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视频服务器的结构分析

来源:互联网 作者:佚名 时间:2015-06-19 04:27
随着视频压缩技术的不断完善和计算机技术的发展,视频服务器已广泛应用于电视播出系统,视频服务器在多频道播出系统中的全面应用,使之成为电视台播出系统中最重要的组成部分,同时,视频服务器还具备许多传统视频设备所不具备的优点,这一产品的应用可大大
 

  随着视频压缩技术的不断完善和计算机技术的发展,视频服务器已广泛应用于电视播出系统,视频服务器在多频道播出系统中的全面应用,使之成为电视台播出系统中最重要的组成部分,同时,视频服务器还具备许多传统视频设备所不具备的优点,这一产品的应用可大大提高电视播出的工作效率。其实,视频服务器还具备许多传统视频设备所不具备的优点,还可以开发出许多新颖的应用方式。

一、视频服务器的概念

  视频服务器是一种对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用计算机设备,它在广告插播、多通道循环垫播、延时播出、硬盘播出及视频节目点播等方面都有广泛的应用。视频服务器采用M—JPEG或MPEG—2等压缩格式,在符合技术指标的情况下对视频数据进行压缩编码,以满足存储和传输的要求。它使用SCSI接口硬盘或FC接口硬盘作为视音频数据的在线存储器。具有多通道输入输出、多种视音频格式接口。可配备SCSI、FC等网络接口进行组网,实现视音频数据的传输和共享。

二、视频服务器的构成

  视频服务器是一种压缩、存储、处理视音频数据的专用计算机,它由视音频压缩编码器、大容量存储设备、输入/输出通道、网络接口、视音频接口、RS422串行接口、协议接口、软件接口、视音频交叉点矩阵等构成,同时,提供外锁相和视频处理功能。

  视音频压缩编码器:由于视频数字化后,数据量很大,故要利用成熟的压缩技术,将视频数据在满足技术指标要求的条件下进行高压缩比的压缩,满足存储和传输要求。视频服务器一般采用M—JPEG或MPEG—2等压缩编码器,用户可根据实际情况选择压缩码率和压缩结构,以适合于各种不同的播出场合,达到既节省硬盘空间,增加节目存储量,又能保证播出质量的目的。

  大容量存储设备:视频服务器使用高速、宽带的SCSI接口硬盘或最先进的FC接口硬盘作为视音频素材存储介质。同时视音频数据的硬盘扩充也比较灵活。

  输入/输出通道:视频服务器具备多通道输入/输出系统,使多路录入、播放能同时进行,实现多任务。

  网络接口:视频服务器都带有网络接口,方便组网,实现数据共享。一般视频服务器都带有FC和以太网接口。FC光纤网采用IP协议作为视频服务器之间快速、实时复制和移动素材的交换网络,以太网用于传送控制数据和状态检测的信息。

  视音频接口:视频服务器都带有标准视音频接口和模拟监视视频接口,方便监视各通道的视频信号。输入/输出信号可以在模拟、分量和SDI中选择。

  RS422串行接口:视频服务器都带有多个RS422串行通讯接口,每个接口均可通过RS422通讯线由外部计算机控制实现记录与播放。

  协议接口:视频服务器除提供各种控制硬件接口外,还提供协议接口。如RS422接口除支持RS422的Profile协议外,还支持 Louth、Odetics 、BVW等通过RS422控制的协议。

  软件接口:视频服务器提供开放的软件接口,供用户或第三方厂商开发和构建新的应用方式。

  视音频交叉点矩阵:视频服务器内带视、音频交叉点矩阵,视、音频通道调度灵活,同时可保证技术指标不受损。

  另外,视频服务器提供外锁相和视频处理功能,方便构建专业化应用的视音频系统。

三、视频服务器的数字视音频压缩格式

  数字压缩技术,也就是通常所说的编码方式,是视频服务器的技术核心,也是我们选择视频服务器的首要考察对象。目前比较流行的数字压缩编码格式有M-JPEG、DV和MPEG-2,某些非真正广播级的产品中还有在互联网中常有的小波压缩和MPEG-4压缩。无论采用哪种压缩方式,一般都对用户提供可变的码率,也就是当编码时用户可以选择压缩质量,当然DV只能提供25Mb/s和50Mb/s两种码率。

1.M-JPEG

  在视频服务器刚刚开始被采用的时候,大约在3~5年前,当时无论非编还是视频服务器,M-JPEG几乎是唯一的高质量压缩方式。所以,早期的视频服务器产品基本都采用M-JPEG压缩。

  作为一种数字压缩格式,从模拟到数字、从录像机到硬盘,M-JPEG为我们带来了崭新的数字化播出手段,它把信号变成了数据,应该来说M-JPEG压缩技术在视频服务器的出现过程中具有里程碑式的意义。M-JPEG是基于帧内、帧独立的压缩方式,所以相对于后来出现的MPEG-2 IBP长GOP压缩方式,它数据量更大、也更容易实现视频服务器内部的帧精度数据剪辑和变速播放。正因为这样的特点,M-JPEG被广泛运用于节目制作的服务器和电视台广告节目的播出服务器。时至今日,还有很多电视台的使用它作为广告播出,因为不管它有什么样的缺点,但它解决了录像带多次播出的磨损和信号衰减问题。

  除后期制作、广告播出外,M-JPEG格式的视频服务器不能被真正大量运用于大中型电视台多频道播出,真正的原因还在于M-JPEG这种压缩方式并不是一个完全统一的压缩标准,不同厂家的编解码器和存储方式并没有统一的规定格式。这也就是说,每个型号的视频服务器或编码板有自己的M-JPEG版本,所以在服务器之间的数据传输、非线性制作网络向服务器的数据传输都根本是不可能的。同时,例如MPEG-2等新的压缩标准的出现,在更低的码率下能提供更高的视频质量,这也加速了这种服务器的消亡。

2.DV

  由于采用DV技术的新一代数字摄像机和数字录像机(如,松下的DVCPRO和Sony的DVCAM等)的出现和大量采用,不仅为电视台记者提供了更加小巧、经济的节目拍摄、制作设备,也促使视频服务器开始采用DV压缩格式。但因为DV本身是一种纯多媒体格式,也是帧内压缩方式,既继承了M-JPEG比MPEG-2更容易编辑的优点、也带有M-JPEG数据量大的缺点。DV目前只支持两种码率:25Mb/s和50Mb/s,也有某些厂家的新技术资料宣称将来会支持100Mb/s。DVCPRO 25的4:1:1量化、DVCAM的4:2:0量化,都不是我们真正追求的广播级信号质量。而DVCPRO 50的4:2:2量化尽管能提供更高的信号质量,但数据量也是比较大的。

  以DVCPRO为例,记者可以用小巧的数字摄像机拍摄节目,很方便携带、信号质量也不错;回到电视台后用IEEE1394接口或SDTI接口传输到制作服务器或非编系统,最后同样方式再传输到播出服务器,不用回到视频基带就能完成传输和编辑。这种所谓的“Native DV”方式,保证了从拍摄到播出过程中好的质量,避免在制作过程中的信号质量损失,应该是一种很好的解决方案。同时,SDTI还提供对DV数据的多倍速传输,在保证信号质量的同时,节省了大量的传输时间。

  但同时,它的25Mb/s和50Mb/s两种固定码率的数据量都很大,也造成了电视台多频道播出所需要的视频服务器存储空间很大、需要很大的投资来实现。所以,现在很多电视台都是用DV设备来拍摄和编辑节目,而最终通过SDI传输到视频服务器,用长GOP的MPEG-2 IBP来播出和存储。

3.MPEG-2

  在MPEG(运动图像专家组)系列压缩方式中,一般认为MPEG-1和MPEG-4的压缩质量不能做到广播级,所以没有人用它们做播出;当然,在新近出现的电视台媒体资产管理系统中,特别MPEG-4是一种非常理想的检索、浏览和粗编的工具,在互联网上也是被广泛采用的视频格式。

  广播电视领域采用的MPEG格式是4:2:2量化的MPEG-2,它在保证了足够的色度信息的情况下做最有效的数据压缩。MPEG-2采用可变的压缩率,最高可达50Mb/s。其采用的帧间压缩方式,利用帧之间的冗余信息大大减少压缩数据量,达到同样的视频质量MPEG-2所需的码率只有M-JPEG的1/3甚至更少。大家一般意义上认为MPEG-2 IBP的长GOP压缩方式的8~12Mb/s已经达到广播级质量,可见其帧间压缩效率是非常高的;这对于电视台多频道的大量播出节目是非常重要的特点,也使得真正的多频道视频服务器播出方式成为可能。

  除压缩效率的优点外,MPEG-2有一个不同厂家均认可的国际标准,使得不同的压缩系统能产生相同格式的数据文件;当然因为存储方式的不同,数据在存储过程中也需要适当的转换。所以,近几年视频服务器领域采用最多的都是MPEG-2压缩方式,这也是目前服务器的主流格式。

  对于MPEG-2压缩,如果采用纯I帧方式,也就类同于M-JPEG压缩了,等于是帧内的压缩。所以我们谈论MPEG-2在播出服务器中的应用,往往都指的是IBP压缩,而且是长GOP方式。当然,由于采用长GOP,不是每个帧的数据都能非常快速、完全地进行图像恢复,所以在编辑和搜索过程会比较困难。目前的一些非线性网络也采用MPEG-2压缩方式,但为满足快速帧精度编辑的需要,往往都是纯I帧压缩,只有少量厂家的产品采用IBP压缩。

  目前,我们有三种方式将信号输入到视频服务器,也就是平常所说的素材上载方式:模拟/数字信号方式、压缩数据流方式和网络文件传输方式。

1.视频信号方式

  和数字录像机一样,所有的视频服务器都支持多种信号格式,模拟/数字音频,模拟/数字视频。视频信号输入到服务器后,按照我们的要求,视频服务器将其压缩成指定的压缩率和GOP结构编码成文件。

  信号上载非常简单和实用,电视台目前所有设备都支持这些信号接口和上载方式。电视台的老型号录像机、模拟矩阵等周边设备都能利用起来;特别是电视剧、广告等节目目前都是录像带方式交换,必须用信号方式输入到视频服务器中。因为其码率可变,我们还可以根据素材本身的原始信号质量的优劣来动态调整上载的压缩码率。

  信号上载最大的问题是1:1的上载速度,这很花时间。对于广告、自办栏目尚且可以接受;而例如一些电视剧,假如我们只购买了一次播放权、不能重播,花1个小时上载、播1个小时,播完后视频服务器中的该素材马上就没用了,只好删除掉。当然,目前的折中方案要么长节目不上载到硬盘中,采用所谓“盘带结合”方式来播出,或者是要求总编室在节目审看的时候就同时进行上载。

2.压缩的数据流方式

  压缩的数据流主要是指DV格式的SDTI上载和MPEG-2格式的SDTI-CP或TS码流上载。折中方式数据不经过编码器直接进入到视频服务器的硬盘,没有多代编/解码的损失,如果用SDTI还可实现多倍速上载。

  其实这种数据流方式也是要压缩的,只不过压缩不在视频服务器的编码板上完成,而是在数字录像机端去完成;但起码这种方式可以节省很多视频服务器最昂贵的部件—编码板。

  这种方式的缺点也是很明显的,在数据传输过程中我们无法进行监看,尤其是音频也不能监听,对上载的效果我们心中无底。同时,我们也无法提供那么多输入/输出设备都支持SDTI或MTS的接口。SDTI和MTS是很新的技术,它本身也在完善过程上;而且,SDTI只能提供固定的码率,DV是25Mb/s和50Mb/s,SDTI-CP(MPEG)是30、40、50Mb/s。

3.网络文件传输方式

  正因为非线性网络的大量使用和各种视频服务器均带有网络接口(FC或者以太网),这使得从制作到播出的网络化文件传输成为可能。这是比较新颖和高效率的上载方式。

  其实这也是一种数据流上载方式,但它不仅可以从新闻制作网络或后期制作网络向视频服务器传输,还可以在视频服务器之间通过网络进行传输。以太网或光纤网的传输速度都是非常可观的,一般认为在100Mb/s以太网上可以实现10倍左右的传输速度,而在FC网上甚至可以达到40~50倍速的峰值。

  从非线性网络到视频服务器的网络传输,因为没有二次编解码过程,所以不存在质量的下降问题;不仅传输速度快,附加信息在传输过程中可以保留,而且用IP协议和纠错来保证传输的正常,无需质量控制电路。我们也看到,某些品牌的服务器还支持网络传输过程中的再编辑和延时播出。

  当然,实现这样的传输必须在非线性网络厂家和视频服务器厂家之间达成文件结构和存储方式的共识,据说许多公司已经实现了从其非线性网络到Profile和Sony VSR/MAV视频服务器之间的网络传输。

五、视频服务器的存储

  广播级信号被压缩后,即存储到视频服务器中的硬盘上;随着硬盘技术的不断发展,其存储容量不断增加。无论SCSI硬盘还是FC硬盘,尽管目前价格还比较贵,但其读写速度和功能已完全满足视频服务器的存储。

  为保证视频数据存储的安全性,也就是为保证安全播出,一般服务器都采用RAID技术来避免因硬盘损坏而导致数据丢失的可能。RAID冗余容错有两种解决方案:一种是由硬件RAID控制器来实现,另一种是纯软件方式的。RAID控制器采用硬件产生校验数据并控制所有RAID的功能;而纯软件方式是指用软件的方法实现所有的RAID的功能,通常使用系统的主处理器CPU来完成,比较流行的RAID有3种:RAID1、RAID3和RAID5。

  RAID1:简单的镜像数据(如果你有10个数据存储硬盘,你就需要10个备份盘来存储镜像数据)。

  RAID3:利用一个指定校验盘,而用户可以指定多少个数据盘采用一个校验盘(如4个数据盘加一个校验盘形成阵列,通常称之为4+1方式)。某一个数据硬盘发生错误后,系统将从容错盘中调用元数据将其恢复到新的数据硬盘中。RAID3比较适合超大文件而且要处理的次数较少,所以很适合视频文件。

  RAID5:将校验数据存储在所有的驱动器上。RAID5比较适合处理小文件而且要多次处理,所以在IT行业使用较广泛,与视频文件相比IT处理的文件小而且要多次处理。

  当今,很多视频服务器采用RAID3(也有用RAID5),采用有光纤接口的硬盘,而采用纯软件RAID的服务器很少。纯软件RAID省去了昂贵的RAID控制硬件;而硬件RAID的性能更高,RAID3比较适合视频而RAID5适合小文件,当然,如果设计合理,二种系统都可以正常工作。当然,纯软件RAID依赖系统的主CPU,我们必须要考虑做容错给CPU带来的负担会不会影响视频服务器的编解码和正常运行。

六、视频服务器的组网技术

  视频服务器由于存储的是视音频数据,其海量般的数据要实现传输、共享,是传统的网络技术所无法实现的,传统的计算机网络技术一般用于构建对视频服务器控制和监视工作状态的网络。

  目前主流视频服务器都采用FC光纤网作为视频服务器之间快速、实时复制和移动素材的交换网络。FC(Fibre Channel)是ANSI为网络和通道输入/输出接口建立的一个标准。FC与传统的输入/输出接口技术(如PCI、SCSI等总线)不同,它是一种综合的通道技术,它既支持输入与输出通道技术,同时还支持多种网络协议,它支持HIPPI、IPI、SCSI、IP、ATM等多种高速通信协议,支持点对点、仲裁环、交换等多种拓扑结构。FC包含了通道的特性,也兼具网络的特点,它描述了从连接两个设备的单条电缆到由交换机为核心连接许多设备的网络结构。

  FC技术规范共有五层,从FC-0到FC-4。具体如下:

  FC-0是物理接口和媒介层,它定义了通道点与点之间的物理连接,涵盖了缆线、连接器、驱动器、发送机和接收机。

  FC-1是传输协议,它定义了8bit/10bit的编码、解码和传输协议,包括串行编码、解码和差错控制。

  FC-2是帧定义,它定义了传送机制,包括数据的传输、序列、FC使用的交换。

  FC-3是公共服务协议,它提供高级特性的公共服务,如搜索组和多路播放。

  FC-4是ULP(上层协议)映射。它定义了与现行标准的应用接口,它是FC技术规范中定义的最高层。它定义了FC的底层和上层协议(ULP)之间的映射关系。

  FC具有如下特点:(1)提供从266Mbps~4Gbps的传输带宽;(2)支持超过10km的传输距离;(3)高带宽对距离不敏感;(4)适用范围广,从点到点的小系统到超大型系统都能适用;(5)支持上述提到的多种高速通信协议,同时还由于FC将网络和设备的通信协议与传输物理介质隔离开,这样具备多种协议在同一个物理连接上同时传送的特性。目前视频服务器中多采用IP协议;(6)支持各类传输介质。

  目前有些厂家在传统的100Mbps以太网基础上通过重新编写协议和采用创新的连接方式,获得了低成本、满足可靠性要求的视频服务器网络。如Seachange的MediaCluster采用

  100Mbps工业标准双向快速以太网,通过双向网络线将每个视频服务器(称节点)与其它视频服务器互联,构成两两相连的双向拓扑结构,采用专利技术SeaNet协议,使网络带宽利用率达80%。这种组网方式要求上至少有3个节点。

这种组网方式有如下特点:

   (1)采用类似于RAID—3的存储方式,将视音频数据根据节点的数目,平均分成相等的段(段的数目是节点数减1),同时计算出这些数据段的奇偶特性和,将各段数据与较验和分别存储在各节点的硬盘上。当一个节点出现故障时,利用其余节点上的数据与奇偶较验和进行异或运算,实时地将数据完好恢复出来。

  (2)网上有一条链路出现故障,也能保证网络畅通,形成无阻塞结构的全连接网。

  因此从原理上讲,这种双重RAID技术的视频服务器组网方式,其安全性也是较高的。这种组网方式也适合于构建视频点播、准视频点播播出系统。

七、视频服务器的控制协议

  目前通过RS—422串行通信口对视频服务器进行控制的协议,有Louth,Odetics,BVW-75及厂家自身开发的控制协议。如GVG公司的Profile协议就是专为其视频服务器而发表的控制协议。Odetics协议目前的版本还不支持光纤网,上述这些控制协议均基于RS—422这一物理接口。视频服务器的应用控制多采用Louth控制协议。

  Louth协议全称是Video Disk Communications Protocol。该协议基于主从控制方法,在控制设备和受控设备之间进行通信,以控制设备实施主控制,是点对点的拓扑结构,它符合开放系统互连(OSI)参考模型。层一是物理层,包括电气与机械的技术规格;层二是数据链路层,它包括信息通过物理链路传输的同步和错误控制;层三和层四提供网络功能;层五是会话层,规定了在应用之间通信的控制结构,即为交互应用提供建立、管理和拆除终止连接的手段;层六是表达层,提供控制语言。

八、视频服务器的特点

  视频服务器具有传统设备所不具备的许多特点,具体表现如下:

(1)将多通道、录制与播放等功能集于一体,传统设备中有多输入和多输出特性的设备是视音频切换矩阵,而具有录制和播放功能的设备是录像机,不言而喻,视频服务器在系统中可代替若干个录像机和一台小型切换矩阵。

(2)视频服务器用硬盘作为记录媒体,具有非线性特点,因而具有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,这点非常适用于延时播出和视频点播等领域。

(4)视频服务器容易实现向前或向后的变速播放,传统的录像机要实现这一点,要经过价格昂贵的特技设备。

  视频服务器在电视领域中的应用主要有两个方面:一是利用视频服务器构建自动播出系统;二是利用视频服务器实现视频点播。基于视频服务器的多频道数字播出系统具有传统的基于磁带录像机的模拟播出系统无可比拟的诸多优势,视频服务器采用开放式软硬件平台和标准或通用接口协议,系统扩展能力较强,能够与未来全数字、盘基化、网络化、多频道资源共享模式的节目制作、编辑和播出体系相衔接。盘基化或盘带结合的基于视频服务器多频道数字播出系统可以实现播出差错隔离和故障隔离,也可以实现延时播出,是电视节目播出由模拟向数字过渡的最佳方案。而从长远来看,视频点播具有巨大的潜在市场和深远的发展前景,因为从深层次来看,VOD不仅仅是视频节目点播的问题,它代表未来全功能网络化和数字交互式信息的应用发展趋势,是一种从内容、形式上更深层次上的互动,也是数字影院、交互视频新闻、广告等新应用的基础,具有广阔的发展潜力,VOD是未来信息高速公路构架的重要组成部分,是未来信息服务中宽带业务的灵魂。因此可以肯定,随着数字技术、多媒体技术和计算机技术的不断发展,视频服务器在电视领域中的应用将有更多的延伸。

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