片机控制部分通过相应的程序设置，对数 据流进行删除、建立延时、退出延时等功能的控制。经过处理后的数据信号直接 有a e s e b u 接口输出或经过d a 转换后输出。 b d 6 0 0 数字延时器在延时状态时，延时时间是由延时缓冲器的存储量与存储 器内数据提取速度的比值确定的。在实际操作时，主要是通过各种功能按键发出 控制命令，实现不同的寻址方式和改变存储数据的速度，从而实现各个功能。 b d 6 0 0 数字延时器的功能包括以下几个方面t 夺建立延时。开始时缓冲器中没有存储内容，数据进去后马上播出；然后， 延时缓冲器存储量逐渐增加，直到所设定的延时时间所需要的存储量。 夺延时量归零。这个功能与建立延时的功能相似。它是建立功能的逆过程。 夺等待安全延时。该功能使延时器的工作状态从直通转换到需要的延时量的 延时状态。 夺喷嚏功能。该功能是在主持人想要打喷嚏或咳嗽时，按住该键。发出的控 制命令能够使延时缓冲器内数据的提取逐步向后寻找，减少延时存储量。 令删除功能。该功能是在不雅语句发生后，删除不雅的语句，从而保证节目 质量。删除功能可以连续操作。 夺应急功能。该功能将延时缓冲器里的全部存储内容清除。同时将会自动输 出一个配置的c f 卡内存储的音频文件，之后重建延时缓冲器的存储量。 在投入使用时，对延时器的输入输出电平进行校正、调整，确保最佳的播出 8 第二章延时器的现状分析和功能设计 质量。根据需要，选择模拟输入还是数字输入及模拟输出或数字输出。 固态延时器具有以下特点： 稳定可靠，不必担心死机、病毒、千年虫等问题。 操作简便，免除安装调试系统软件等种种繁琐事项。 所有设置调节在面板上直接操作。 体积小，1 u 机箱上架安装。 夺音频延迟时间的可选范围为1 秒至8 0 秒。 令具有断电直通功能、旁路功能。 具有时基校正和帧同步功能。 夺标准的数字( a e s e b u ) 和模拟输入输出接口。 2 1 2 硬盘延时播出系统 硬盘延时播出系统是针对电视播出而言的。因为音频广播在延时播出的时候， 需要存储的信息量少，一般不需要用硬盘作为缓冲来实现延时播出的功能。硬盘 延时播出概念是在1 9 9 3 年才提出来的。当时，美国t e k t r o n i x 公司在国内推荐其 p r o f i l ep d r l 0 0 系列硬盘录像机时( 该系列的硬盘具有独立的双向通道同时录入 和播出的特点) ，曾大力推荐其延时播出的功能。现在，基于硬盘播出系统的延时 器在国内已经很普及，基本的技术指标，可靠性和功能已经有了极大的提高。如 今，延时播出只是硬盘播出系统的一个最基本的功能【9 儿1 0 】。 当今直播节目越来越多，群众对播出质量的要求也越来越高。从视觉处理上 以及插播广告的经济价值等方面，需要在直播的过程中，对输入信号进行处理， 达到良好的视觉效果；同时，对插播的广告编辑，取得最大的经济效益。固件延 时器难以满足这些方面需要，所以基于硬盘播出系统的延时器应运而生【1 1 儿1 z j 。 基于硬盘播出系统的延时器播出结构框图如图2 4 ： 数罕- n 播信号 一 措出佰羞 一 一 数字 硬盘 信号 播出 墓越真垫堡；模拟 一_ 调度 延时 一 信号 矩阵 系统 调度 一- 卜加 矩阵 一 一 图2 _ 4 基于硬盘播出延时系统播出示意框图 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 中，虚线为模拟信号，实线为数字信号。广播电视正在由模拟电视向数 字化方向发展，一个相当长的时间内，模拟信号和数字信号同时存在。广电总局 宣布，到2 0 1 5 年底停止模拟电视的播出【1 3 】。因此，在基于硬盘播出系统实现延时 播出时，要考虑目前仍旧参与直播的模拟信号。 下面对北大方正推出的f v d 硬盘音视频延时播出系统给以介绍。北大方正 f v d 硬盘音视频延时播出系统【1 4 】的基本构架如图2 5 ： 音视频延时器l 器7 一 输入信号卜一岭 输出信号 ij 图2 5 北大方正硬盘音视频延时播出系统基本架构 它由音视频信号的输入接口，工控计算机构成的f v d ( f o r w a r dv e r s a t i l ed i s c l 及控制延时播出的软件，音视频信号的输出接口组成。其特点是：线路连接简洁； 延时操作相对简单；能较为准确的覆盖出错点而尽可能减少覆盖正常信号；延时 量可以在比较宽的范围内选择；可以把事先准备好的信号录制到硬盘中，在垫片 播出的时候，点击相应的按钮即可。 该延时播出系统的几个基本参数如下： 夺延时时间：实际播出信号与现场直播信号的时间差。 夺出错点：现场信号出现不正常内容的开始时刻。 夺手动覆盖时刻：当看到现场信号出现不正常时，手动操作加入垫片的内容。 播出垫片的时刻为手动覆盖的时刻。 夺缓冲时间：由于手动覆盖时刻滞后于出错点，为保证垫片能全部覆盖出错 信号，垫片开始时刻需要提前到手动覆盖时刻之前的出错点。这个提前时间量称 为缓冲时间。 夺垫片结束时刻：现场信号恢复正常后，手动返回延时播出信号，垫片播出 结束的时刻。 在具体实现延时播出的过程中，北大方正f v d 音视频延时播出系统将现场信 号录入到硬盘中，供延时播出使用。延时时间的长短可以自由设定，这个量的选 取方便灵活，可以根据需要合理选取。缓冲时间可以根据操作人员的反应速度来 设定。通常情况下，操作人员看到现场直播信号出现异常到切换到垫片播出操作 需要的时间，通常需要1 到2 s 。因此，选取的延时量要大于这个值，可以确保异 常信号被完全覆盖。 该产品的特点如下： 1 0 第二章延时器的现状分析和功能设计 可变延时。提供1 0 秒以上的延时量。延时量最长时间为9 小时，且可以 扩充。 令多种控制方式。手动启动采集和播出；也可以预先设定录制和播出时间， 系统按时自动启动。 夺垫片覆盖。对不适当的输入信号进行截断，并输出垫片覆盖。 广播级规范。系统接收c c t v 逆程或g p s 同步时钟。 令提供适应各级画面质量的采集码率。 令接收模拟或数字音视频信号。 2 1 3 延时器的特点比较 通过以上两节的介绍，我们对现有延时器有一个整体的了解。现在对上面两种 类型的延时器特点比较如表2 - 1 所示： 表2 1延时器特点比较 特点 固态延时器硬盘延时播出系统 延时量 数十秒几乎没有限制 操作方式简单相对复杂 可扩展性不容易扩展容易扩展 垫片编辑 不能够编辑 可以编辑 投资经济投资大 系统架构简单复杂 令延时量 固态延时器由于使用的存储器件数量和容量有限制，所以延时时间较短。一 般情况下为数十秒左右；而基于硬盘的音视频延时播出系统的延时量可以足够大， 随着硬盘技术的提高，容量和速度都已不成问题，延时时间可以非常长。 操作方式 在正常播出的情况下，使用固态延时器操作非常简单。只需要在紧急情况下， 操作相应的按钮即可；而使用延时播出系统，操作相对复杂，对其的使用要经过 一定的培训。 。 夺可扩展性 固态延时器在投入使用后，它的功能已经固定，不能够在进行功能升级。若 电子科技大学硕士学位论文 需要的功能发生变化，只能够更新设备；而使用延时播出系统，可以在不改变硬 件环境的情况下，对软件进行升级，实现新的功能，可扩展性好。 夺编排垫片内容 在固件延时器中，存储的垫片内容在开始播出的时候，需要预先录入，且长 度大小有限。在开始工作之后，就不能够改变其中的内容。在突发情况大于垫片 内容长度的时候，只有采用垫片内容循环播出的方式来覆盖不适宜的内容；使用 延时播出系统，在开始播出前和开始播出后，都可以设置垫片内容。可以编排垫 片的内容，使多个垫片循环播出。 夺系统架构 在使用固态延时器来实现延时播出的播出系统中，播出系统简洁，单台硬件 设备即可，设备量小；在使用基于硬盘的音视频延时播出系统时，播出系统复杂， 首先需要有一个大的硬件平台；其次，还有复杂的软件系统，设备的数量和维护 任务比较大。 夺投资 固态延时器设备简单，一般为单通道的产品，投资比较小；而基于硬盘的延 时播出系统一般为多通道产品，设备量大，投资大都在数十万以上。 2 2 电视延时器需求分析 2 2 1 功能需求分析 通过现有延时器的比较，找到了现有延时器的不足。固态延时器不适应电视 台延时播出的需要，硬盘延时播出系统成本太高。因此，本方案中采用一块音视 频i o 卡和普通的计算机设计实现了一款电视台用的延时器，满足现在市场的需要。 首先根据市场上现有延时器的功能和特点及电视台延时播出的需要，设计的电视 延时器的工作界面如图2 1 0 所示。 1 2 第二章延时器的现状分析和功能设计 图2 - 1 0 电视延时器的工作界面 根据现场直播过程中的需求，电视延时器划分为三个模块：延时播出模块， 直通播出模块和垫片播出模块。每个模块要完成自己的功能并且各个模块之间要 能够相互配合，完成系统的全部功能。具体操作如图2 - 1 0 所示。在启动延时器之 后，直接进入垫片播出模式。播出模式为垫片播出。根据需要，可以设置延时时 间，进入延时播出模式或直接点击直通播出按钮进入直通播出模式。每个模块完 成的功能如下： 延时播出模块中主要完成：初始化板卡，配置录入和播出通道的接口参数； 申请内存空间，用于缓冲录入的音视频数据；创建录入和播出线程及音视频预览 线程；实现延时播出功能。根据设定的延时时间，在内存中存储一定量的音视频 数据后启动播出线程。 直通播出模块中主要完成：调用延时模块中的录入线程和播出线程，录入的 音视频节目不在内存中缓冲，直接播出。 垫片播出模块中主要完成：音频和视频读模块接口的实现与音频和视频播出 列表的创建；删除现场录入的不适宜播出的音视频信号；用事先准备好的垫片覆 盖录入的音视频节目，用于播出。在垫片播出的过程中，调用了录入线程对现场 电子科技大学硕士学位论文 直播的信号预览。在现场信号恢复正常的时候，切换到延时播出。 以上是三个播出模块具体实现的功能，除此之外，选择的板卡是全双工的， 其具备复合端口、s d i 端口和分量端口等视频输入输出接口，能够选择不同 的输入和输出信号。 2 2 2 延时器的指标 夺延时时间。延时时间可以根据需要设定。这里有2 g 的物理内存，在以内 存作为缓冲区，存储无压缩的视频数据，能够支持从1 秒钟到3 0 秒之间的任意延 时时间的设定。因此，该延时器的延时范围是1 到3 0 秒。可以通过扩充内存实现 更长时间的延时。 夺在直通播出的时候，实现录入和播出同步。音视频数据通过录入线程到内 存缓冲区中，然后通过播出线程立刻播出。根据需要，只要保证录入数据时间和 播出数据的时间之差在半秒钟之内即可。因此，该延时器的直通播出要实现录入 和播出之间的时间差在半秒钟之内。 夺垫片播出的时候，确保垫片的内容能够完全覆盖直播现场出现的不雅内 容。在现场发生意想不到的情况的时候，导播要及时的把播出切换到垫片播出。 在切换的时候，要把切换时间内录入的内容覆盖掉。考虑到实际的情况，该延时 器在垫片播出的时候，要确保垫片播出的内容被完全删除。在垫片播出过程中， 如果现场发生的意外情况持续的时间长于垫片播出的时间，需要垫片素材循环播 出，保证播出过程的连续性。 夺在延时播出向直通播出或垫片播出切换的时候，要保证切换的顺畅。根据 需要，在切换的时候允许有8 帧左右的不连续画面。因此，在由延时播出向其它 播出方式转换的时候，要保证播出过程中播出的不连续画面在8 帧以内。 夺在由直通播出或垫片播出向延时播出转换的时候，根据设定的延时时间， 需要向内存缓冲区中存储一定的数据。这时候要保证播出的连续性。因此，在切 换过程中，除了允许由8 帧左右的不连续画面外，要实现连续播出。在延时时间 到达后，启动播出线程开始延时播出。 夺在设定的延时时间的精度上。由于录入线程和播出线程的不完全同步。它 们之间执行次数可能有一定的差值。这样延时时间的精度上有一定的波动。根据 需要，延时时间可以有1 3 秒的波动。因此，在设计延时器的时候，要保证录入线 程和播出线程之间的执行次数之差在8 帧以内。 1 4 第二章延时器的现状分析和功能设计 夺要确保申请的存储空间能够满足存储录入音视频数据的需求。在设定存储 空间的时候，需要申请足够的存储空间。根据需要，录入线程和播出线程的执行 速度可能不完全相同。根据需求，允许它们之间有8 帧左右的浮动。因此，在申 请存储空间的时候，需要多申请8 帧以上的存储空间。 夺可扩充性。根据市场的需求，电视信号正在实现由标清向高清的转换，该 延时播出系统要能够方便的实现功能扩展，满足市场的需求。 系统要稳定可靠。在长时间运行的时候，不会出现内存泄漏，硬件失灵， 系统紊乱等。在延时播出软件出现故障的时候，要有备播系统。确保电视台播出 的持续可靠。 2 3 延时播出方案的选取 延时播出过程中，需要把延时的数据缓存在某一个地方，到一定的时间后再 读取播出。在延时播出方案的设计过程中，根据音视频数据存储的位置和是否使 用编解码器或编解码模块对数据压缩，延时播出可以分为以下几个实现方案。 2 3 1 基于内存缓冲实现延时播出 在内存中存储数据实现延时播出， 一种是缓冲无压缩数据实现延时播出； 们具体实现原理如下。 按照数据是否压缩分为两种延时播出方式。 另一种是缓冲压缩数据实现延时播出。它 1 基于内存缓冲无压缩数据实现延时播出 如果采用与直播一样的实时采集实时回放的方式，将无压缩的音视频数据缓 存在内存中。实现的原理框图如图2 - 6 所示： 录入 和播 计算机 出采 内存空间 集卡 图2 - 6 将无压缩数据存储在内存中实现延时播出的系统框图 根据延时时间的长度，在播出之前需要在系统内存中缓存大量的原始的无压 缩视频数据。以p a l ( p h 邪ea l t e r n a t i o nl i n e ，逐行倒相) 制式为例，一帧数据为 7 2 0 5 7 6 x 2 = 8 2 9 4 4 0 b y t e ，以1 分钟的延时时间计算，在内存中存储的无压缩视频数 1 5 电子科技大学硕士学位论文 据量为8 2 9 4 4 0 x 2 5 x 6 0 = 1 2 4 4 1 6 0 0 0 0b y t e ，大约为1 1 5 g b 。 还有一部分内存用来存储相应的音频数据。以4 8 k h z 的采样率，2 4 位，双声 道，一秒中的数据量4 8 0 0 0 x 2 4 x 2 = 2 3 0 4 0 0 0 b i t ，以1 分钟的延时时间计算，在内存 中存储的无压缩音频数据是2 3 0 4 0 0 0 x 6 0 = 1 3 8 2 4 0 0 0 0 b i t ，大约为0 0 1 g b 。 如此大的数据存储量，限制了以内存作为缓存方式实现延时播出的功能。但 是，随着内存容量的增大，成本的降低，这种方式已经逐渐的可以使用。由于内 存容量的限制，一般情况下，只在较短的延时时间内使用这种方式。 2 基于内存缓冲压缩数据实现延时播出 这种方式将压缩的音视频数据缓存在内存中，也会因延时时间的长度延长而 增加对系统内存配置的要求。采用1 0 ：1 的压缩方式来计算，延时播出1 分钟，则 需要8 2 9 4 4 0 0 x 2 5 x 6 0 1 0 = 1 2 4 4 1 6 0 0 0 b y t e ，大约是1 1 8 6 m b 。其实现原理框图如图 2 7 所示： 计算机内存 图2 7 将压缩数据缓存在内存中实现延时播出的系统框图 图2 7 中将压缩的数据存储在内存中实现延时播出的系统框图。图中的两个虚 线方框中的模块，一个是硬件编解码模块，一个是软件编解码模块。在实际应用 的时候，根据电脑的配置、速度和经济能力，只需要选择其中适合的方式实现编 解码的功能。在选用硬件编解码器的时候，可以选择具有编解码功能的采集卡或 配置专用的编解码器。 这种延时方式减小了对内存空间的需求，但是要求硬件或软件有专门的编码 和解码功能。在现在内存容量增大，成本下降的情况下，没有第一种的方法经济 方便。 2 3 2 基于磁盘存储实现延时播出 基于磁盘存储实现延时播出，也按照存储数据是否压缩分为两种延时播出方 式。一种是存储无压缩数据实现延时播出；另一种是存储压缩数据实现延时播出。 1 6 第二章延时器的现状分析和功能设计 其具体实现原理如下。 1 基于磁盘存储无压缩数据实现延时播出 将原始的无压缩的音视频数据存储在磁盘上。由于磁盘存储量大，因此可以 实现长时间的延时。在这种方式下，采集的过程不变，原始的无压缩数据直接经 过采集卡到内存中，最后存储成a v i 文件。延时播出的数据需要经过磁盘缓存，然 后读到内存之后才能播出。 其录入和播出过程的原理框图如图2 8 所示： 图2 - 8 将无压缩数据存储在磁盘中实现延时播出的系统框图 由于音视频数据存储和播出都需要对磁盘进行操作。在同时读写磁盘的时候， 磁盘的i o 速度将成为严重的瓶颈。采用p a l 制视频数据，在不经过压缩的情况 下，每秒需要写入磁盘的数据量为2 5 m b 。这样在读写同时操作的情况下，磁盘i o 的读写速度要在5 0 m b s 以上。在早期，磁盘的读写速度大概在3 0 m b s 。播放和 采集会出现严重的丢帧现象。因此，这种无压缩的方式不能够应用。现在，高速 磁盘已经出现，满足i o 读写的需求。但是高速磁盘价格贵，对于仅实现延时播出 功能的开发来说，成本高。 2 基于磁盘存储压缩数据实现延时播出 通过前面的分析可知，由于无压缩音视频数据的磁盘缓存和播出对磁盘的i o 读写速度要求过高。因此，如何处理以磁盘作为缓存实现延