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后期节目制作系统相关技术分析一

Tag:后期,节目,制作,系统,相关,技术,分析,一后   2013-04-22  河南新杰新杰电子   点击:

  随着科技术进步,电视制作设备及工艺也不断优化,记录设备已经历盘式磁带录像机到盒式磁带录像机的过程,再到最新采用的光盘、P2卡、易盘卡摄像机录像机。电视台的数字化、网络化发展经过广播电视从业者这几年的艰辛工作,已经取得了一系列阶段性成果,但离理想中的发展目标还有一段距离。因此我们仍需要不懈努力。工作模式也经历从模拟到数字,从线性到非线性,从单机到网络的转换。这种从单纯的AV到AV与IT相结合,体现在电视技术发展革新中,这种融合的要求也越来越强烈。而期节目生产在电视台节目生产工艺流程中占有无比重要的地位,直接影响到节目生产的流程、效率 、质量等相关细节。
  一 后期节目制作主要技术特点
  后期剪辑包装合成、配音工作站、演播室录制、三维特技处理等。其主要特点如下:
  * 完善的网络操作平台和管理软件,多采用低投入、高效率、高稳定性的网络结构。
  * 强大的集中式数据管理,统一管理视音频素材、字幕等节目内容,整个网络工作流程科学合理。
  * 提供广播级质量及高效多记录格式的数字化上下载。
  * 在非线性编辑系统后期编辑方面,能够支持包括无压缩在内的多格式编辑,确保高质量的节目制作;在多层视频实时编辑方面,提供高质量且快速的无限层视频图文的合成;提供完善的视频、音频I/O接口;支持各种格式的音频;实现高质量的抠像效果;内嵌专业字幕系统,在网络中实现专业字幕的所有功能;能够实现多种文件格式输出,例如流媒体、VCD、DVD等;支持内嵌第三方效果插件系统,支持第三方应用软件。
  * 在高清节目制作方面,能支持基于双码率编辑技术的高清/标清制作。
  * 在后期包装合成方面,支持包括无压缩在内的多格式节目包装合成,视频可以实现4层实时处理;包装合成系统支持与节目编辑系统的故事板级节目共享交换。
  * 网络审片终端带有专业视频信号输出,可直接连接到监视器。
  * 音频包装工作站可以提供复杂音频、音效处理功能。
  * 在演播室录制方面,提供演播室信号多格式录制,素材直接录制到制作网络在线存储体。
  * 在三维动画制作方面,提供快速三维建模、仿真、合成功能,支持跨平台分布式渲染。
  * 提供后期制作网络用户、栏目、素材、磁盘、设备日志等多方面的管理,支持制作网络系统统计计费报表功能。
  二 网络结构
  网络化、数字化的核心技术之一就是网络系统的组网技术即网络结构,它牵扯到网络的规划和工艺流程管理。从当前的技术来看,网络化与四种计算机网络技术密切相关,他们分别是:千兆高速以太网络、ATM异步传输网、存储区域网络(SAN)和IPSAN。
  1. 千兆高速以太网
  以太网技术已经有30年的历史。其生命力在于简单、实用、成熟。以太网如今已经发展到交换式千兆以太网和万兆以太网。以太网不仅仅是局域网的主要技术,也逐步迈向广域网和城域网。
  2. ATM异步传输网
  ATM技术既具有固定的传输延迟和约定的传输能力,又能有效处理非连续传输。在同步传输模式中, ATM采用53字节的固定长度信元结构,使得数据收发过程能够保持平滑稳定的通信流量,较为准确地预计网络延迟及执行时间等因素。ATM技术是一种面向连接的数据传输技术,当发送端和接收端想要通信时,先送要求建立连接的控制信号,接收端通过网络收到控制信号并同意建立连接后,一条虚拟线路就会被建立。同时,虚拟线路上的所有的中继点都会建立线路映像表,虚拟线路建立后,所需传送的信息就会被分割成53字节的信元,经网络送到对方。ATM非常适合视频、语音、数据等实时性强的传输任务,支持光纤、同轴线缆、屏蔽及非屏蔽双绞线,有效带宽很容易接近其标称值622Mpbs和155Mbps。ATM技术的组网成本较高,常常用作企业的主干网络。
  3. 存储区域网络(SAN)
  SAN是Storage Area Network的缩写,其中文名称为存储区域网络,最先起源于大数据量的网络备份系统。在其典型网络结构中,客户端对服务器的数据业务是通过传统TCP/IP网络来维持运转的,当需要在磁盘阵列、数据库服务器、应用服务器三者之间进行大量数据迁移时,数据直接通过专门的网络来运行,可见SAN是一种结构很独特的高性能宽带网络。
  SAN采用基于Fiber Channel的链路,Fiber Channel赋予了SAN深刻的内涵,通常情况下,SAN使用SCSI协议,但需要封装在FC协议包里运行。SAN的数据存储与传输比SCSI更有拓展性和易于使用。在此之前,SCSI一直是海量数据传输的主要平台,SCSI是一种点对点的技术,在扩充性上并不是很好。
  (1)SAN的特点
  a. 大容量设备数据共享
  在非线性网络应用中,存储量的要求越来越大。随着数字电视的应用,对于存储容量已经达到了TB级的要求。SAN提供了大容量存储设备共享的解决方案。
  b. 多路高码流实时编辑要求高速存储设备通道
  随着计算机技术的发展,现在的非编系统已经能实现4~6层50Mb实时编辑能力,这就要求存储设备的传输速度必须适应非线性编辑要求。SAN采用光纤网,不但提供了主机和存储设备之间Gbps的高速互连(可达4Gbps),而且在设备数量(可达数十个)和传输距离上(可达10千米)有较大的提高。为非编站点的大容量数据访问及快速处理,奠定了完备的物理基础。
  c. 灵活的存储设备配置要求
  采用SAN技术传输距离可达10千米。通过FC-AL的Hub和Switch可以建立星型连接。在SAN上的设备、主机存储设备和磁带设备,不但在物理位置安排上十分灵活,而且可以将不同用途的设备划分为不同的区,如新闻网和制作网,分别建立虚拟专用网。使得主机访问SAN上的存储设备十分方便。
  d. 数据的高可靠性和安全性
  数据的可靠性和安全性,在非编网络的应用中显得十分重要。存储设备中的单点故障可能引起重大播出事故和巨大的经济损失。在SAN中可以采用双环的方式,建立存储设备和计算机之间的多条通路,提高了数据的可用性。建立虚拟专用网络可以提高数据的可靠性和安全性;同时在SAN中也可以通过建立双机容错,多机集群,实现RAID校验等方式进一步保证数据的安全性和作业的连续性。
  基于FC链路的SAN以其灵活、稳定高效的特点,在广电行业中得到了充分的应用,是目前非线性网络中使用最成熟、最稳定、最安全的存储系统。
  (2)SAN的管理
  长久以来广电用户所使用的SAN管理软件是SANergy。随着全台数字化网络的构建,使得我们对SAN的管理提出了更高的要求。而SANergy在安全性和功能上的欠缺使得我们无法再放心的将其应用到更大型SAN系统中。现在新一代的SAN管理软件有,StorNext、IMAGESAN等。
  StorNext File System适合 SAN 环境的高性能文件共享有别于其他的管理软件,自成为一个文件系统构架,脱离于windows文件系统。StorNext File System (StorNext FS)为异构客户端提供了对集中式磁盘存储的高性能共享访问。通过整合能够被多个操作系统访问的数据,StorNext FS 极大降低了存储设备的需求。而且,由于多个客户端能够同时共享相同的文件,因此消除了通过局域网移动大型文件和存储重复文件副本的需求,提高了存储效率,改进了工作流工作效率,减少了网络瓶颈。
  该软件具有如下特点:
  a. 独立的、跨平台SAN文件系统,完全为SAN 网络环境设计的文件系统,不依赖于任何现有操作系统中附带的文件系统。
  b. 64位日志型文件系统,广泛的发展潜力
  * 管理巨大的磁盘空间和文件数量,不同类型的主机可以同时以FC Direct I/O 方式访问数据,中间不需要任何协议转换;
  * 日志型(Journaling/logging)文件系统的设计保证系统的可靠性、快速恢复能力。
  c. MetaData传输占用资源低,支持大量主机并发访问
  * TCP/IP协议传输;
  * MDS优化的算法处理。
  d. 多种SAN网络和磁盘优化功能
  * StorNext FS自有的磁盘逻辑卷管理功能,优化SAN中磁盘资源;
  * SAN多通道并发处理,保证带库质量和负载均衡;
  * 自带软件管理多种磁带库和磁带介质。
  e. 高可靠性
  * MDS(磁盘元数据管理)可在任意平台主机(多达七台)切换;
  * 符合XDSM数据管理标准,内置的数据迁移、保护和容灾。
  f. 各主机使用方式
  * 主机以本地文件系统方式安装使用;
  * 所有主机均可在LAN中作为文件服务器共享(二次共享)。
  ImageSAN是针对SAN网络存储应用而研发的,是Windows NT/2000/XP及Macintosh OSX环境及混合环境的SAN解决方案,并提供广泛的应用支持和高适应性的容错能力。
  ImageSAN无需映射网络磁盘。在每一台ImageSAN工作站上,中央的存储卷显示为本地硬盘,凡是可在本地硬盘上进行的操作,凡具有相应权限的用户都可以对SAN中央存储进行操作,如共享一个卷到以太网。从而可在网络中的所有工作站进行面向以太网的二次共享,使局域网上的工作站(如粗编站)也可以方便地进行访问。
  ImageSAN可以保证卷Master的动态切换,确保高可用性。在对等网中,每一台主机都有可能成为卷Master。从成本考虑,用户根本不必花费额外的MDC费用。而从安全性等方面考虑,当网络中主机数量大于10时,用户往往使用域模式(并不是必须如此,取决于用户以太网的设置),单独设置了一台域服务器,ImageSAN就可以指定该服务器为Master。可见,ImageSAN的管理既简单、又高效,如图1。
  在每一台ImageSAN工作站上,SAN存储卷都直接显示为本地硬盘。由于具有所有本地硬盘的特性,SAN存储卷可以再映射到以太网以便共享。这样,SAN以外的以太网工作站也可以访问SAN中的资料。更重要的是,SAN中的每一台主机都可以面向以太网共享同一SAN分区(用户权限支持)。整个网络的处理能力分担了原来单台服务器的负载,大大减小了网络瘫痪的可能性。这一点特别适合无卡网络编辑的要求。
  若通过其他软件管理SAN,每台工作站上的SAN存储其实是映射的网络盘,不能进行面对以太网的二次共享。ImageSAN网络中的Master如果出故障,同一网络中的工作站都可以接管成为Master。而且,SAN中的每个卷都可以单独指定自己的Master,也可让网络选举产生Master,非常灵活。
  元数据(Meta-data)请求通过以太网来传输。当使用一个小规模的SAN,以太网的压力也许并不明显,但在使用不同的文件系统、异构共享的环境中,元数据共享对保证SAN所用文件一致性至关重要。元数据请求及传输将对以太网造成沉重压力。在实际应用中,以太网还要进行日常的工作和文件传输,结果反倒成为整个网络的瓶颈。而使用ImageSAN,每次读取只发送一个元数据请求,减少了Master和客户机之间的通讯,大大减轻了以太网的压力,同时也减轻了对MasterCPU的负担。正因为如此,ImageSAN可以使SAN网络大大扩展,可以加入更多的节点。在一个大规模SAN网络上,ImageSAN将更有优势。  
  图2为一套完整的ImageSAN解决方案。适应SAN和以太网双网构架;Windows、Mac OS X混合系统;在线存储与离线备份结合;存储设备包括SAN、NAS及DAS。整个网络环境无需MDC;而在其他类似管理平台中,MDC是必备的,甚至需要冗余配置。其管理方式是以令牌方式将管理控制分散到网络系统中,不仅显著节约投资成本,而且可以保证网络始终处于有效管理而系统负担却微乎其微。ImageSAN可以有效地管理控制数百台非线性编辑、播出、采集、字幕、创意系统及各种管理、查询、预览工作站,使整个制播系统的运行高效、安全、稳定。
  4. 低成本网络组网技术
  (1)IP-SAN
  IPSAN的核心iSCSI,那么什么是iSCSI呢?
  iSCSI是通过TCP/IP网络传输SCSI指令,将SCSI指令封装在TCP/IP包中,利用以太网来进行数据块传输的标准。简而言之,采用iSCSI技术,可以将服务器与存储设备之间的连接线缆从SCSI线换成以太网线。
  a. iSCSI技术的特点
  * iSCSI提供数据块级的I/O访问,主机可直接访问存储裸设备的方式,因此,单个主机对存储的访问更高效。
  * iSCSI对于实现远距离连接存储是一个很好的选择,主机通过IP网络访问远距离的存储设备。
  * iSCSI是目前数据备份和灾难备份中应用较多的技术,在数据备份上应用比较成熟。
  * 由于各主机都直接访问存储,因此,在各主机间要实现文件级的共享,必须使用额外的共享管理软件,如SANergy、ImageSAN、StorNext等,大大增加了系统的成本与复杂程度。
  * 各主机都能在设备级访问共享存储,并可进行底层的操作,如删除磁盘分区、格式化磁盘等,严重影响了系统的整体安全性。
  * 由于是设备级的访问,所有主机都能看到共享卷,难以保证文件级的安全性。同时,在SAN里面也很难实现主机对存储的访问控制。如:带宽限制、访问策略等。
  * 系统后期维护与管理的工作量巨大。
  b. IPSAN组网方式优缺点
  优点:
  * 购买成本低,IPSAN在主机端有三种接入方式,即普通网卡+initiator软件、TOE网卡、iSCSI专用HBA卡。其中第一种方式成本最低,软件是免费的,其主机端与普通以太网接入成本相当;
  * 管理及维护技术要求低,与普通以太网的管理方式相同;如果只针对IP SAN的设备与站点接入进行管理维护,确实简单。但如果考虑到与FC SAN相同的网络管理任务(如SANergy、MDC的配置),和对存储设备内部的管理任务(如硬盘故障分析),其管理难度与管理FC网没有区别。
  * 无传输距离限制,iSCSI的有效距离就是IP网络的距离;
  * 速度快,iSCSI的速度就是以太网的速度,目前是1Gb,下一代是10Gb。
  缺点:
  * 性能问题
  当前理论带宽1Gb,不及光纤产品标准2Gb,而现在购买的1GbIPSAN产品升级至10Gb的时间和成本还是未知数;
  流量控制,Qos不高。由于以太网大量的网络开销带来的流量不稳,即以太网固有的实际可获得带宽不稳定,呈波浪型变化,其实际平均值仅在理论值的3%~40%左右,也就是说1Gb的以太网,或在此基础上实现的IPSAN,其主机端口平均稳定带宽是300 Mbps ~400Mbps,换算成数据传输带宽是30 MB/s~40MB/s;以太网的数据争用与冲突碰撞是由其协议本身和交换结构所固有的,这些问题会使得网络传输速度减慢,丢包率增加,数据完整性降低,这也是以太网迟迟不能用于高带宽数据传输通道的原因。IP SAN的本质是将数据按SCSI协议打包后再按IP协议传输,所以在传输过程中仍然会遇到这些问题。
  * 带宽问题
  主机端与存储端的实际I/O瓶颈,IPSAN的1Gb带宽,指的是网络传输介质带宽,类似于FC SAN中,FC传输介质可提供的的2Gb或4Gb带宽,但主机实际得到的带宽,还取决于主机网卡和存储端的带宽效率。而存储端的带宽效率取决于产品本身的设计机构,与外部采用FC端口还是IP端口无关,实际上目前市场上主流的IPSAN存储设备,都是传统FC存储厂商在保持产品内部结构不变的前提下,将主机接口改为(或增加)IP端口,而这一简单的变化,无助于提升普通FC SAN存储产品。
  * 兼容问题
  支持的平台较少,目前对ISCSI支持较好的是Windows系统。Linux对其支持尚不完备。如果考虑到应用环境中有基于非Windows平台的工作站要与IP SAN上的Windows站点共享数据,或者将来全台网中的跨平台数据迁移服务器要管理IP SAN中的数据,那么这种兼容性和传输效率是一个大问题。
   现在的iSCSI的存储设备一般采用SATA盘作为存储部分的硬盘系统,而且单机头部分能够提供的有效带宽大约为200MB/s,这样的话就无法满足大规模的网络生产的需要,因此,在大规模网络方案中,就必须采用分布式存储结构,构建二级存储结构。一级系统有几个单独存储体组成,而且每个一级存储体系都够建成一个单独的IPSAN网,为网络的中的编辑设备提供共享存储。二级存储构建在一级存储之上,做为全网的一个资源交换、备份必需的模块。采用这样的一个体系构架来进行实施的时候,因为网络结构比较复杂,对于使用人员和后期设备维护来说压力较高。
  (2)NAS群集方案
  单独的NAS设备不能够满足大规模非编网的实时编辑的读写带宽要求,系统扩展性和存储容量的要求。因此,必须通过集群的方式将多个NAS设备集合使用。对外来看像似单个设备一样。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光纤通道连接到后端的存储系统上。
  NAS群集方案应用在非编行业里,对保持既有的FC-SAN的存储环境,即可以支持当前高性能有卡工作站、合成等工作站,也可以支撑未来的HDV、高清应用,随着CPU+GPU技术被深入应用非线性编辑系统中,非线性编辑软件对硬件板卡的依赖性已经越来越低,由于可利用本地缓存,非线性编辑软件在网络带宽上的需求明显减低,这使得网络环境中较为昂贵的FC设备有可能被IP网络设备所取代,用来支持无卡非编应用。这样可兼容已有系统,保护投资。
  在NAS群集方案里,利用FC-SAN的存储作为NAS矩阵的后台存储,通过存储访问共享软件使多个NAS机头形成一个NAS存储池,提供IP的存储网络。从而满足无卡非编等应用,让有限的存储带宽为更多的客户机使用。
  从目前情况看选择SAN方式来构架CPU+GPU+I/O网络,采用新技术,新方法,来实现网络的规划。网络资源分配更合理。因为采用了CPU+GPU+I/O技术,在原有部分工作站向高清设备转换时,只需要更换标清的I/O卡为高清的I/O卡,软件只需要升级到高清版本即可,这样就脱离原有设备中,所有的资源改动都受硬件板卡的限制,这样对于后期的人员使用的操作习惯上来讲变动较小,对于设备的利用效率和生命周期将能够得到很大提高。也是将来全台网络解决方案中不可或缺的部分。

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