（通信与信息系统专业论文）电视采编播系统的设计与实现.pdf

电了科技大学硕士学位论文 摘要 数字电视技术取代传统的模拟电视技术是电视技术发展的必然趋势，在此 背景下，原有的电视播出系统已不能适应技术的发展和自身的变化，必须利用 数字技术和网络技术建立新一代的电视播出系统。本文正是针对这种变化，介 绍电视播出系统的新需求和系统整体设计，并详细说明了节目采集、编审和播 出部分的设计过程和具体的实现方法。 论文首先介绍了国内外电视播出系统的发展情况和发展方向，在此基础上 提出了新一代电视播出系统需要解决的问题，并从电视台节目制作播出的实际 出发，提出了系统的系统结构，并结合网络通信、视频编解码等技术的发展， 阐述了系统的设计要点。 接下来，论文针对本系统的设计目标，分析了系统的框架结构和数据流程， 描述了系统软件功能和采用的软件设计方法。 基于系统总体分析设计的基础上，本人的工作内容集中在节目采集、编审、 播出等关键环节的设计和软件实现。论文运用基于u m l 的面向对象的设计方法， 对系统的采集、节目信息编审和播出控制等环节进行了详细的设计，说明了具 体的实现过程，重点讲述了设计实现时遇到的一些技术难题和相应的实现方法， 同时演示了系统运行时的情况。 再次，论文简要介绍了系统其他部份的设计情况和系统的测试情况。 最后，论文总结了系统的特点和优势 视播出的数字化、网络化和管理的科学化 了系统应该进一步完善和提高的地方。 统 并指出系统的投入使用，实现了电 具有重要的现实意义，同时也说明 关键字：面向对象，u m l ，电视节目播出，m p e g 一2 标准，视频流，非编系 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d i g i t a lt v w i l lg r a d u a l l yt a k et h ep l a c eo ft h ea n a l o gt v w h i c hd e t e r m i n e s t h ef o r m e rb r o a d c a s t i n gs y s t e mc a l ln o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ed e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g ya n dt h e c h a n g e o fi t s e l f ，s oi ti s n e c e s s a r y t oe s t a b l i s ht h e n e x t g e n e r a t i o nb r o a d c a s t i n gs y s t e m t h a tc a nt a k e a d v a n t a g e o ft h e d i g i t a l t e c h n o l o g y a n dn e t w o r k t e c h n o l o g y c o n s i d e r i n g o ft h en e w c h a n g e s ，t h e d i s s e r t a t i o ns h o w st h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o na n dt h e d e s i g n o ft h ew h o l e b r o a d c a s t i n gs y s t e m ，e s p e c i a l l ye l a b o r a t e st h ep r o c e s so fa n a l y z i n g ，d e s i g n i n g ，a n d t h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h e s y s t e m o nt h e p r o g r a ma c q u i s i t i o n ，c o m p i l i n g a n d b r o a d c a s t i n g a tt h eb e g i n n i n g ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do fb r o a d c a s t i n g s y s t e mi n t h e d o m e s t i ca n da b r o a da r ei n t r o d u c e d a tt h ef o u n d a t i o no ft h ep r o g r a m p r o d u c e r ，t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e s y s t e ms t r u c t u r e a l s o ，t h e d i s s e r t a t i o nd o e ss o m e r e s e a r c hw o r ka n dd e m o n s t r a t e st h ea n a l y s i s p r i n c i p l e sa n dk e yp o i n t sc o m b i n e d w i t l lt h e d e v e l o p m e n t o f t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dv i d e o c o d i n g t h e n ，t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t st h eo b j e c t i v eo ft h ep r o g r e s s i v ed i g i t a l i z e d s y s t e m ，a n a l y s e st h e b a s i cf r a c t u r ea n df l o wo fi ta n dd e m o n s t r a t e st h es o f t w a r e f u n c t i o no f w h o l e s y s t e ma n dd e s i g nm e t h o d s o nt h eb a s eo ft h ew h o l e s y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n n a yw o r k i sf o c u s e do nt h e k e yp o i n t sd e s i g na n ds o f t w a r er e s o l u t i o n o nt h ep r o g r a m a c q u i s i t i o n ，c o m p i l i n ga n d b r o a d c a s t i n gs u b s y s t e m s t h ef u n c t i o nd e s i g na n dm o d e ld e s i g no fa l l s o f t w a r e s u b s y s t e m sa r ei m p l e m e n t e db yt h eo r i e n t e do b j e c tm e t h o db a s e do i lt h eu n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g ef u m l ) t h ed i s s e r t a t i o ne l a b o r a t e st h er e s o l u t i o np r o c e s so f s o f t w a r e ，a n ds u m m a r i z e ss o m et e c h n o l o g i cp r o b l e m sa n ds o m es k i l l st os o l v et h e p r o b l e m s a t i e rt h i s t h er u n n i n gi n s t a n c ei ss h o w e d a l s o ，o t h e rs u b s y s t e m sa r ei n t r o d u c e da n dt h ew h o l es y s t e mt e s ti ss h o w e d f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o no u t l i n e st h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so f t h e s y s t e ma n d a f f i r m st h es i g n i f i c a n c eo f s y s t e mr e s e a r c h ，w h i c hc o m p l e t e l ym e e t sw i t h t h e r e q u i r e m e n t s o f d i g i t i z e d ，n e t w o r k d e p e n d e d ，i n f o r m a t i o n s h a r e d ， m a n a g e m e n t - s c h e m a t i z e df a c t u r eo ft vp r o g r a m i ta l s op o i n t so u tt h a t t h e r ea r e s o m e s h o r t a g e si nt h es y s t e m n e e d e dt op e r f e c t k e y w o r d s ：o r i e n t e do b j e c t ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，t vp r o g r a m b r o a d c a s t i n g ，s t a n d a r do fm p e g 一2 ，v i d e os t r e a m ，n o n l i n e e d i ts y s t e m u 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：j 级；她日期： 年月日 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：擀导师签名：j 址 日期：却牛年；月z 日 第一章引言 第一章引言 1 1 电视播出系统发展概述 电视播出技术发展到今天，已经由原来的手动播出系统发展为全硬盘播出 系统，其间经历了手动播出、自动磁带播出、盘带结合播出和全硬盘播出等阶 段，在技术上和播出质量上都有了很大的进步。随着数字视频、自动控制、计 算机网络通信、数据存储、多媒体技术的发展，电视台节目也从原来的模拟播 出为主逐步发展到以数字播出为主，由单机系统向网络分布式系统发展，从而 引发了电视自动播出系统的一场新的技术变革，并从传统的播出系统向以硬盘 播出网络为中心的新一代的全硬盘自动播出系统迈进。硬盘播出网络系统涵盖 了从素材上载、制作、传输、编辑、审核到播出的整个节目播出工作流程。不 但可以规范电视台在新闻、广告等众多业务方面的管理，使电视播出节目质量 大大提高，而且在大大提高电视播出准确性和可靠性的同时，减轻了操作人员 的劳动强度。 1 1 1 国内电视播出系统的发展 我国的电视播出系统发展大致可分为以下几个阶段： 磁带播出系统：传统的电视节目播出系统是以切换台为中心，以各种型号的 录像机为主要信号源，通过人工控制切换台来选择不同的录像机信号，这就是早 先的播出系统。后来，多数电视台引入了计算机控制技术，这是在不对播出系统 模式作根本改变的基础上，以计算机为控制中心，控制录像机播放和切换台信号 源的切换，这就是通常所说的自动播控系统。条件好的电视台还在此基础上引入 了机械手这一设备，与自动播控系统配合，自动化程度更高，实现了自动装填磁 带和找带头，最大程度地减少了人工环节。这一阶段播出系统的最突出特点是： 系统中的播出信号来源基本上是录像带，因此，播出过程中常存在如下问题：( 1 ) 录像机在播出过程中易出现机械性故障，诸如绞带、卡带、阻( 糊) 磁头、失灵等， 从而造成出黑场、杂波等停播或劣播事故；( 2 ) 录像带节目无论长短，也无论是 否要重复播出，每播出一次就得使用一次录像机和录像带，这需要占用较多数量 的录像机；( 3 ) 录像带经多次使用后信号有较大损失；( 4 ) 由于是实时播出，节目 磁带中存在的问题无法弥补，节目长度与卡片填写时间的差异，都会引起播出事 故：( 5 ) 切换精度有时还不理想。由于上面的许多缺点，造成播出质量和播出可 靠性均不理想，所以这种播出模式已被逐步淘汰。 硬盘播出系统：随着音视频编码技术和硬盘阵列技术的成熟，视频服务器 作为新的播出设备参与到节目制作和播出环节中。这一阶段的播出系统的最突 出特点是：系统中的播出信号来源不再是录像带，而是存储在硬盘上的数字视频 第一章引言 信号。视频服务器是一种专用的服务器，可以同时完成音视频信号的采集利播 出，一般是将视频图像以专用的视频压缩格式压缩( 编码) 后保存在大容量硬 盘上，然后用专用的解码芯片对硬盘上的视频数据进行解压缩( 解码) ，完成视 频素材的重放。一台视频服务器拥有多个播出通道，可以实现节目的顺序播出、 定时插播播出、相对时间插播和绝对时间播出等多种不同的节目播出方式，还 可以控制多种音视频切换器或播出矩阵。同时，在应急情况下，可以直接控制 录像机完成播出。作为硬盘播出系统的核心设备，视频服务器采用了先进的硬 盘阵列技术和数字压缩技术，可以实现视频素材的任意重组和回放，还可以实 现自身多段素材的指定入、出点间的无缝播放，因此极大地提高了播出图像质 量、播出稳定性和可靠性。采用视频服务器的主要缺点是其昂贵的价格，国内 开发的系统大多采用国外现有的视频服务器作为其核心的播出设备，在此基础 上开发数字播出控制系统，如索贝的s o b e y a i r 基于s o n yv s r - 2 0 0 0 视频服务器、 北大方正公司的数字播控系统采用品尼高公司的m e d i a s t r e a m 系列服务器，由 于系统价格昂贵，大多数中小型电视台都没有能力承担。而国内对于视频服务 器的研究还是刚刚起步，特别是基于m p e g 一2 编解码的视频服务器还不成熟，应 用国产视频服务器构建的硬盘播出系统则更少见。 实际上，除了磁带播出系统和硬盘播出系统外，还有种过渡的播出模式， 称之为盘带结合播出系统。一方面是考虑到电视台的节目信号源大部分是录像 带，需要预先录入到硬盘中，其他线路的信号也要通过矩阵切换录入到服务器 硬盘中，因此，如果节目来不及上载或者硬盘容量不够时，未录入的节目可以通 过录像机播出，录像机不但作为节目采集上载用，同时也可以作为播出的备用， 这就是盘带结合的由来。另一方面，由于各电视台的经济实力不同，一时不能做 到全硬盘播出，在较长时间内数字播出与模拟播出将共存，在这种情况下，视频 服务器加模拟播出的盘带结合播出系统是一种比较实用安全的电视播出系统， 其好处是既可使用原有的模拟设备，又可以实现数字播出。盘带结合播出系统作 为全硬盘播出系统的过渡模式，是目前使用最广泛的播出方式，但最终将被全硬 盘播出系统取代。 1 1 2 国外电视播出系统的发展 国外的电视播出系统也经历了和国内类似的几个阶段，但发展很快，特别 是美国、欧洲和日本这些发达国家的数字电视节目播出已经进入大规模推广阶 段，因此对电视播出系统的要求更加严格，特别重视播出的稳定性和商质量的 画面效果。现在，国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，这些硬盘 播出系统大都以视频服务器为基本播出设备，如p r o b e l 的a u t o m a t i o n & a s s e t m 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 yf 1 e x s y s 等。这些视频服务器具有 传统设备所不具备的许多特点，如：( 1 ) 将多通道、录制与播放等功能集于一体； ( 2 ) 由于采用硬盘作为记录媒介，具有非线性特点，继承了非线性设备所有的优 点，如素材查找方便，素材可由多个输出通道共享，可同时或相继调出播放；( 3 ) 素材记录在硬盘还未形成完整文件时，便可由输出通道调出播放；( 4 ) 视频服务 第一章引言 器容易实现向的或向后的变速播放。采用视频服务器的最大优点是上载数据就 是播出节目数据，上载和播出都在同一组硬盘上进行，一体化制造的结构设计 提供了较高的可靠性保证，但视频服务器的缺点也很明显，由于上载采集和节 目播出都在同一台机器内，音频、视频信号不可能有太长的线路连接，因此大 都采用在播出机房集中上载的方式，这种方式无法真i 卜做到节目在各部门分布 制作、上载、串编和无带网络传输。同时，各个视频服务器厂家一般采用特殊 的文件格式和专用的硬件平台来满足视频处理高速、大容量的需求，这些格式 数据量人，而且没有统一的国际规范，给系统的扩展和升级造成了极大的限制， 与国内流行的非线性编辑系统实现分布网络连接以及文件格式兼容都还存有 些技术问题，此外其高昂的价格更是令很多电视台都无法承受，现在不利于在 国内推，。使用。 1 1 3 电视播出系统的发展方向 数字技术的快速发展从各个方面深刻地影响了传统的广播电视技术，数字 电视技术取代传统模拟电视技术是电视发展的必然趋势，同样，电视播出系统 的数字化、网络化趋势也是不可逆转的。以视频服务器为基本播出设备的硬盘 播出系统在显示其优越性的同时，也暴露出自身的缺点。为了克服视频服务器 自身的不足，更好的发挥硬盘播出的优点，电视播出系统向着以下两个方向发 展。 一是继续采用视频服务器作为播出系统的基本设备，但是以多台视频服务 器构成服务器群，不同的服务器完成不同的功能。比如选用两台服务器，一台 用于制作部门，完成音视频素材的采集、录入工作，一台用于播出机房，完成 节目的播出工作，服务器之间采用高速光纤网络连接，保证音视频信号的快速 传输，这种方式较好的克服了视频服务器的缺点，实现了节目在各部门分布制 作、上载、播出和无带网络传输，但带来的问题是成本更高，大大超出了许多 中小电视台的经济承受能力。 二是用计算机加视频压缩卡的方式来代替视频服务器，完成素材的采集和 节目的播出工作，这样，不同的节目部门可以使用不同的采集站，实现节目的 分布式采集和上载，极大的方便了节目的制作过程，采集工作站、编辑工作站、 播出工作站等通过网络互连，真正做到节目在各部门分布制作、上载、串编和 无带网络传输。这一方向也是本论文讨论的重点。 1 2 课题研究的目的 本课题研究的目的是在综合考虑目前国内中小电视台的视音频节目采集、 编排、播出、网络资源共享和视频存储等实际运行特点的基础上，利用现有的 计算机技术、音视频编解码技术、网络通信技术和大容量、高速硬盘存储技术， 构建一个电视台内部的高速局域网络，并以此为基础设计一套满足电视台采集、 节目编排和播出等各环节工作需要的全硬盘播出软件系统。 第章引言 课题研究以计算机技术为基础，以节目数字化为主线，以网络为平台，为 中小电视台在现有基础上实现播出系统的数字化和网络化进行了有益的探索， 并提出了具体的解决方案。本人的t 作重点集中在系统总体分析设计和节目采 集、编审、播出等关键环节的设计和软件实现。 数字化电视播出网络系统的开发和使用，将克服现有电视台节目播出质量 不理想、可靠性不强、节目制作不流畅、管理不严密等问题，实现电视节同制 播数字化、传输网络化、资源共享化、播出自动化和管理科学化。 本课题涉及到计算机网络通信技术、数字视频技术、数据库技术、自动控 制技术、软件工程等许多方面，是多学科交叉项目，存在相当的技术难度和工 作量，其问题的解决需要综合运用| 二述各种知识。 4 第_ _ = 章系统总体分析与设计 2 1 系统需求分析 第二章系统总体分析与设计 随着电视台节目播出时间延长、频道数量的扩大，同时由于一些新闻、专 题、广告及电视剧、电视在不同频道的交叉播出，电视台对自动播出的高效率、 统一化提出了更高的要求。另。方面，电视播出系统数字化、网络化的趋势越 来越明显，而电视台现有的非线性编辑系统也越来越成熟，节目采集、后期制作、 节目播出设备必将以网络方式互联，实现制编播一体化，进而实现无磁带播出。 数字化的网络播出系统是用网络和磁盘阵列将前期拍摄的素材、录音录像和文 字图片资料的收集、编辑、合成、审查各个环节与壤后的播出紧密集成，利用计 算机网络对节目的采、编、审、播的全过程实行全面管理，包括对节目素材和文 字稿件进行科学化存档管理的新一代电视节目播出系统。 新一代的电视播出系统必须解决以下几个方面的问题： 网络化：随着播出系统的发展，播出系统已经覆盖了电视台业务的多个方 面，从素材的采集转换到节目的播出等录编审播各个环节，为了实现各个环节 之间的衔接，自动播出系统将以网络为纽带，用网络传输代替人工的资料递送 过程。 全硬盘：硬盘播出相比磁带播出而言，是数字系统和模拟系统的差别，随 着存储技术和视频编码技术的快速发展，硬盘播出的比例会逐渐增加。从节目 的采集到节目的播出，整个系统全部采用硬盘作为节目素材的存储媒体，最终 模拟素材和数字素材都将以统一的数字化格式进行播出。 分布式：随着播出频道的增加和播出系统的扩大，单一的一台终端或服务 器无法完成所有的任务，用播出网络替代原有的单一的播出设备，用分布式代 替原有的集中式处理方式，才能满足电视台业务扩展和多环节覆盖的需要。 采集方式多样化：由于播出的节目素材来自采集系统，素材的来源非常广 泛，从而采集的形式也是多种多样，如和m p e g 一2 非线性编辑系统配合的素材导 入，和非m p e g 一2 编辑系统相配合的集中上载系统、收录节目的节目收录系统、 控制录像机的素材录制系统等多种形式。 高可靠性：播出系统是在线服务管理系统，如果出现问题，将造成播出的 中断等恶劣影响。要求系统稳定性高，具备系统备份功能，达到帧精度级的备 播性能，确保播出安全。高可靠性是播出系统的最初要求，也是播出系统的终 极目标。 采用高度成熟的音视频编解码技术：保证播出的质量，尽量与未来的数字 电视标准采用的技术兼容。 第章系统总体分析与设计 2 2 系统设计要点分析 为了适应电视播出系统的新需求，必须对系统整体结构、播出容错处理、 文件系统、通信控制指令、实时播出、音视频采集、数据库技术等许多方面进 行认真仔细的分析和设计，以下就对系统设计的几个要点加以详细描述。 2 2 1 系统整体模型构建 电视播出网络系统本身是由各个不同的子系统构成，中间通过网络进行连 接，各个子系统之间协同工作。就软件来说，它不象硬件样可以有清晰、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是可能的，那就是松耦合和紧耦合系统。f 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的硬件大致相似。 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，同时也可以 在必要的情况下进行。定程度的相互作用。假设一个工作组里的多台个人计算 机，每台机器都有自己的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。举一个极端的例子，我们来看 一下现在网络上非常流行的网络棋牌游戏。我们假设只有4 个人参加游戏，那 么系统中一共有4 个客户端软件和服务器软件在运行，它们之间通过网络来通 信。游戏能够正常进行下去的前提条件首先是4 个人必须同时在线，当个人 出牌后，服务器先进行处理，然后轮到下个人出牌，一切按顺序进行。在个 人没有完成指定的操作前其他人无法进行游戏的下一步，只有大家都把牌出完 后，服务器端软件才能统计结果，判断输赢。这个游戏系统的软件，与前面的 例子相比，很明显它是紧耦合的。 我们这里借用紧耦合和松耦合的概念来讨论播出网络系统的系统模型，我 们先假定系统中一个子系统任务的完成必须建立在其它子系统征常工作的基础 上，否则就会造成系统工作失败的模型为紧耦合模型，而每、个子系统不必依 赖其它子系统就能完成规定任务的系统模型称为松耦合模型。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。 对电视播出网络系统而言，建立松耦合的系统模型，同时降低系统对每一 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。电视播出网络系统的稳定最重要的是播出的稳定，它主要依赖于网 络系统、数据库系统和文件存贮系统的稳定。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，网络是整个系统中最关键最 基础的因素，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，就必须降低数据库和文件系统对 第二章系统总体分析与设计 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下，系统可以通过读取数据库本地数据备 份的方法来保证系统征常运行。对播出子系统来说，可以将已经完成的播出节 目以及常用节目预先f 载到播出工作站的硬盘上，构成本地节目库，播出时直 接从本地硬盘调用节目文件，这样在数据库出错的情况下，就可以直接选取本 地文件进行播出，从而保证播出可以正常进行。另一种方法是减少或消除具体 工作任务对数据库的依赖，如果任务的完成刁i 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 ：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。 2 2 2 容错处理 要提高整个播出系统的稳定性，必须考虑系统出现故障后的快速恢复能力， 即系统的容错处理能力。通常解决容错的办法是使用冗余技术。冗余技术包括： 信息冗余、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。常见如硬盘r a i d 技术、通信中的奇偶校验等；时间冗余就是在动 作执行后，必要时可再次执行，保证动作正确执行，时间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 或失效，如使用冗余的处理机，当一些系统崩溃时，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零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。诸如处理器、存储器、i o 设备、电缆或软件等发生错误都将 引起系统工作的不f 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。随着网络的普及， 可以让网络上两台或多台计算机同时工作并且完成相同的任务，这样只有在两 台或多台计算机同时失效的情况下，才可能导致系统工作失效。也就是说，对 计算机整体进行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， 采用双机或多机的方式，可以极大减少系统出错概率，见以下公式： e r r o r ：p e r r o r 0 p e r r o r l 其中 e r r o r ：系统出错的概率。 p 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 1 ，那么两台热备份计算机同时出错的 概率为l 1 0 a 8 l 。 为了提高整个播出系统的稳定性，我们在系统中采用了双系统服务器、主 各播出工作站、分布式采集、双数据库方式。此外，我们的视频文件存储在采 7 第二章系统总体分析与设计 用r a d 5 技术的磁斑阵列上，r a i d 5 技术通过牺牲较少的资源来提高了系统的 安全性。数据写入磁盘时，同时将相应数据的奇偶校验数据写入磁盘阵列中， 当一个磁盘损坏后，可由校验数据来运算恢复，这个恢复不必停机即可完成。 这样磁盘阵列就同时提高了数据的可靠性及存储容量。 同时，系统各个部分之间的通信和计算机与外设之间的通信采用了专用的 通信协议，其中加入奇偶校验等都属于信息冗余的范围。这在很大程度上降低 了通信误码，提高了整个系统的稳定性。 2 2 3 音视频压缩方式 采用不同的音视频压缩标准对整个播出系统影响很大。目前广1 电领域主要 使用m o t i o r lj p e g 格式和m p e g 2 格式。 原来的大多数非线性编辑系统都是基于m j p e g 压缩标准的。m j p e g 是基 于j p e 6 发展而来的，而j p e g 是基于帧内预测编码、哈夫曼编码和d c t 的压缩 算法，主要用于图片或静止图像数据的压缩。3 p e g 对静止图像采用帧内编码压 缩方式，而m j p e g 以5 p e g 为基础将运动的视频序列作为连续的“静止图像” 来处理。这种压缩方式单独、完整地压缩每一帧视频图像，它具备如下优点： ( 1 ) 在编辑过程中可随机存取任意帧，可精确到帧的编辑；( 2 ) 压缩算法简单， 压缩和解压缩的结构完全对称，能用相同的硬件和软件来实现：当压缩比较小 时t 例如3 ：1 以内) ，m j p e g 有很高的重建图像质量，当压缩比较高时，图像 损伤呈d c t 算法的方块效应。其主要缺点是其压缩效率不高，这是由于不对帧 间进行压缩的缘故。与m p e g 一2 相比，要保证相同的图像质量，其码率要高得多， 对硬盘的开销也大得多。正是由于m j p e g 自身不可避免的问题：数据量大、 各厂家之间格式不兼容，导致了存储、传输、交流、造价等一系列问题。 m p e g 一2 将运动图像序列分为i 帧( 帧内编码帧) 、p 帧( 前向预测编码帧) 和b 帧( 双向预测帧) ，i 帧采用了类似j p e o 的帧内压缩技术，p 帧、b 帧采用 了运动补偿、预测编码和d c t 技术实现帧间压缩。在帧间预测压缩中，以若干 帧图像组成一个g o p ( 图像组) 进行处理，一个g o p 内视频图像的帧数对压缩 比和图像质量有较大影响，帧数越多，同等压缩比下图像质量越高。i 帧是完 全独立的整帧压缩信息，p 帧、b 帧携带的是帧问信息，它依附于t 帧而存在的。 m p e g 一2 标准有很宽的适用范围，其图像品质分5 类( p r o f i l e ) 和4 级( 1 e v e l ) ， 其中在广播视频界常用的是m p e g 一2 的m p m l ，它可以提供7 2 0 * 5 7 6 ，2 5 f p s 的t t u r 6 0 1 建议图像质量。m p e g - 2 具备如下优点：( 1 ) 压缩效率高，在压缩比 为3 0 ：1 以内可提供广播级质量的编码图像，m p m l 最高码率仅为1 5 m b p s ：( 2 ) m p e g - 2 在处理图像的“简单”与“复杂”区域时能自动变换压缩率，它能在一 帧内使用不同的压缩比，而在m j p e 6 中，同一帧内必须使用同一压缩比，在压 缩成相同图像质量的条件下，m p e g 一2 图像所占的存储介质空间只是m j p e g 图 像的1 0 1 5 。 m p e g 一2 缺点是难以实现帧精度的编辑，这是由于b 帧、p 帧携带的是帧间 压缩信息，不能从b 帧、p 帧直接恢复图像，m p e g 一2 的图像数据流入、流出点 第二章系统总体分析与设计 只能是i 帧。和m o t i o n - 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，可以更高效地利用传输带宽。而且m p e g 一2 提供了摄制、 传输、制作、存档等不同环节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码的质量损失，可以减少用户的投资， 具有更好的开放性等。目前已经出现了很多基于m p e g 一2 的编辑系统。并且，由 于m p e g 一2 非常适合于视频传输和大量发行的软件包，目前已大规模用于数字视 频的微波、卫星传输、d v d r o m 、d v d 等领域。 从上述压缩格式的比较可以发现，m p e g 一2 是最适合今后广播电视领域的图 像压缩格式。下面将详细介绍m p e g 一2 视频压缩算法，这将有助于我们在系统设 计和实现中更好的利用m p e g 一2 标准。 m p e g 一2 视频编码算法基于运动补偿离散余弦变换算法，采用的块结构形式 适用于不同的信号，m p e 6 2 主要采用以下几种技术来实现图像的压缩处理： 时域预测：减少视频图像间的时间冗余； 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： 可变长编码：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。 m p e g 一2 视频压缩算法有很大的灵活性，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 一2 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 6 2 起源于j p e g 静止图象压缩算法， - p e g 算法在二维空间内利用图像冗余，m p e g 一2 在三维空间里利用冗余，因此m p e g 一2 可以产生更高的压缩因子。m p e g 一2 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； 动念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，并对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。 图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，这个量化矩阵指明了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。 第章系统总体分析与设计 和所有的压缩算法一样，m p e g 一2 算法也是通过降低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 一2 不仅消除了帧内图像冗余度， 而且利用了视频序列帧间图像冗余度高的特点，进一步提高了图像的压缩比。 虽然采用m p e g2 标准的视频服务器本身能同时实现编解码功能，但其高昂 的价格超出了许多电视台的承受力，系统则采用了北京格非公司的基于m p e g 一2 标准的m s g i c l 0 0 0 视频播出卡来实现视频服务器的采集和播出功能，达到了很 好的效果。 2 2 4 网络传输 播出网络对网络自身性能的要求主要是传输速度、网络结构灵活性及扩展 性、传输距离和必要的管理功能。 网络音视频传输应包括以下方式：( 1 ) 数字视频流传输方式。在电视制作 网络中，流是指一种连续的进程，是指将电视节目内容( 包括视频、音频、元 数据等) 从发送端传送到一个或多个接收端。发送端在发送内容时无法接收到 接收端的回应，因此无法对流进行控制，当丢失数据或数据中断时不能进行重 发。由于流传输通常是一个单向的进程，因此需要在所适用的传输方案中加入 特定的质量维护参数，这些参数包括比特、抖动、漂移、传输延时和任何同步 信息。( 2 ) 文件转移方式。文件是有关内容的比特拷贝。文件传送一般以异步、 无差错的方式进行，基本要求是尽量快速，而并不要求以平稳的快速发生或任 何外部的时间或进程同步。文件传送中设备之间的链路必须能够在接收数据中 断时重发。数字视频处理的中心内容是硬盘视频文件，和其他文件相比较，视 频文件有着文件庞大的特点。由于视频信息量大，相应的视频文件也比较大， 如8 m b p s 的m p e g 2 编码的1 小时长度的视频文件，其大小达3 6 g 字节。为了控 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，即在传递 开始时建立流对象，在传递结束时释放流对象，采用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。另一方面，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。 文件的传输可使用不同的传输速度。在播出系统的节目上载中主要运用了文件 转移的传输方式。 以太网的迅猛发展使它的传输速率由最初的l o m b p s 发展到了1 0 0 0 m b p s ， 甚至更高，这样的速率完全可以满足音视频信号的传输要求。同时，以太网传 输速率的提高为我们采用交换结构的以太网奠定了基础，可以灵活的构建网 络。另外以太网的普及使它的价格相对低廉，明显降低了系统费用，因此我们 采用了以太网作为系统的基础网络。 2 2 5 通信控制协议分析 电视播出网络系统通过模拟音视频信号线路、以太网络、r s 4 2 2 串行通信 等和原来的自动播出系统结合在一起。因为大多数电视台的自动播控系统和非 第二章系统总体分析与没计 线性编辑系统已经成型，如何实现对原有系统的兼容、如何利用现有的设备、 如何尽量减小对电视播出的影响是系统必须要考虑的问题。这其中最主要的足 控制信号的兼容，可以对原通信协议加以扩充，以使控制内容更加丰富，从而 让新的播出系统兼容老的控制指令。 播出系统常见的通信控制协议是s o n yr s 4 2 2 录像机控制协议，我们在此基 础之上扩充了该控制协议，以提供比原协议更多的控制内容，方便和原系统的 兼容。下面先介绍相关协议的内容。 s o n yr s 4 2 2 通信协议简介： 1 、接口： 1 ) 硬件采用r s 4 2 2 a 的通信接口。 2 ) 全双工工作模式。 3 ) 异步逐位逐字传输。 4 ) 波特率3 8 4 k b p s 。 5 ) 1 起始位+ 8 数据位( 低位在前、高位在后) + 1 奇偶校验位+ 1 停止位 2 、命令格式( c o m m a n db l o c kf o r m a t ) 控制端和设备端的命令由c m d l + d a t ac o u n t ，c m d 一2 + d a l l a 和c h e c k s u m 组 成，从c m d l 开始依次传递，但d a t ac o u n t = o 时，d a t a 部分不传送。 m s dl s d 1 b y t e 1 b y t e 1 b y t en b y t e s 1 b y t e 表2 - 1s o n yr s 4 2 2 通信协议命令格式 其中： c m d 一1 ：c m d - 1 将控制命令归为几大组，每一组都有自己的功能和传递方向。 具体见下表： c m d 1功能方向( 控制端一被控端) 0系统控制 1系统控制返回 一 2动作控制 4 预设和选择控制 6查询+ 7返回 一 表2 - 2s o n yr s 4 2 2 通信协议命令分组表 d a t ac o u n t ：d a t ac o u n t 表示紧跟c m d - 2 后的字节数( 从o f h ) 。 c m d 一2：c m d - 2 是发给或从设备发出返回的特定命令。 第一章系统总体分析与设计 d a i 、a ：d a t a 的字节数和内容因c m d 一2 的不同而不同。 c h e c k s u m ：包括从c m d - 1 d a t ac o u n t 至最后一个数据字节d a t a n 之间所 有字节的总和，c h e c k s u m 用于鉴别数据的准确性并在该字节出错时抛弃该通信 序列。 3 、通信协议： 控制端和被控端的所有通信都是在控制端的字节控制下完成的。当v t r 受 到控制端发来的命令以后，返回如f 命令： 无数据命令返回a c k ； 有数据返回命令c o m m a n d + d a t ： 错误命令或通信出错时返回n a k + 错误码； 在控制端没有收到v t r 响应前，不会发出下一个控制指令。 控制端每一个字节的最大传递时问为l o m s ，超过l o m s 的延时将被作为超时 处理，被控端将发出n a k + 超时错误代码。被控v t r 在收到命令后9 m s 之内发出 相应信号，也就是说，控制端在发出命令后l o m s 仍没有收到对应的响应信号则 当作通信出错，作出相应处理。 设备检测到错误以后，会立即传递一个n a k 信号给控制端。控制端在接到 n a k 信号以后，应立即停止传送命