基于12G SDI技術的超高清電視播出系統設計研究

夏旭

摘要：隨著《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》的發布與實施，為進一步實施“4K先行、兼顧8K”的行業發展戰略，提升超高清電視播出系統的建設運行效率，有必要對12G SDI技術進行深入探究。文章基于12G SDI技術設計了超高清電視播出系統架構，分析了系統功能配置及實現情況，并從信號源接入轉換、視頻播放存儲、播出控制、延時播出、高標清同播等方面展開了論述，希望能夠為超高清電視播出系統的設計開發提供一些借鑒。

關鍵詞：12G SDI技術；超高清；電視播出系統

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.007

中圖分類號：TN 949.17? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-03

近年來我國經濟快速發展，產業格局升級迭代趨勢明朗，各種先進的技術手段不斷涌現，為各行業領域的發展注入了活力。電視視頻行業受到滋養和驅動，同樣步入了高質量發展新階段，如何優化電視視頻畫質，實現12G SDI技術的融合應用，成為諸多電視視頻制作者關注的焦點。

1? ?基于12G SDI技術的超高清電視播出

系統架構

4K超高清電視播出系統建設之初，采用4線3G SDI接口傳輸信號，雖然能夠保證畫質的優化提升，但是容易造成設備系統冗余問題，12G SDI就是在這種背景下產生的。與傳統技術相比，12G SDI接線方式更簡單，可以將4根線纜整合為1根，系統部署更加簡潔，傳輸速率更高。為滿足新時期用戶對電視播出畫質的高要求，需要借助12G SDI技術進行新播出系統的搭建。本文中設計的系統架構主要包含3個層級，即資源層、服務層和應用層。其中，資源層包含各種網絡物理設備、存儲物理設備、數據庫物理設備等，是整個系統的物理基礎；服務層主要負責管理各功能算法，提供時鐘服務、日志服務等，系統設計人員可以在此編寫各功能板塊規則，實現功能的針對化設計應用；應用層主要包含人機接口，工作人員可以通過該板塊進行SDI遠程播出控制，實現信號的接入轉換、視頻的播放存儲、節目單的修改等。當系統正式運行時，總編室可通過平臺獲取備播節目信息，開展節目單編排工作，關聯好所有的節目文件，然后通過12G SDI接口向數據庫提交編排好的節目單，整合素材信息、節目單通過審核后完成節目的播放。值班人員可手動加載和追加節目單，并根據播出情況調整服務器參數，完成基于12G SDI的超高清電視節目播出。下面詳細介紹超高清播出系統的關鍵功能模塊。

2? ?基于12G SDI技術的超高清電視播出

系統功能配置

2.1 信號源接入及轉換功能

該功能主要負責接收演播室直播信號、VTR視頻信號等，經由CPU控制板識別處理后，傳輸給視頻播放及存儲模塊，實現超高清電視節目的播出。該板塊設計的關鍵問題在于物理設施的配置和視頻鏈路的設計。在物理設施配置方面，主要采用模塊化機箱，內部的CPU控制板、電源等支持在線熱插拔，能夠在12G SDI串行控制接口的輔助下，完成數據信息的傳輸和處理。機箱對接4塊面板，2塊AUX母線面板[1]，可以用于播出和矩陣信號的調度監看。視頻鏈路設計采用“分控矩陣+ALL IN ONE”的方式，多個頻道共用主備分控矩陣。各傳輸鏈路相對獨立，自適應線纜均衡，能夠滿足光纖接口和幀同步需求，線纜輸入長度在100 m以上，輸出信號還支持時鐘再生?？偪貙拥脑O備全部經過優化評估，采用全高清配置標準，且支持遠程遙控、監控和12G SDI串行通信。另外配備了3×1切換器，能夠在電視播出過程中完成信號的應急倒換，配合前置矩陣等完成熱備通道的切換和啟用。

2.2 視頻播放及存儲功能

視頻播放模塊需要完成6個超高清頻道的播出任務，因此采用了基于12G SDI的主備雙SAN架構，可以將所有頻道集中在一套SAN架構中，實現集中存儲和資源共享，方便審核人員集成審片，節約時間。遇到延時播、應急上載播出的情況，可以另外調用單機服務器進行播出控制。視頻服務器配置了2 GB以太網接口，能夠在FTP、CIFS等協議的支持下完成播控信息的傳輸。普通視頻文件符合MXF OPla標準；超高清視頻本身占用的資源較多，因此采用MPEG-2編碼壓縮管理方式，壓縮后傳輸效率可以達到50 Mbps。系統可以根據需求進行4∶2∶2或4∶2∶0數字視頻采樣。音頻采用嵌入方式，單路視頻可以嵌入多路數字音頻信號，滿足超高清電視的差異化播出需求，后臺還可以實時更換幀精準度，方便節目集間插播廣告。此外，視頻服務器運行環節還需要考慮頻道內容的存儲問題，12G SDI超高清電視播出系統共對接3個演播室、6個頻道，每天可保持6小時左右的生產量，且素材存儲時間要至少滿1個月，因此存儲空間計算結果為25.3 TB。在此基礎上考慮了超高清播出系統的緩沖需求，按照20%的緩沖空間計算，將整個平臺的有效存儲空間定為31.6 TB，分析后發現能夠滿足視頻存儲需求。

2.3 播出控制功能

12G SDI超高清電視播出系統物理層對接的設備類型是非常多樣的，控制管理不到位很容易出現異常問題，因此系統中還專門開通了人工播出控制功能，可以協調控制視頻服務器、切換設備、鍵混設備等，保證各頻道節目的正常播出，以及臺標、字幕等的正常疊加。為保證系統運行安全性，各個頻道均采用了主備播出站模式，可以分別控制主備播出解碼通道，人工后臺操作信號倒換裝置可完成設備的遠程控制。超高清電視播出系統運行環節，各頻道播出工作站的信息會匯聚到主播出工作站中，在站內集成控制所有設備，并向下級工作站傳遞節目單信息，共享控制信息和設備狀態信息。一旦出現故障問題，備播出工作站、熱備播出工作站便會被啟用，進而及時接管運行中的播放設備，完成系統的熱備份與熱切換，避免故障引發的電視播出中斷問題。該部分的控制主要依賴于內置422控制卡，能夠將人工指令轉化為422信號[2]，供各設備識別和接收，主備轉換部分同樣配置422自動倒換開關，可以完成播控機的自動或手動切換。部分情況下頻道會出現節目單緊急變更的情況，工作人員還可以通過桌面KVM進行切換，將桌面集中監看界面轉換為單界面，通過單界面快速修改節目單，增強應急響應能力。若多個頻道出現節目單緊急修改需求，還可以將播控界面分發到不同顯示器中，方便播出主管、主崗、副崗同時操作修改。

2.4 延時播出功能

延時播出是電視直播節目制作過程中極為重要的技術手段，主要用于突發事件處理、技術故障處理、節目編排剪輯等，工作人員可以利用延時時間刪減舞臺意外情況，剪除導演切換失誤、傳輸信號中斷等不完美畫面，進而保證電視節目的播出效果。在本文中的12G SDI超高清電視播出系統設計過程中，同樣配備了延時播出功能，內部配備兩套延時播出設備，采用矩陣自環布置方式，一備一用，能夠實現信號AFD的信息透傳和超高清畫面的延時播出。在實際播出過程中，工作人員可以通過系統平臺進行手動素材錄制或自動素材錄制，為重播節目的剪輯制作提供支持，還可以手動或自動調整延時量，提高播出控制的靈活性。在延時播出模塊的人機交互界面中，會實時顯示系統時間、播放時間，以及錄制時間和審片時碼等，能夠更好地幫助工作人員進行播出管控，動態延時量也會不斷更新和顯示，提供雙時碼軌，可以同時顯示錄制時碼和播出時碼，使播控情況一目了然。延時時間段內可執行的操作也是非常多樣的，如素材刪除、插入、覆蓋或者素材定位、插播等[3]，所有的編輯都是支持撤銷的，增強了后臺播控的可操作性?？紤]到部分直播畫面總用時較長，系統內還開放了標記點功能和保護區功能，工作人員可以快速標記和定位關鍵畫面，瀏覽待播素材，有助于降低播出事故發生風險。

2.5 高標清同播功能

高標清同播模塊集成了12G SDI技術和AFD技術，能夠對節目采編、播出進行全流程把控。AFD技術全稱為活動圖像格式描述，主要用于描述視頻編碼幀中人們感興趣的圖像的幅型比。雖然舊有體系中已經實現了對AFD技術的應用，但整體的靈活度不足，無法實現高效率轉化，高標清同播效果較差。12G SDI技術的出現加快了數據處理效率，簡化了后臺設備結構，給AFD的靈活運用創造了更多可能。本文中系統平臺主要開通了編單系統，可以在ADF技術支持下調整節目幅型，將原有節目轉換為xml格式，并傳送到播出系統中，實現高標清同播。面對的素材類型不同，系統采用的控制策略也是存在差異的：對于文件素材，可以直接在制作端加入AFD信息；對于直播信號，則可以啟動AFD嵌入器，通過基帶信號的調整配置信息。工作人員在后臺播控時，借助“下變換器”就能夠直觀讀取AFD信息，提高了高標清同播控制的精確性。此外，工作人員還可以直接操作后臺按鈕，完成高清、標清畫質之間的切換，根據需求在不同環節增加AFD信息，使得高標清同播更加靈活。節目審看模塊還能夠呈現實際上載素材的ADF信息，將其與節目元數據進行對比分析以發現異常，降低AFD加載錯誤風險[4]。

2.6 播出系統監聽監看功能

監聽監看子系統主要用于觀察超高清電視節目播出情況。本文中設計環節，在該模塊設置了矩陣式畫面分割器，可以對6個超高清頻道進行分區顯示，實現集成監聽監看，提高工作效率。模塊開通了監看信號的調度功能，工作人員可以結合實際需求調整12G SDI信號相位，增強監聽監看的靈活性，避免出現卡頓、延遲等情況。借助總控矩陣式畫面，對分割器端口進行管控，可以及時整合多余端口，以便在緊急狀態下調用替補，保證播出監看的穩定性。此外還可以根據電視節目類型、特征等設置監聽單元，對節目中產生的音頻信號進行匯聚整合，完成選擇性監聽或者輪詢監聽。監聽監看投放環境是非常多樣的，既支持大屏監看，也支持音頻單獨監聽、桌面監看。為保證異常問題出現時現場工作人員能快速響應和調整播出策略，本文中的監聽監看模塊設計還配備了報警功能，可以進行節目播出報警、待播節目報警、節目單報警等，有助于快速定位故障點，保障超高清電視播出效果。

2.7 系統安全備份功能

針對超高清電視播出系統運行環節可能出現的設備故障損壞、系統宕機停運問題，本文中還基于12G SDI完善了安全備份功能，搭建起了集通道備份、文件備份、系統備份的三級安全備份體系。其中通道備份主要解決12G SDI通道故障問題，采用主備+熱備的冗余設計思路[5]，當主備通道出現信號擾動或信號中斷情況時，可以進行自動或手動的備份通道切換，保證超高清電視節目的順利播出。文件級備份主要解決12G SDI超高清電視播出系統故障，節目單、電視素材丟失損壞的問題，系統會自動監測SAN視頻服務器狀態，其中的存儲器與單機播出服務器直連，一旦發現異常、故障問題，可以直接通過光纜傳輸和遷移文件，實現依托于單機視頻服務器的緊急播出。最后是系統級備份，主要采用IP系統備份方式，當SDI系統出現重大故障，比如單機服務器及主備、熱備均損壞時，可以啟用IP系統，將IP播出信號解碼、轉化后，通過12G SDI播出。備份功能的啟用有較為明確的流程規范，當生產網絡存儲故障時，要求工作人員及時停用節點并開啟應急備播流程，由非編工作站接收文件推送任務，當發生二級存儲故障時，則啟用應急遷移鏈路，通過12G SDI接口導出到本地存儲裝置中，另一條鏈路將素材遷移到服務器，通過IP系統播放。當播出控制模塊故障時，可以根據需求啟用備數據庫、備用工控機等，保證播出質量的優化提升。

3? ?結束語

綜上所述，12G SDI技術綜合性能優良，可應用于超高清電視播出系統建設中，能夠有效提高視頻幀率和基帶碼流，在簡化系統架構的同時為電視觀眾提供更高水平的畫質。在實踐中務必要給予充分重視，要結合超高清電視播出系統設計開發需求明確12G SDI技術應用思路，從資源層、服務層、應用層三個方面出發改進細化，配齊配全系統的信號源接入及轉換功能、播出控制功能、高標清同播功能等，滿足電視視頻的差異化播出要求，為電視視頻產業的優化發展助力。

參考文獻

[1] 趙曉忠．多種連接方式對12G-SDI信號傳輸的影響[J]．現代電視技術，2022（1）：136-139.

[2] 邵劍鋒．4K超高清電視播出系統研究[J]．西部廣播電視，2023（10）：238-240.

[3] 王偉．4K超高清和高清電視同播系統的下變換技術探討[J]．電視技術，2023（1）：221-224， 228.

[4] 盛軼駿．12G SDI技術在超高清電視播出系統中的應用[J]．廣播電視信息，2023（4）：54-57.

[5] 汪環忠．4K超高清轉播車音頻系統設計及應用研究[J]．電聲技術，2023（3）：53-56.