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【摘要】本文通过对广东综艺4K超高清播出系统的介绍，以总体架构、视音频链路为基础，对4K的应急切换在实际播出中的应用进行详细探讨。
【关键词】4K超高清 净切换一致性比对 KPI
一.前言
4K超高清電视比高清电视有更高的图像分辨率、帧率、动态范围和更宽广的色域，可配置更好地适应环境，从而提供更具沉浸感及更好体验的音视频服务。推进4K超高清电视网络应用、带动相关产业发展的战略部署，根据国家新闻出版广电总局关于规范和促进4K超高清电视发展的规划，我台积极探索新模式、新业态、新服务的迫切需求。2017年年初，广东广播电视台开始筹建4K超高清频道播出系统，同年12月进行试播，2018年10月16日，广东综艺4K超高清频道正式开播。本文将介绍广东综艺4K频道播出系统的架构以及应急切换在播出过程中的具体应用。
二.4K超高清系统架构
根据目前实际情况，广东综艺4K超高清播出系统采用以文件化播出为主、外来直播信号播出为辅的无压缩播出架构，其中4K超高清节目文件采用与制作域一致的原码率和格式，外来直播信号通过总控系统转换为内部标准无压缩信号播出。
1.整体框架业务范围
播出控制系统的业务范围，对外系统包括总控系统、传输系统、备播系统、编单系统、辅助系统、监管系统，具体如图1。划分成播出控制系统对外的业务交互和对内的业务交互。
系统对外的业务交互包括：与总控系统是信号交互，接收总控调度过来的直播信号；与传输系统也是信号交互，将播出信号送到传输平台；与备播系统是文件交互，接收备播系统传输过来的视频文件和图文文件，传输到播出视频服务器；与辅助系统主要是日志信息交互，为故障判断提供帮助；与编单系统是节目信息交互，接收编单系统的节目单信息，并将播后信息返回给编单系统；与监管系统是软件运行的信息交互，将播出状态、软件运行状态、故障信息发送给监管系统。
系统对内的业务交互主要是播控软件根据播出节目串联单，控制视频服务器和矩阵完成信号的切换播出。主要分为常规播出，即ALL IN ONE视频服务器播出，还有应急播出，即机动备份播出、垫片播出。
2.软件架构
广东综艺4K超高清播出控制系统、管理及监控平台的软件架构采用云架构和微服务的方式进行设计，遵循模块化、层级化的原则，关系明确，边界清晰。当系统负载增加时，可平行扩充，组件可独立的开发、部署、管理和支持弹性伸缩。基本功能组件能够快速上线、并可以通过快速迭代升级方式完成系统建设，这也为我台将来的发展升级提供可行性。
三.视音频播出系统
4K超高清播出系统和传统高清播出系统相比，在通话、同步及时钟上基本相同，最大的区别在于4K视频信号由4个3G-SDI信号组成，所以每个信号的传输都需要4根视频线。还有，监看系统的设备、配置和传统高清系统差别也有很大区别。视音频系统主要由视频服务器、监看检测以及切换部分组成，具体如图2所示。
1.视频服务器
考虑到现今IP播出的发展趋势，以及目前广电4K超高清播出设备的实际情况，建议核心视频服务器采用All in one结构，既可满足线路信号切换、字幕、台标等传统播出功能，又能在基带电缆传输和IP光纤传输之间进行灵活选择，具备一定弹性和灵活性。为应对单一设备集成度过高所造成的风险，可考虑采用同构主备路加异构第三备的播出模式，并建立节目素材技术审查通道和提前播通道，以提早发现和解决问题，将播出风险前置。播出视频服务器集成图文叠加和外来信号切换功能，节省了传统的切换器和键控器，使视音频系统架构更加简单。视频服务器采用主、备和第三备的方式，主备是Harmonic SpectrumX服务器，第三备采用异构的大洋VIPS-4K服务器，提供了播出安全性。在3台视频服务器基础之上，还配置了SONY的垫片播放器，用于循环播放垫片节目，做为应急信号源。
2.基带播出信号切换
系统配备支持净切换的倒换设备，支持同构主、备和异构第三备三路4K播出信号进行倒换，其中同构主、备路要求支持信号中断、黑场、静帧、无声等故障检测和自动倒换，阀值可手动设置，倒换设备支持远程面板控制和断电旁通主路功能。4X1倒换器做为整个播出系统的最核心设备之一，能够支持帧精度的静切换。
3.监看检测
播出信号监看采用4K超高清多画面分割器，支持12路4K信号，可对主、备、第三备视频服务器的信号、总控直播信号、垫片信号、主备4X1输出信号和PGM总输出信号进行画面监看。对于4K视音频信号质量（静帧、黑场、静音）检测，采用3台科利通的Fresco-Supervisio，可对12路4K信号进行实时分析检测，对各种信号异常情况设定阈值，超过阈值则进行声音报警。另外配合大洋睿御监管系统，以视音频监控系统图的形式，显示各信号检测点实时4K图像画面，有问题则声光报警，便于快速定位故障点，值班人员进而及时做出应急处理。
四.应急切换的应用
1.一致性比对
单纯使用K P I（播出质量关键指标）进行画面问题自动判断，可能存在KPI报警时间阈值过长而导致报警延误。可通过画面一致性比对辅助改善，提高播出系统的安全性。一致性比对就是在给定的延时范围内，比较视音频信号的一致性，如图3所示，用于测量主备（或多路）视频音信号之间差异、延时、偏移，并按照设定的策略对播出系统的状态进行声光报警，并为值班的应急处理提供帮助。
广东综艺4K超高清系统中，三条信号链路（主路、备路、三备）画面内容在正常情况下应完全相同，使用画面内容自动比对技术可让系统立即判断并报出一致性比对結果，辅助操作人员快速判断画面是否存在问题。
如图4所示，本系统使用的信号比对仪输入端口为3G-SDI BNC接口，数量为12个，可对信号进行视音频指纹提取、并比对分析一致性，满足三路Qua-Link 4K画面的输入需求（第四路信号为垫片，内容与其他信号不一致，不具有比对可用性）。信号连接方式为：12路3G-SDI全部接入信号比对仪，逻辑上对同属一路4K信号的4路SDI信号进行标记。比对时，将各路信号的相应位置四分之一画幅进行两两比对，有任意四分之一画面不同，则认为两路4K信号内容不同。同理，三组4K信号可分别进行两两比对，判定相互一致性。除画面内容的一致性外，本比对仪还可对信号延时、插帧、倒序输入、亮度、声音内容的一致性做出判断，如实际业务情况需要可及时上报相关一致性问题。
通过指纹比对技术比较多路信号的内容一致性，通过横向一致性比对，可用于末级主备画面，指导值班人员进行应急切换操作；通过纵向一致性比对，用于定位完整播出链路上的问题点，协助值班人员定准确定位播出故障设备，快速恢复正常播出，保证播出安全。具体如图5所示。
2.4K净切换
在实际播出的应用中，本系统链路末级配置的是4台双路二选一倒换器，共计16个3G-SDI输入端口，8个3G-SDI输出端口，数量上可满足4路4K信号的四选一需求，每台双路二选一倒换器自带帧同步，支持净切换，控制面板通过GPI实现4路IP信号的4路3G-SDI信号帧精度净切换。4台设备在接收到GPI切换指令时，都在视频切换行处进行切换，此时切换发生后所有信号的切换均基于同步的帧精度，即实现了基于Qua-Link连接的4K基带信号的净切换，如图6所示。另外，由于切换面板与4台双路二选一倒换器的GPI连接方式为并联，所以如果任一台二选一设备出现短路故障，切换面板将无法判断其他二选一设备的GPI控制口电位水平。对于这个问题，我们的解决办法是在控制面板和四台二选一倒换器间增加了单向信号限流装置，使短路故障的电平无法影响其他二选一倒换器的GPI控制口电势差，避免了切换设备单点故障对播出的影响。
3.应急案例分析
在本播出系统中使用的是大洋的多画面比对系统，在主、备、第三备视频服务器之间进行两两比对，输出结果，具体如以下的逻辑表。只要比对结果不一致，说明必有故障发生，该系统会根据实际比对的结果，输出操作建议，并伴有图文和声音报警。具体如表1格。
举一个播出中的常见故障，当主视频服务器出现静音故障时，主与备比对，主与第三备比对，备与第三备比对，根据比对结果，得出的操作结论就是切换到备视频服务器，具体如图7所示，值班员根据以上的比对提示操作末端的两个4X1切换器，倒换到备服务器播出。这种应急处理模式思维清晰，操作简单，有利于播出故障的准确判断和快速应急。
五.结束语
目前，广东综艺4K频道主要以硬盘为主，实现24小时不间断播出，节目素材主要以台内制作及外购为主，系统运行稳定。该频道还大胆尝试、勇于创新，积极联合我台体育部对《CBA篮球赛》、《广州羽毛球赛》等进行直播，取得令人满意的效果。在应急切换方面，希望能有效结合内容一致性比对、信号异态检测、节目技审等手段，经过系统的综合分析后，真正实现末端信号的智能应急切换。
参考文献：
[1]魏志辉.广东广播电视台4K超高清电视播出控制、管理及监控平台设计[J]现代电视技术.2018，（8）：84-88.
[2]黄振川.基于视音频内容比对及异态监测的智能播出信号监测系统[J] 现代电视技术.2015，5：134-138.
[3]宋旸.信号一致性比对算法及其安全播出应用研究[J]广播与电视技术.2016， 43（1）：101-105.
【关键词】4K超高清 净切换一致性比对 KPI
一.前言
4K超高清電视比高清电视有更高的图像分辨率、帧率、动态范围和更宽广的色域，可配置更好地适应环境，从而提供更具沉浸感及更好体验的音视频服务。推进4K超高清电视网络应用、带动相关产业发展的战略部署，根据国家新闻出版广电总局关于规范和促进4K超高清电视发展的规划，我台积极探索新模式、新业态、新服务的迫切需求。2017年年初，广东广播电视台开始筹建4K超高清频道播出系统，同年12月进行试播，2018年10月16日，广东综艺4K超高清频道正式开播。本文将介绍广东综艺4K频道播出系统的架构以及应急切换在播出过程中的具体应用。
二.4K超高清系统架构
根据目前实际情况，广东综艺4K超高清播出系统采用以文件化播出为主、外来直播信号播出为辅的无压缩播出架构，其中4K超高清节目文件采用与制作域一致的原码率和格式，外来直播信号通过总控系统转换为内部标准无压缩信号播出。
1.整体框架业务范围
播出控制系统的业务范围，对外系统包括总控系统、传输系统、备播系统、编单系统、辅助系统、监管系统，具体如图1。划分成播出控制系统对外的业务交互和对内的业务交互。
系统对外的业务交互包括：与总控系统是信号交互，接收总控调度过来的直播信号；与传输系统也是信号交互，将播出信号送到传输平台；与备播系统是文件交互，接收备播系统传输过来的视频文件和图文文件，传输到播出视频服务器；与辅助系统主要是日志信息交互，为故障判断提供帮助；与编单系统是节目信息交互，接收编单系统的节目单信息，并将播后信息返回给编单系统；与监管系统是软件运行的信息交互，将播出状态、软件运行状态、故障信息发送给监管系统。
系统对内的业务交互主要是播控软件根据播出节目串联单，控制视频服务器和矩阵完成信号的切换播出。主要分为常规播出，即ALL IN ONE视频服务器播出，还有应急播出，即机动备份播出、垫片播出。
2.软件架构
广东综艺4K超高清播出控制系统、管理及监控平台的软件架构采用云架构和微服务的方式进行设计，遵循模块化、层级化的原则，关系明确，边界清晰。当系统负载增加时，可平行扩充，组件可独立的开发、部署、管理和支持弹性伸缩。基本功能组件能够快速上线、并可以通过快速迭代升级方式完成系统建设，这也为我台将来的发展升级提供可行性。
三.视音频播出系统
4K超高清播出系统和传统高清播出系统相比，在通话、同步及时钟上基本相同，最大的区别在于4K视频信号由4个3G-SDI信号组成，所以每个信号的传输都需要4根视频线。还有，监看系统的设备、配置和传统高清系统差别也有很大区别。视音频系统主要由视频服务器、监看检测以及切换部分组成，具体如图2所示。
1.视频服务器
考虑到现今IP播出的发展趋势，以及目前广电4K超高清播出设备的实际情况，建议核心视频服务器采用All in one结构，既可满足线路信号切换、字幕、台标等传统播出功能，又能在基带电缆传输和IP光纤传输之间进行灵活选择，具备一定弹性和灵活性。为应对单一设备集成度过高所造成的风险，可考虑采用同构主备路加异构第三备的播出模式，并建立节目素材技术审查通道和提前播通道，以提早发现和解决问题，将播出风险前置。播出视频服务器集成图文叠加和外来信号切换功能，节省了传统的切换器和键控器，使视音频系统架构更加简单。视频服务器采用主、备和第三备的方式，主备是Harmonic SpectrumX服务器，第三备采用异构的大洋VIPS-4K服务器，提供了播出安全性。在3台视频服务器基础之上，还配置了SONY的垫片播放器，用于循环播放垫片节目，做为应急信号源。
2.基带播出信号切换
系统配备支持净切换的倒换设备，支持同构主、备和异构第三备三路4K播出信号进行倒换，其中同构主、备路要求支持信号中断、黑场、静帧、无声等故障检测和自动倒换，阀值可手动设置，倒换设备支持远程面板控制和断电旁通主路功能。4X1倒换器做为整个播出系统的最核心设备之一，能够支持帧精度的静切换。
3.监看检测
播出信号监看采用4K超高清多画面分割器，支持12路4K信号，可对主、备、第三备视频服务器的信号、总控直播信号、垫片信号、主备4X1输出信号和PGM总输出信号进行画面监看。对于4K视音频信号质量（静帧、黑场、静音）检测，采用3台科利通的Fresco-Supervisio，可对12路4K信号进行实时分析检测，对各种信号异常情况设定阈值，超过阈值则进行声音报警。另外配合大洋睿御监管系统，以视音频监控系统图的形式，显示各信号检测点实时4K图像画面，有问题则声光报警，便于快速定位故障点，值班人员进而及时做出应急处理。
四.应急切换的应用
1.一致性比对
单纯使用K P I（播出质量关键指标）进行画面问题自动判断，可能存在KPI报警时间阈值过长而导致报警延误。可通过画面一致性比对辅助改善，提高播出系统的安全性。一致性比对就是在给定的延时范围内，比较视音频信号的一致性，如图3所示，用于测量主备（或多路）视频音信号之间差异、延时、偏移，并按照设定的策略对播出系统的状态进行声光报警，并为值班的应急处理提供帮助。
广东综艺4K超高清系统中，三条信号链路（主路、备路、三备）画面内容在正常情况下应完全相同，使用画面内容自动比对技术可让系统立即判断并报出一致性比对結果，辅助操作人员快速判断画面是否存在问题。
如图4所示，本系统使用的信号比对仪输入端口为3G-SDI BNC接口，数量为12个，可对信号进行视音频指纹提取、并比对分析一致性，满足三路Qua-Link 4K画面的输入需求（第四路信号为垫片，内容与其他信号不一致，不具有比对可用性）。信号连接方式为：12路3G-SDI全部接入信号比对仪，逻辑上对同属一路4K信号的4路SDI信号进行标记。比对时，将各路信号的相应位置四分之一画幅进行两两比对，有任意四分之一画面不同，则认为两路4K信号内容不同。同理，三组4K信号可分别进行两两比对，判定相互一致性。除画面内容的一致性外，本比对仪还可对信号延时、插帧、倒序输入、亮度、声音内容的一致性做出判断，如实际业务情况需要可及时上报相关一致性问题。
通过指纹比对技术比较多路信号的内容一致性，通过横向一致性比对，可用于末级主备画面，指导值班人员进行应急切换操作；通过纵向一致性比对，用于定位完整播出链路上的问题点，协助值班人员定准确定位播出故障设备，快速恢复正常播出，保证播出安全。具体如图5所示。
2.4K净切换
在实际播出的应用中，本系统链路末级配置的是4台双路二选一倒换器，共计16个3G-SDI输入端口，8个3G-SDI输出端口，数量上可满足4路4K信号的四选一需求，每台双路二选一倒换器自带帧同步，支持净切换，控制面板通过GPI实现4路IP信号的4路3G-SDI信号帧精度净切换。4台设备在接收到GPI切换指令时，都在视频切换行处进行切换，此时切换发生后所有信号的切换均基于同步的帧精度，即实现了基于Qua-Link连接的4K基带信号的净切换，如图6所示。另外，由于切换面板与4台双路二选一倒换器的GPI连接方式为并联，所以如果任一台二选一设备出现短路故障，切换面板将无法判断其他二选一设备的GPI控制口电位水平。对于这个问题，我们的解决办法是在控制面板和四台二选一倒换器间增加了单向信号限流装置，使短路故障的电平无法影响其他二选一倒换器的GPI控制口电势差，避免了切换设备单点故障对播出的影响。
3.应急案例分析
在本播出系统中使用的是大洋的多画面比对系统，在主、备、第三备视频服务器之间进行两两比对，输出结果，具体如以下的逻辑表。只要比对结果不一致，说明必有故障发生，该系统会根据实际比对的结果，输出操作建议，并伴有图文和声音报警。具体如表1格。
举一个播出中的常见故障，当主视频服务器出现静音故障时，主与备比对，主与第三备比对，备与第三备比对，根据比对结果，得出的操作结论就是切换到备视频服务器，具体如图7所示，值班员根据以上的比对提示操作末端的两个4X1切换器，倒换到备服务器播出。这种应急处理模式思维清晰，操作简单，有利于播出故障的准确判断和快速应急。
五.结束语
目前，广东综艺4K频道主要以硬盘为主，实现24小时不间断播出，节目素材主要以台内制作及外购为主，系统运行稳定。该频道还大胆尝试、勇于创新，积极联合我台体育部对《CBA篮球赛》、《广州羽毛球赛》等进行直播，取得令人满意的效果。在应急切换方面，希望能有效结合内容一致性比对、信号异态检测、节目技审等手段，经过系统的综合分析后，真正实现末端信号的智能应急切换。
参考文献：
[1]魏志辉.广东广播电视台4K超高清电视播出控制、管理及监控平台设计[J]现代电视技术.2018，（8）：84-88.
[2]黄振川.基于视音频内容比对及异态监测的智能播出信号监测系统[J] 现代电视技术.2015，5：134-138.
[3]宋旸.信号一致性比对算法及其安全播出应用研究[J]广播与电视技术.2016， 43（1）：101-105.