国内非编网的十年发展史

浅谈国内非编网的十年发展 摘要摘要 本文回顾了国内非线性编辑系统及网络系统发展的过程 并对此发展过程中的各阶段 的技术特点作了简要的描述和总结 关关键词键词 非编网络 发展 一 非编的起源一 非编的起源 从电视技术发展方向来看 电视系统的全面数字化是一个总的发展方向 计 算机技术的发展 促进了多媒体技术的高速发展 计算机技术渗入了电视节目 制作的每一角落 将很多新的概念和思想带到电视制作领域里 使传统的节目 制作方法 节目传输和播出发生了很大变化 电视制作向数字过渡 必须首先 从其核心部分引入非线性编辑系统 非线性编辑系统由计算机平台 视 音 频捕捉 处理和回放的图像卡 声卡 及编辑 特技 动画 字幕软件三部分 组成 用一台计算机替代了编辑机 特技机 字幕机 调音台 二维及三维动 画创作系统等诸多设备 首先我们回顾一下非线性编辑系统的产生 发展的历 史 用剪辑电影胶片的方式来编辑磁带节目 一直是电视编辑工作者梦寐以求 的目标 早在 80 年代初 先驱者用几十台放像机通过一个多路开关对一台录机 下载素材 以做到从任何一台放机取任何一段素材编辑成普通新带 这就是电 视非线性编辑的雏型 虽然原始而笨拙 但却建立了非线性编辑的新概念 90 年代初 视频码率压缩技术的标准化和多媒体计算机的兴起 迎来了用非线性 编辑方式编辑电视节目的春天 1990 年 非线性编辑系统的雏形产品桌面演播系统刚刚上市的时候 一些 有眼光的厂商 一边卖 Video Machine A34 EXE 100P 这些过渡性产品 一边 加紧开发非线性编辑系统 1992 年 ISO 正式颁布了 JPEG 压缩标准 此时 Windows 和 DOS 操作系统下的多媒体软件平台 VFW 和 QuickTime 也已推出 制 造非线性设备的技术条件已经成熟 1993 年美国 ImMIX 公司在 NAB 上首先推出 了 Video Cube 非线性编辑系统 但 Video Cube 的压缩方式采用的是小波变换 方式 而不是 Motion JPEG 紧接着 Media Composer l000 Studio 2300 Media l00 等非线性编辑系统纷纷推出 一台单通道非实时的 Media l00 价格为 80 万人民币 不过 这时的用户只是观望 1995 年 当 AVID 向人们演示 MC 1000 的实时功能时 在一台计算机中插一 块板卡就能替代众多的传统设备 完成电视节目的后期制作 引起了人们的兴 趣 与此同时 DPS 推出了单通道带 SCSI 接口的 PVR3500 集视频采集 压缩 回放于一体 配上 Adobe 公司的编辑软件 Premiere 在一台 PC 机上就可以实 现非线性编辑的功能 Truevision FAST Miro Digital Video Arts 等公司 也向市场抛出自己的板卡 而国产非线性编辑系统以其具有高起点 多通道 多层图像 全实时 易操作的特点 逐渐被用户接受 二 国内非编网十年发展之路二 国内非编网十年发展之路 非线性编辑网络系统是全数字化的电视节目制作系统 它在把电视节目的编 辑 修改 配音 存取等全部信息进行数字化处理和传输的同时 将其网络化 即用高速网络将各种单机非线性编辑工作站连接起来 通过节目信息共享服务 器或网络服务器等实现节目信息共享和各种非线性工作站之间信息的实时传输 交换 它的最大的优势在于保证节目素材和成品节目在反复操作与多次修改不 衰减的前提下 节省人力 节约时间 缩短了制作周期 为各类电视节目的制 作提供了方便 自 1999 年福建电视台成功建成起第一个规模化非线性新闻制播网络系统至 今 国内非编网经历了近十年的发展历程 伴随着电视技术与 IT 技术在这十年 中的巨大发展与飞跃 非编网也经历了几次里程碑式变革与进步 总的说来可 以分为三个有代表性的阶段 下面分别就这三个阶段非编网的技术 特征及影 响等方面加以说明与阐述 如有不当之处 望等到同行们的指正 1 1 划时代的国内第一代非编网划时代的国内第一代非编网 第一代非编网代表时间段可以看作是从 1999 年至 2003 年 大洋公司与福建 台合作建成的非编网拉开了国内非编网建设的序幕 此后国内大大小小的电视 台都加入了轰轰烈烈的非编网建设中来 下面就这一代的非编网相关技术特点 展开阐述 1 11 1 非编系统的硬件 软件特性非编系统的硬件 软件特性 早期的非线性编辑系统大多选择 Macintosh 这是由于 Macintosh 与 PC 机 相比 在交互和多媒体方面有着较大的优势 但随着 Windows NT 奔腾 PRO 芯 片的推出及 PCI 总线的广泛采用 PC 机在性能和市场上优势反而越来越大 因 此这个时期国内非线性编辑系统都倾向于采用奔腾机下的 Windows NT 由于当 时 PC 机硬件性能的限制 这个时期的非线性编辑系统在视音频处理上都是依靠 专业的板卡来完成的 比较有代表性的板卡有 Truevision 公司的 Targa2000 RTX SDX Matrox 公司的 DigiSuite 套卡 Pinnacle 公司的 RealTime 等 其中 国内厂家大多采用 DigiSuite 套卡 譬如 新奥特公司采用此套卡在 PC 机上的 Windows NT 平台开发而成的 NC79 北京大洋公司的 DY3000 索贝的创意 97 DigiSuite 的主要特点 A 率先采用微软 Windows NT 下的 Active Movie 开发平台 B CCIR 601 10bit YUV4 2 2 D1 质量数字视频信号 保证广播级信号 质量 C A B 卷 双路无损 M JPEG 模块 提供了当时最高质量的可供硬盘存取 的数字视频数据流 D Movie 2 BUS 开放结构 支持第三方硬件的开发商 硬件功能可任意扩 展 E 具有 ADO 质量的实时 2D DVE 16bitCD DAT 质量的模拟和数字音频 32bit 图形等非线性编辑系统必备的功能 在软件体系方面国内厂家利用板卡驱动所提供的应用程序接口开发了适合国 内电视台使用的非线性编辑软件 在外观 人性化 功能性等方面都有不错的 表现 这个时候的软件大都采用 C S 的二层架构 数据库主要承担的是基本配 置信息的管理 如 帐号 权限 目录路径等 而对于素材则采用文件式的管 理 具体组织管理方式见下图 整档节目 素材库 1素材库 n CLIP n 节目项 1节目项 n G图文轨 V视频轨 A音频轨 图文媒体文件 视频媒体文件 音频媒体文件 CLIP 1 disk 这种素材管理方式的缺点是过于开放 对目录及文件权限设置稍有不当就会 造成素材的误删 还有就是当素材数量达到一定量的时候 检索或查找素材就 会变得很慢 甚至难以让人忍受 在第二代及以后的非线性编辑系统中采用数 据库来管理素材信息这个问题得到解决 第一代非线性编辑系统绝大部分采用 Motion JPEG 压缩方式 Motion JPEG 压缩方式对活动视频图像通过产生时帧内编码过程单独地压缩每一帧 在编辑 过程中可以随机存取压缩视频的任意帧 而与前后帧无关 这对精确到帧的后 期编辑十分理想 而且 Motion JPEG 的压缩和解压缩是对称的 可以由相同的 软硬件来实现 算法也不太复杂 可以用很小的压缩比进行全帧采集 实现广 播级指标要求 根据压缩比的不同 DigiSuite 套卡在采集过程中 可以同时 生成高低两种码率的文件 低码率的素材文件可以在无卡机上 不带专业视音 频板卡的普通 PC 机 编辑 完成的工程文件可以在有卡机打开 通过编辑信息 映射到高码率的素材实现 0 帧精度回放出广播级质量的信号 正是通过这种思 想 可以实现较少的投入 建设规模较大的非线性编辑网络 毕竟专业的板卡 价格还是非常昂贵的 也是网络建设成本的很大一部分 1 21 2 网络架构及共享存储技术网络架构及共享存储技术 网络的优势就是共享 而最根本的就是共享存储 共享存储带来的最直接的 结果就是素材的共享 并使得只用少数几个上下载设备就可以完成所有上下载 任务 从而实现上下载设备的共享 同时任何一台非编站点上都可以完成编辑 任务 实现编辑设备本身的共享 另外 一个团队可以在网络上共同完成一项 任务 实现任务的共享 因此非线性编辑网络是以共享存储为中心的 非线性 编辑网络存储应综合考虑安全可靠性 数据访问带宽 存储容量 数据容错备 份 读写性能 扩展能力等 以满足视音频数据实时存储共享和传输要求 当 时可选择的网络存储技术主要有 DAS Direct Attach Storage 和 SAN Storage Area Network DAS 即直接附加存储 在这种方式中存储设备是通过电缆 通常是 SCSI 电 缆 直接连接到服务器的 I O 输入 输入 请求直接发送到存储设备 它依 赖于服务器 其本身是硬盘的堆叠 不带有任何存储操作系统 其特点是存储 设备为服务器一部分 该服务器不但提供应用程序的运行 还管理数据的访问 当用户数量增加或者服务器提供其他服务时 其资源被其他程序占用 导致其 存储系统得响应速度变慢 在网络带宽足够的情况下 服务器本身成为数据输 入输出的瓶颈 数据阻塞是 DAS 结构的局限 因此在稍有规模的非线性编辑网 络都不会采用这种存储方式 SAN 存储区域网是指独立于服务器网络系统之外的高速专用网络 这种网络 通常采用高速光纤通道作为传输体 以 SCSI 3 协议作为存储访问协议 将存储 系统网络化 实现真正的高速共享存储 FC Fiber Channel 光纤通道 协议 是一种网络传输层协议 它可以提供高速恒定的网络连接 前提是假设物理链 路层质量可靠 从而减少复杂的冗余校验运算 由于非线性编辑网络要能实时 传输多路高码率视频数据流 因此当时选择光纤作为传输介质也是必须的 为 了实现 SAN 上的数据共享 还需要运行存储管理软件 实现多台主机对同一个 卷的同时读写 譬如 知名的综合存储管理软件 Tivoli SANergy SAN 需要一 个 MDC Meta Data Controller 元数据控制器 服务器来负责硬件安装及控 制安全性和分配信息 拿 SANergy 来说 MDC 客户端 装有 SANergy 的有卡非 线性编辑工作站 通过以太网向 MDC 申请文件存储的位置 MDC 返回数据存储 在磁盘的阵列的指针 MDC 客户端即可以通过 SAN 网络存取数据 通过 MDC 的 工作流程容易看出在 SAN 中还需要以太网来传输元数据 控制信息 这就形成 了常见的 FC LAN 的双网架构如下图 1 31 3 第一代非编网络管理及业务管理功能很弱第一代非编网络管理及业务管理功能很弱 没有网络管理监控平台对服务器 网络设备 存储设备 应用软件的运行情 况进行实时监控 也没有人员对非线性编辑系统使用情况 使用时间 节目制 作量等业务数据进行记录和统计 因此 第一代非线性编辑网络管理功能很缺 乏 2 2 过渡型的第二代非线性编辑网络 过渡型的第二代非线性编辑网络 由于动态编码技术如 MPEG 2 DV DVCPRO 在硬件和软件上的不断成熟 原 来单一的帧内 Motion JPEG 编码技术由于产生的文件过大 占用带宽较多而显 得落伍了 与此同时计算机硬件性能 网络技术都要了很大的提升和发展 譬 如 Intel Pentium 4 CPU 的出现并逐渐普及 大容量内存价格不断走低 高 速以太网技术的大规模运用 另外第一代非线性编辑网络在网络管理 业务管 理功能太弱以及数据库技术没能得到广泛应用等这些综合因素导致第一代非线 性编辑网络被更为完善的第二代非线性编辑网络所取代 代表年份从 2003 至 2005 年 2 12 1 非编系统的硬件 软件特性非编系统的硬件 软件特性 第二代非线性编辑系统硬件架构上与第一代相似 也是 PC 机在安装专业视 音频板卡来实现的 但是具体配置上与第一代不尽相同 这一代的非线性编辑 系统主机配置较高 一般都采用 Intel Pentium 4 CPU 512MB 内存 内置上百 GB 的 SCSI 硬盘 并且支持 1394 接口的素材采集 板卡也由第一代下的 DigiSuite LE 升级为 DigiSuite DTV LX DigiSuite LE 卡是 DigiSuite 卡的简化版 是一种性价比较高的全实时视 音频处理卡 与 DigiSuite 卡相比 只支持四层实时处理 无直通视频层 不 支持实时 3D 处理 倒放和音轨调音功能 字幕效果简单 DigiSuite DTV 卡是 Matrox 公司专门针对当时两个较为主流的数字视频格式 DV 格式和 MPEG 2 格式而开发的 它的基本编辑功能通道编辑及字幕卡类似于 DigiSuite LE 卡 二者的主要区别是 DTV 卡注重原始 DV 格式的采集 编辑 输出一体化 输出 兼顾 MPEG 2 DigiSuite DTV 卡可以用于广播电视传输 DVD 刻录及网络视频 传输等方面 配有齐全的模拟和数字输入 输出接口 DigiSuite DTV 卡上有 2 个压缩 解压功能 DigiSuite DTV 卡支持 DV25 5 1 DV50 3 3 1 或 MPEG 2 MP ML MPEG 2 4 2 2 P ML I 帧的 10bit 信号 3 3 1 压缩格式 DV25 与 DV50 可混编 输入输出接口相应地增加了 DV1394 接口 SDI 数字接口 SDTI 数据倍数接口以及 MPEG 2 IBP 格式 15Mbps 或 50Mbps 的输出 但其内部 仅以 DV 格式进行视频处理 他还支持以 MPEG 2 4 2 2 为基础的 I 帧编辑 特 点是数据流可变 DV 格式的数据流是固定的 第二代非线性编辑系统在软件上更加人性化 功能更强大 支持更多层的视 频图文轨 除了基于板卡的硬件特技 各厂家也开发了各自的视频特技插件 在音频方面改变了第一代非线性编辑系统音频处理能力薄弱的状况 使非编成 为真正意义上的视 音频编辑系统 系统至少有 8 轨实时音频 可合成 1 4 声道输出 支持多轨音频的 MIX 特技 回音 混响 均衡 变调 动态平稳等 效果 支持 V 型 X 型过渡 具有灵活的音量调节功能 可调节时间线上一点 的音量 也可对某段的音量整体上下调节 系统具有调音台功能 时间线上多 轨音频在合成输出时 可通过音频映射表方便控制音频的输出声道 第一代非线 性编辑系统都是以位图 TGA 方式处理字幕因此显得十分呆板 而第二代的系 统依靠底层软件算法和结构体系的革新 系统完成了面向对象的字幕处理方式 的支持 在非线性编辑系统中不仅完全保留了字幕机的播出效果 更实现了在 时间线上多层字幕的制作与播出 在对素材的管理上也从基于文件的管理变为 数据库的管理 这样就提高了素材的安全性和素材的检索速度 2 22 2 网络架构及共享存储技术网络架构及共享存储技术 由于高速以太网技术的发展 这一代的非线性编辑网络除了 SAN 的双网架构 还出现了纯以太的 NAS 存储技术 NAS Network attached storage 是一种硬盘 存储 它不附属于为网络用户提供服务的应用服务器上 而是被直接连接在以 太网上 并拥有自己 IP 地址 NAS 从物理结构上看 通常由一定量的磁盘阵列 作为存储空间并提供一个 I O 存储调度和网络文件分发的 NAS 头服务器组成 所谓 NAS 头服务器实际上是一个独立服务器系统 这种服务器系统去掉了通用 服务器原有的大多数计算功能 只提供 I O 存储处理和管理 网络文件系统分 发 提供 NFS 和 CIFS 共享服务 等专有功能 NAS 系统用基于 IP 网络的网 络文件协议向多种客户端提供文件级 I O 服务 使用 NAS 存储空间的其他主机 不需要维护文件系统 单独的 NAS 设备不能满足大规模非线性编辑网络的实时 编辑读写带宽 系统扩展性和存储容量的需求 因此 必须通过集群技术将多 个 NAS 设备集合使用 就如同一台 NAS 设备一样 采用多个 NAS 机头组成的 NAS 群集架构 前端可以提供很好的负载均衡的网络带宽保障 后端可以直接 连接或通过 SAN 光纤通道连接后端的存储系统上 为规划存储增长带来最大的 灵活性 大幅提升了存储系统的利用率 充分体现了存储系统和存储管理软件 的实用价值 从而大大降低了运营成本如下图 2 32 3 网络管理与业务管理比第一代有较大的提高网络管理与业务管理比第一代有较大的提高 网络管理软件可对用户账号 权限 栏目 节目文件信息 磁盘空间 设备 使用情况等进行全方位管理 可控制各栏目对系统资源的使用 通过引入 账 号 管理来设定使用者的修改权限 从而避免了对素材的误操作 任何目录对 于不具有其读写权限的用户来说是不可见的 系统提供的灵巧实用的众多素材 管理工具解决编辑人员最担心的素材删除与整理问题 3 3 变革型的第三代非线性编辑网络变革型的第三代非线性编辑网络 前两代的非线性编辑系统都是基于专业视音频板卡的系统 系统的性能主要 依赖于硬件板卡 这类系统在视频处理方面基本不占用计算机资源 对于计算 机平台的配置要求相对较低 而且采用专门设计的芯片来实现视频解码 特技 处理和画面合成 可以保证系统地实时性 但是 因为受到硬件板卡的限制 系统所能处理的视频压缩格式 特技效果的种类 实时性能都被固化了 无法 支持更多种格式的视频文件 不能支持多种格式混编 软件主要用来实现操作 界面 控制板卡完成相应的工作 无法实现更多的功能 而且 由于大量实用 专用芯片结构复杂 功耗大 发热量高 是系统稳定性差 故障率高 另外 专业的视音频板卡绝大多数是国外公司生产 核心硬件上被垄断 而失去价格 的话语权 非线性编辑系统很大一部分利润被国外厂商占有 非线性编辑系统 的国产化程度不高 新一代的非线性编辑系统采用 CPU GPU I O 的架构 系统 完全摆脱了对硬件板卡的依赖 软件技术成为最核心的技术 而且国内像北京 大洋 成都索贝这样的厂家都能够生产自己的 I O 卡 因此非线性编辑系统国 产化程度大大提高 在以太网技术上由于主干万兆 桌面千兆的出现并逐渐普 及 纯以太的大规模非线性编辑系统组网成为现实 所以说第三代非线性编辑 网络是具有变革意义的 3 13 1 非编系统的硬件 软件特性非编系统的硬件 软件特性 新一代的非线性编辑系统即所谓的 CPU GPU I O 架构系统 是建立在当今 CPU GPU 性能得到大幅提高的基础上的 GPU 英文全称 Graphic Processing Unit 中文翻译为 图形处理器 GPU 是相对于 CPU 的一个概念 由于在现代 的计算机中图形的处理变得越来越重要 需要一个专门的图形的核心处理器 随着 GPU 性能和 GPU 编程技术的不断提高 GPU 能够独立完成 2D 3D 特技处理 和视频数据合成 与专门负责编解码的 CPU 相结合 就组成了 CPU GPU 的非线 性编辑系统 工作原理如下图 CPU GPU IEEE1394 总线 MIX 2D DVE 3D DVE 1394 适配器 Disk Codec PCI E 总线 PCI 总线 PCI 总线 I O 板卡 DV 格式输出 基带信号输出 CPU 从硬盘中读取视频数据 并通过软件编解码为基带视频数据 然后通过 PCI E 总线发送给 GPU GPU 完成 2D 3D 特技处理和视频数据合成 再通过 PCI E 总线回传给 CPU CPU 将数据通过 PCI 总线传输给 I O 板卡转换成基带信 号输出 这一代的非线性编辑系统一般都配置了 1394 卡 支持 1394 采集 I O 板卡 采集视频和音频信号 可以达到 10 比特高质量视频 24 比特音频 视频接口 支持 SDI 模拟分量 模拟复合 Y C 1394 S Video 等 音频接口支持 ANALOG SDI AES EBU 等 CPU GPU I O 构架系统完全摆脱了对硬件板卡的依赖 软件技术成为核心 实现基于标清节目制作 平滑向高清升级 多种格式素材能够的混编 对 P2 蓝光等存储媒质更好的支持 同时原有专用系统变成了普通的高性能通用计算 机 整个系统的性能可随着计算机平台性能的提高而提高 软件方面 非线性编辑系统软件都采用了科学 人性化图形界面 嵌入文稿 模块及媒资检索模块 方便协同工作 实现全台共享及提高制作效率 能够实 现 3 层 50Mbps 码流 4 轨音频和 4 层字幕的实时编辑制作 对不能实时的部分 提供了智能打包功能 特技具有开放性 支持第三方特技插件 系统大多内嵌 字幕模块来实现常规字幕 唱词等功能 所有字幕可以在轨上基于时间线操作 可实现 8 轨以上的实时字幕 每轨字幕都可以实现不同的特技 模板化的资源 管理方式 所有字幕文件都资源管理器中实现了统一管理 无论字幕镜头 物 件 唱词 滚屏 甚至物件属性 字体 颜色 特技 大小等 都可当作模板 保存 支持同时多个故事板文件的编辑 故事板间随意切换 可方便地进行故 事板间的块操作 如复制 粘贴等 以实现不同故事板资源的灵活交互 高级 的备份和恢复机制 提供多步恢复列表 能在意外退出软件后仍然保留故事板 的所有历史操作记录 以供恢复使用 在对音频处理方面功能也更为强大 除 了常规的音频调整还支持音频特技 特效制作 3 23 2 网络架构及共享存储技术网络架构及共享存储技术 当前 千兆以太网技术的成熟运用 新一代 CPU GPU I O 架构的非线性编辑 系统比基于视频板卡的系统具备更好的性能 特别是新一代非编具有了更大的 缓存调用机制 远远大于基于视频板卡的非编几帧的缓存 有效降低了网络吞 吐带宽的约束 在此基础上通过灵活的组网 使得千兆以太网能够承载高码率 大数据量的视音频文件 并能提供实时编辑的读写带宽 由于基于 IP 的千兆 以太网组网成本远低于 FC 网 且具备完善的网络管理能力 千兆以太网正逐 步成为非线性编辑网络的基础架构 上面已经谈了 NAS 技术这里说说基于 iSCSI 协议的 IP SAN 技术 iSCSI internet SCSI 是 IETF 互联网工程任务小组 制定并于 2003 年 2 月正式发布的标准协议 可理解成 SCSI over IP 即网络上的 SCSI 它实际 是将 SCSI 命令封装到 IP 包中 从而使数据块在网络上传输 iSCSI 融合了 SAN 和 NAS 的优势 它基于 IP 协议 却拥有 SAN 大容量集中开放式存储的优点 相 对于以往的网络接入存储 iSCSI 的出现解决了开放性 容量 传输速度 兼 容性 安全性等问题 下表是 NAS SAN 和 iSCSI 的对比 比较项目比较项目 SANSANNASNASiSCSIiSCSI 连接方式 FCIPIP 存储共享方式数据块级文件级数据块级 数据交换速率2Gb s 4Gb s 8Gb s 100Mb s 1Gb s1Gb s 2Gb s 4 Gb s 性能很高中高 支持距离最高 100km 无中 继 无限制无限制 开放性 灵活性强弱强 非编网络 应用稳定性 很高带宽不稳定 延时明 显易导致死机 高 对非编系统 的要求 很低很高较高 可用性很好好好 建设成本高低中 管理较复杂简单简单 IP SAN 继承了 SAN 的所有优点 在性能上也接近 FC SAN 的性能 但由于 采用的是千兆以太网 并且不采用 FC 磁盘阵列 导致成本大幅度降低 在 IP SAN 组网方案中可采用 SATA 磁盘阵列 理论吞吐带宽为 20