廣播級(jí)視頻切換臺(tái)系統(tǒng)設(shè)備，作為廣電行業(yè)節(jié)目制播的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各種信號(hào)的接入和切換輸出，該類設(shè)備長(zhǎng)期被國(guó)外廠商壟斷，國(guó)產(chǎn)化的廣播級(jí)超高清IP視頻切換臺(tái)產(chǎn)品還處于空白狀態(tài)。市場(chǎng)上主流的廣播級(jí)視頻切換臺(tái)基于FPGA架構(gòu)開發(fā)，硬件開發(fā)成本大、周期長(zhǎng)，且相關(guān)廠家已擁有較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積淀，技術(shù)壁壘高，難以突破。

　　視頻切換臺(tái)的功能單一，切換效果固化且簡(jiǎn)單，需要配備多種設(shè)備擴(kuò)展其功能，整體流程復(fù)雜，人力、物力資源消耗大，各類超高清制播設(shè)備的價(jià)格也較昂貴，以致超高清節(jié)目制播成本居高不下。

　　IP化標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)復(fù)合流發(fā)展、分離流發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)和資源管理發(fā)展等階段，多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已非常成熟。使用IP化技術(shù)進(jìn)行視頻信號(hào)的傳輸調(diào)度已成為下階段發(fā)展中的共識(shí)，可充分解決現(xiàn)有環(huán)境下制播系統(tǒng)向超高清發(fā)展面臨的困境。

　　國(guó)產(chǎn)化的SDN交換設(shè)備日漸成熟，在多地都已經(jīng)完成了實(shí)際應(yīng)用案例。

　　新奧特超高清全I(xiàn)P視頻切換臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)超高清全I(xiàn)P視頻切換臺(tái)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用全I(xiàn)P架構(gòu)，基于SDN交換機(jī)+通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)。系統(tǒng)充分考慮應(yīng)用流程簡(jiǎn)化、靈活操控、成本控制等問(wèn)題的同時(shí)，也滿足了超高清節(jié)目制作中用戶在包裝特效、新媒體支持、多場(chǎng)景制作等方面的提出的需求。

　　系統(tǒng)基于通用SDN交換機(jī)和軟件定義體系架構(gòu)，研發(fā)切換臺(tái)調(diào)度管控軟件和視頻信號(hào)處理模塊，以較低成本實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模SMPTE ST 2110 4K IP視頻信號(hào)低延遲傳輸和凈切換，以基于GPU的超高清三維渲染引擎呈現(xiàn)切換臺(tái)的三維多視窗和CG轉(zhuǎn)場(chǎng)特效。

　　系統(tǒng)同時(shí)具有超高清視頻文件播放、三維圖文渲染包裝、流媒體信號(hào)接入和輸出、字幕制作、Tally控制、錄制等功能，實(shí)現(xiàn)全媒體現(xiàn)場(chǎng)制作。

　　系統(tǒng)基于軟硬一體設(shè)計(jì)，硬件面板配置通道按鍵、轉(zhuǎn)換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉(zhuǎn)場(chǎng)按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時(shí)部署在PC端及PAD、手機(jī)等移動(dòng)端。軟硬面板可協(xié)同工作，模塊化擴(kuò)展，適配不同應(yīng)用場(chǎng)景。

　　系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)，功能完善，靈活可變等特點(diǎn)，可滿足電視臺(tái)的超高清、超融合、全媒體節(jié)目發(fā)展變化和節(jié)目制播需求。

　　國(guó)產(chǎn)超高清全I(xiàn)P視頻切換臺(tái)系統(tǒng)已在超高清節(jié)目制作中實(shí)踐應(yīng)用，可滿足相關(guān)部門的節(jié)目生產(chǎn)要求，提高了節(jié)目生產(chǎn)效率，安全可靠。

　　系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　項(xiàng)目主要技術(shù)參數(shù)、系統(tǒng)指標(biāo)：

　　?支持IP 2110信號(hào)的輸入和輸出;

　　?支持色域ITU-R BT.709和色域ITU-R BT.2020的渲染輸出;

　　?支持SDN IP調(diào)度管理;

　　?系統(tǒng)信號(hào)輸入數(shù)量與交換機(jī)相關(guān)，支持超大規(guī)模信號(hào)調(diào)度管理;

　　?系統(tǒng)支持PTP時(shí)鐘鎖相;

　　?支持PGM信號(hào)和PVW信號(hào)的凈切換輸出;

　　?具備信號(hào)切換模塊，支持信號(hào)硬切換、特技切換、動(dòng)畫轉(zhuǎn)場(chǎng)切換;

　　?支持多格式本地視頻文件的邏輯設(shè)置和播出;

　　?支持三維多視窗場(chǎng)景的編輯和輸出;

　　?支持流媒體信號(hào)的輸入和輸出;

　　?支持三維圖文包裝內(nèi)容渲染;

　　?支持Tally控制;

　　?支持本地文件錄制;

　　?支持硬件操控面板的控制;

　　?支持虛擬軟面板的控制;

　　?支持硬件面板和虛擬面板的系統(tǒng)操控;

　　項(xiàng)目技術(shù)及工藝創(chuàng)新要點(diǎn)：

　　項(xiàng)目技術(shù)點(diǎn)：

　　a.技術(shù)架構(gòu)

　　本系統(tǒng)中包含視頻信號(hào)調(diào)度模塊、視頻處理模塊及控制模塊。視頻信號(hào)調(diào)度模塊包含SDN調(diào)度管理服務(wù)器;視頻處理模塊中包含SMPTE ST 2110 IP信號(hào)接入、文件播放、圖文包裝、流編解碼、Tally、信號(hào)錄制、信號(hào)切換、特技切換、三維多視窗場(chǎng)景切換等多個(gè)功能組件;控制模塊中包含硬件操控面板、軟操控面板。系統(tǒng)采用全I(xiàn)P架構(gòu)，強(qiáng)大的渲染能力，將諸多演播室功能融合于系統(tǒng)內(nèi)部，無(wú)需額外增加設(shè)備。

　　功能模塊架構(gòu)

　　b.信號(hào)調(diào)度凈切

　　基于通用SDN交換機(jī)和軟件定義體系架構(gòu)，研發(fā)切換臺(tái)調(diào)度管控軟件，滿足無(wú)壓縮、低延遲4K IP視頻信號(hào)調(diào)度應(yīng)用需求，支持SMPTE ST 2110、SMPTE ST 2022-7、SMPTE ST 2059-2等標(biāo)準(zhǔn);支持SDN交換機(jī)端口管理，流信號(hào)的管理和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)的一鍵式切換。

　　本系統(tǒng)采用創(chuàng)新無(wú)壓縮IP視頻信號(hào)雙層調(diào)度切換機(jī)制，用戶使用操控面板發(fā)出切換指令，視頻信號(hào)調(diào)度模塊聯(lián)合視頻處理模塊，最終完成SDN交換機(jī)中IP 2110信號(hào)的調(diào)度和視頻處理模塊的畫面凈切換輸出。全I(xiàn)P架構(gòu)，靈活性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，可通過(guò)交換機(jī)端口擴(kuò)展，以較低成本實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模ST 2110 4K IP視頻信號(hào)低延遲傳輸和凈切換。

　　通用型SDN交換機(jī)+創(chuàng)新調(diào)度

　　c.三維渲染引擎

　　視頻處理模塊中的超高清三維渲染引擎，采用了諸多先進(jìn)的算法和技術(shù)語(yǔ)言，提供了豐富的功能組件：

　　渲染引擎采用通用的三維渲染技術(shù)Direct3D和與之配套的高性能GPU。渲染引擎內(nèi)部采用16位RGBA浮點(diǎn)渲染，并采用浮點(diǎn)紋理格式，擁有遠(yuǎn)超常規(guī)整數(shù)渲染的高動(dòng)態(tài)范圍和高精度;三維渲染引擎使用GPU語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了高效的多路超高清畫面色彩空間和像素格式的轉(zhuǎn)換算法，使用GPU支持的快速內(nèi)存操作保證了大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上保證了使用10bit格式輸入輸出多路HDR視頻的實(shí)時(shí)性;三維渲染引擎具備強(qiáng)大的視頻播放能力。其技術(shù)涉及CPU解碼、GPU上載、GPU紋理處理、幀/場(chǎng)處理和渲染展示等。

　　搭載超高清三維渲染引擎，視頻處理模塊可完成視頻切換臺(tái)中畫面轉(zhuǎn)換的渲染，可為轉(zhuǎn)換提供CG轉(zhuǎn)場(chǎng)特效，CG轉(zhuǎn)場(chǎng)特效設(shè)置簡(jiǎn)單，畫面效果豐富。內(nèi)置的超高清視頻播放列表和多視窗場(chǎng)景資源也可作為信源通道參與切換;內(nèi)置的圖文包裝播出列表可完成圖文字幕的渲染和疊加。

　　三維多視窗場(chǎng)景

　　d.軟硬面板一體化操控

　　系統(tǒng)基于軟硬一體設(shè)計(jì)，硬件面板配置通道按鍵、轉(zhuǎn)換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉(zhuǎn)場(chǎng)按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時(shí)部署在PC端及PAD、手機(jī)等移動(dòng)端。軟硬面板可協(xié)同工作，模塊化擴(kuò)展，適配不同應(yīng)用場(chǎng)景。

　　操控指令

　　e.同步信號(hào)

　　PTP時(shí)間精度可達(dá)到亞微秒級(jí)，可滿足廣電行業(yè)更高精度的時(shí)間同步要求。本系統(tǒng)中配置一套同步系統(tǒng)采用ST 2059-2 的PTP 信號(hào)，所有IP設(shè)備均可聯(lián)通PTP時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)全環(huán)境中信號(hào)的時(shí)鐘同步。

　　f.延遲

　　在IP系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸，同樣也會(huì)有延遲的問(wèn)題，系統(tǒng)流程上設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)處理或系統(tǒng)間信號(hào)傳輸交互都需要耗費(fèi)一定的時(shí)間。本系統(tǒng)中交換機(jī)傳輸、視頻處理模塊切換構(gòu)成了系統(tǒng)輸入到輸出的總體延遲。

　　視頻處理模塊接收到IP 2110信號(hào)流后，先進(jìn)行信號(hào)的采集解碼，然后將視頻內(nèi)容和音頻內(nèi)容分別推送至視頻池和音頻池。視頻池中的內(nèi)容經(jīng)過(guò)切換處理后通過(guò)內(nèi)部鍵混增加圖文字幕信息，最終視頻畫面內(nèi)容被推送到IO卡進(jìn)行編碼輸出。音頻池中的內(nèi)容也遵循音頻混合邏輯，在音頻混合器中完成合成，被推送到IO卡進(jìn)行編碼輸出。音頻內(nèi)容和視頻內(nèi)容在視頻處理模塊渲染引擎中進(jìn)行高速處理合成，有效降低了系統(tǒng)的整體絕對(duì)延遲。

　　視頻處理模塊內(nèi)部流程圖

　　g.Tally控制

　　系統(tǒng)提供Tally控制模塊，可通過(guò)TSL 5.0協(xié)議發(fā)布三色Tally信息。系統(tǒng)中需要Tally顯示的攝像機(jī)，聯(lián)通與Tally模塊的通信。當(dāng)切換處理核心模塊進(jìn)行信號(hào)切換時(shí)，會(huì)將切換信息傳送給Tally模塊,由Tally模塊將信息發(fā)送至接收端。

　　h.音頻處理

　　系統(tǒng)提供虛擬調(diào)音臺(tái)，系統(tǒng)為接入信號(hào)(SMPTE ST 2110、NDI、流媒體、DDR)自動(dòng)創(chuàng)建一路音頻控制器。系統(tǒng)還可支持外置聲卡的接入，支持音頻的輸入和輸出。

　　音頻控制器支持UV表顯示和調(diào)節(jié)，Tally顯示，伴隨及禁音狀態(tài)顯示。虛擬調(diào)音臺(tái)默認(rèn)切換邏輯為“伴隨切換”，音頻輸出通道的內(nèi)容會(huì)隨著PGM通道內(nèi)容切換自動(dòng)進(jìn)行切換，未進(jìn)入PGM通道播出的信源的音頻內(nèi)容被自動(dòng)禁音。另外系統(tǒng)還支持“禁音”和“伴隨混音”的邏輯，“禁音”設(shè)置具有最高權(quán)限;音頻控制器“伴隨混音”設(shè)置打開，該路音頻內(nèi)容將會(huì)持續(xù)在輸出通道中進(jìn)行混音。

　　i.系統(tǒng)安全

　　為確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與安全，系統(tǒng)在程序運(yùn)行平臺(tái)、信號(hào)冗余保護(hù)、應(yīng)急處理等方面都做了一定的考慮和處理：

　　基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)切換臺(tái)調(diào)度管控軟件，系統(tǒng)具有高安全性、高靈活性、管理靈活等特點(diǎn)。

　　本系統(tǒng)SDN交換機(jī)支持主備流配對(duì)，切換時(shí)支持同步切換。在核心處理系統(tǒng)中，支持SMPTE ST 2022-7主備路冗余信號(hào)的同時(shí)輸入和同步凈切換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的冗余保護(hù)

　　基于異態(tài)路由調(diào)度策略機(jī)制，實(shí)現(xiàn)一鍵智能應(yīng)急切換。操控面板配備智能應(yīng)急按鍵。當(dāng)切換臺(tái)輸出信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)急人員無(wú)需判斷故障節(jié)點(diǎn)，只需按智能應(yīng)急按鍵進(jìn)行應(yīng)急。系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)置的異態(tài)路由調(diào)度策略機(jī)制以及按鍵的次數(shù)進(jìn)行緊急切換應(yīng)急。應(yīng)急操作簡(jiǎn)單，從而提高應(yīng)急效率。

　　工藝創(chuàng)新要點(diǎn)：

　　a.研發(fā)切換臺(tái)調(diào)度管控軟件和視頻信號(hào)處理模塊，以較低成本實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模ST 2110 4K IP視頻信號(hào)低延遲傳輸和凈切換，實(shí)現(xiàn)對(duì) IP視頻流的實(shí)時(shí)切換和特效處理;

　　b.本系統(tǒng)具備超強(qiáng)的本地超高清視頻播放能力;支持多種流媒體信號(hào)接收;系統(tǒng)內(nèi)嵌在線包裝模塊，可實(shí)現(xiàn)三維圖文包裝內(nèi)容的內(nèi)部疊加和字幕播出;系統(tǒng)具備音頻處理模塊，支持聲音的多種控制邏輯;系統(tǒng)支持PGM信號(hào)錄制為多格式本地文件和多格式、多編碼、多地址指向的流媒體推送;支持TSL 5.0 Tally信號(hào)的發(fā)布，多功能融合，可實(shí)現(xiàn)全媒體現(xiàn)場(chǎng)制作。

　　c.系統(tǒng)基于軟硬一體設(shè)計(jì)，硬件面板配置通道按鍵、轉(zhuǎn)換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉(zhuǎn)場(chǎng)按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時(shí)部署在PC端及PAD、手機(jī)等移動(dòng)端。軟硬面板可協(xié)同工作，模塊化擴(kuò)展，適配不同應(yīng)用場(chǎng)景。