談國內(nèi)非編網(wǎng)的10年發(fā)展史

2010-08-09 05:03:54孫林記

電視技術(shù) 2010年12期

孫林記，冒衛(wèi)

（南通電視臺，江蘇南通 226000）

責(zé)任編輯:任健男

1 引言

非線性編輯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是全數(shù)字化的電視節(jié)目制作系統(tǒng)，它在把電視節(jié)目的編輯、修改、配音、存取等全部信息進行數(shù)字化處理和傳輸?shù)耐瑫r，將其網(wǎng)絡(luò)化。1999年，福建電視臺成功建成起第一個規(guī)?；蔷€性新聞制播網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。至今，國內(nèi)非編網(wǎng)經(jīng)歷了十多年的發(fā)展歷程。伴隨著電視技術(shù)與IT技術(shù)在這10年中的巨大發(fā)展與飛躍，非編網(wǎng)也經(jīng)歷了幾次里程碑式變革與進步，總的說來可以分為三個有代表性的階段，下面分別就這三個階段非編網(wǎng)的技術(shù)、特征及影響等方面加以說明與闡述。

2 劃時代的第一代非編網(wǎng)

第一代非編網(wǎng)代表時間段可以看作是從1999年至2003年，大洋公司與福建臺合作建成的非編網(wǎng)拉開了國內(nèi)非編網(wǎng)建設(shè)的序幕，此后國內(nèi)大大小小的電視臺都加入了轟轟烈烈的非編網(wǎng)建設(shè)中。下面就這一代的非編網(wǎng)相關(guān)技術(shù)特點展開闡述。

首先，這個時期的非線性編輯系統(tǒng)本身的硬件、軟件方面。早期的非線性編輯系統(tǒng)大多選擇Macintosh，這是由于PC機相比于Macintosh，在多媒體和交互方面有著較大的欠缺。在硬件方面，隨著PCI總線的廣泛采用和奔騰PRO芯片的推出，Windows NT的PC機在性能和市場上優(yōu)勢反而越來越大。由于當(dāng)時PC機硬件性能的限制，這個時期的非線性編輯系統(tǒng)在視音頻處理上都是依靠專業(yè)的板卡來完成的，比較有代表性的板卡有Truevision公司的 Targa2000 RTX/SDX，Matrox公司的DigiSuite套卡，Pinnacle公司的ReelTime等，其中國內(nèi)廠家大多采用DigiSuite套卡，譬如新奧特公司采用此套卡在PC機上的Windows NT平臺開發(fā)而成的NC79、北京大洋公司的DY3000、索貝的創(chuàng)意97。

在軟件體系方面，國內(nèi)廠家利用板卡驅(qū)動所提供的應(yīng)用程序接口開發(fā)了適合國內(nèi)電視臺使用的非線性編輯軟件，在外觀、人性化、功能性等方面都有不錯的表現(xiàn)。這個時候的軟件大都采用C/S的二層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫主要承擔(dān)的是基本配置信息的管理，如帳號、權(quán)限、目錄路徑等，而對于素材則采用文件式的管理，具體組織管理方式如圖1所示。

這種素材管理方式的缺點是過于開放，對目錄及文件權(quán)限設(shè)置稍有不當(dāng)就會造成素材的誤刪。當(dāng)素材數(shù)量達到一定量的時候，檢索或查找素材就會變得很慢。

第一代非線性編輯系統(tǒng)絕大部分采用Motion-JPEG壓縮方式，Motion-JPEG壓縮方式對活動視頻圖像通過產(chǎn)生幀內(nèi)編碼單獨地壓縮每一幀，在編輯過程中可以隨機存取壓縮視頻的任意幀，而與前后幀無關(guān)，這對精確到幀的后期編輯十分理想。而且Motion-JPEG的壓縮和解壓縮是對稱的，可以由相同的軟硬件來實現(xiàn)，算法也不太復(fù)雜，可以用很小的壓縮比進行全幀采集，實現(xiàn)廣播級指標(biāo)要求。根據(jù)壓縮比的不同，DigiSuite套卡在采集過程中可以同時生成高低兩種碼率的文件，低碼率的素材文件可以在無卡機（不帶專業(yè)視音頻板卡的普通PC機）上編輯，完成的工程文件可以在有卡機上打開，通過編輯信息映射到高碼率的素材實現(xiàn)0幀精度回放出廣播級質(zhì)量的信號。正是通過這種思想，可以實現(xiàn)較少的投入，建設(shè)規(guī)模較大的非線性編輯網(wǎng)絡(luò)。

其次，網(wǎng)絡(luò)共享存儲技術(shù)。共享是網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢所在，共享存儲又是其根本，它帶來的最直接的結(jié)果就是素材的共享，借此使用僅有的幾臺上下載設(shè)備就能完成全部的上下載需要；同時又可以在任何非編工作站完成編輯任務(wù)，實現(xiàn)編輯設(shè)備本身的共享；此外，利用此非編網(wǎng)可以實現(xiàn)多人共同完成一項任務(wù)。非線性編輯網(wǎng)絡(luò)存儲應(yīng)綜合考慮安全可靠性、數(shù)據(jù)訪問帶寬、存儲容量、數(shù)據(jù)容錯備份、讀寫性能、擴展能力等，以滿足視音頻數(shù)據(jù)實時存儲共享和傳輸要求。當(dāng)時可選擇的網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)主要有DAS（DirectAttach Storage）和 SAN（Storage Area Network）。

DAS即直接附加存儲，存儲設(shè)備是通過電纜（通常是SCSI電纜）直接連接到服務(wù)器的。I/O（輸入/輸入）請求直接發(fā)送到存儲設(shè)備。它依賴于服務(wù)器，其本身是硬盤的堆疊，不帶有任何存儲操作系統(tǒng)。其特點是存儲設(shè)備為服務(wù)器一部分，該服務(wù)器不但提供應(yīng)用程序的運行，還管理數(shù)據(jù)的訪問。當(dāng)用戶數(shù)量增加或者服務(wù)器提供其他服務(wù)時，其資源被其他程序占用，導(dǎo)致其存儲系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。在網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠的情況下，服務(wù)器本身成為數(shù)據(jù)輸入輸出的瓶頸，數(shù)據(jù)阻塞是DAS結(jié)構(gòu)的局限，因此稍有規(guī)模的非線性編輯網(wǎng)絡(luò)都不會采用這種存儲方式。

SAN存儲區(qū)域網(wǎng)是指獨立于服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之外的高速專用網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)通常采用高速光纖通道作為傳輸體，以SCSI-3協(xié)議作為存儲訪問協(xié)議。將存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)真正的高速共享存儲。FC（光纖通道）協(xié)議屬于網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議，在假設(shè)物理鏈路層質(zhì)量可靠，復(fù)雜的冗余校驗運算較少的情況下能夠提供高速恒定的網(wǎng)絡(luò)連接。由于非線性編輯網(wǎng)絡(luò)要能實時傳輸多路高碼率視頻數(shù)據(jù)流，因此當(dāng)時選擇光纖作為傳輸介質(zhì)也是必須的。為了實現(xiàn)SAN上的數(shù)據(jù)共享，還需要運行存儲管理軟件，實現(xiàn)多臺主機對同一個卷的同時讀寫，譬如知名的綜合存儲管理軟件Tivoli SANergy。SAN需要一個元數(shù)據(jù)控制器（Meta Data Controller，MDC）來負(fù)責(zé)硬件安裝及控制安全性和分配信息。以SANergy為例，MDC客戶端（裝有SANergy的有卡非線性編輯工作站）通過以太網(wǎng)向MDC申請文件存儲的位置，MDC返回數(shù)據(jù)存儲在磁盤的陣列的指針，MDC客戶端即可以通過SAN網(wǎng)絡(luò)存取數(shù)據(jù)。通過MDC的工作流程容易看出，在SAN中還需要用以太網(wǎng)傳輸元數(shù)據(jù)、控制信息，這就形成了常見的FC+LAN的雙網(wǎng)架構(gòu)，如圖2所示。

第三，第一代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理及業(yè)務(wù)管理功能很弱，沒有網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)控平臺對服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、應(yīng)用軟件的運行情況進行實時監(jiān)控，也沒有人員對非線性編輯系統(tǒng)使用情況、使用時間、節(jié)目制作量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行記錄和統(tǒng)計，因此，第一代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)管理功能很缺乏。

3 過渡型的第二代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)

由于動態(tài)編碼技術(shù)如MPEG-2，DV，DVCPRO等在硬件和軟件上的不斷成熟，原來單一的幀內(nèi)Motion-JPEG編碼技術(shù)由于產(chǎn)生的文件過大、占用帶寬較多而顯得落伍了。與此同時，計算機硬件性能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都有了很大的提升和發(fā)展，譬如Intel Pentium4 CPU的出現(xiàn)并逐漸普及，大容量內(nèi)存價格不斷走低、高速以太網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模運用。另外，第一代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)管理、業(yè)務(wù)管理功能太弱以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)沒能得到廣泛應(yīng)用等因素導(dǎo)致第一代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)被更為完善的第二代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)所取代，代表年份為2003年至2005年。

首先，第二代非線性編輯系統(tǒng)軟件、硬件的特點。第二代非線性編輯系統(tǒng)硬件架構(gòu)上與第一代相似，也是在計算機上安裝專業(yè)視音頻板卡來實現(xiàn)的。但是具體配置上與第一代不盡相同，這一代的非線性編輯系統(tǒng)主機配置較高，一般都采用Intel Pentium4 CPU，512 Mbyte內(nèi)存，內(nèi)置上百兆字節(jié)的SCSI硬盤，并且支持1394接口的素材采集，板卡也由第一代的DigiSuite LE升級為DigiSuite DTV/LX。

DigiSuite LE卡是DigiSuite卡的簡化版，是一種性價比較高的全實時視音頻處理卡，與DigiSuite卡相比，只支持四層實時處理（無直通視頻層），不支持實時3D處理、倒放和音軌調(diào)音功能，字幕效果簡單。DigiSuite DTV卡適用于當(dāng)時較為主流的DV和MPEG-2格式，它的基本編輯功能通道編輯及字幕卡類似于DigiSuite LE卡。DigiSuite DTV卡可以用于廣播電視傳輸、DVD刻錄及網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)确矫妫溆旋R全的模擬和數(shù)字輸入/輸出接口，DigiSuite DTV卡上有2個壓縮/解壓功能。DigiSuite DTV 卡支持 DV25（5∶1），DV50（3.3∶1），或者MPEG-2 MP@ML，MPEG-24∶2∶2 P@ML I幀的 10 bit信號（3.3∶1）壓縮格式，DV25 與 DV50 可混編，輸入輸出接口相應(yīng)地增加了DV1394接口、SDI數(shù)字接口、SDTI數(shù)據(jù)倍數(shù)接口以及MPEG-2 IBP格式15 Mbit/s或50 Mbit/s的輸出。但其內(nèi)部僅以DV格式進行視頻處理，還支持以MPEG-24∶2∶2為基礎(chǔ)的I幀編輯，特點是數(shù)據(jù)流可變（DV格式的數(shù)據(jù)流是固定的）。

第二代非線性編輯系統(tǒng)在軟件上更加人性化，功能更強大，支持更多層的視頻圖文軌，除了基于板卡的硬件特技，各廠家也開發(fā)了各自的視頻特技插件。在音頻方面，改變了第一代非線性編輯系統(tǒng)音頻處理能力薄弱的狀況，使非編成為真正意義上的視、音頻編輯系統(tǒng)。系統(tǒng)至少有8軌實時音頻，可合成1～4聲道輸出；支持多軌音頻的MIX特技、回音、混響、均衡、變調(diào)、動態(tài)平穩(wěn)等效果，支持V型、X型過渡；具有靈活的音量調(diào)節(jié)功能，可調(diào)節(jié)時間線上一點的音量，也可對某段的音量整體上下調(diào)節(jié)。系統(tǒng)具有調(diào)音臺功能；時間線上多軌音頻在合成輸出時，可通過音頻映射表方便控制音頻的輸出聲道。第一代非線性編輯系統(tǒng)都是以位圖（TGA）方式處理字幕，因此顯得十分呆板，而第二代的系統(tǒng)依靠底層軟件算法和結(jié)構(gòu)體系的革新，系統(tǒng)完成了面向?qū)ο蟮淖帜惶幚矸绞降闹С?，在非線性編輯系統(tǒng)中不僅完全保留了字幕機的播出效果，更實現(xiàn)了在時間線上多層字幕的制作與播出。在對素材的管理上也從基于文件的管理變?yōu)閿?shù)據(jù)庫的管理，這樣就提高了素材的安全性和素材的檢索速度。

其次，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及共享存儲技術(shù)。由于高速以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這一代的非線性編輯網(wǎng)絡(luò)除了SAN的雙網(wǎng)架構(gòu)，還出現(xiàn)了純以太的NAS技術(shù)。NAS（Network-Attached Storage）是一種硬盤存儲，它不附屬于為網(wǎng)絡(luò)用戶提供服務(wù)的應(yīng)用服務(wù)器上，而是被直接連接在以太網(wǎng)上，并擁有自己IP地址。NAS從物理結(jié)構(gòu)上看，通常由一定量的磁盤陣列作為存儲空間并提供一個I/O存儲調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)文件分發(fā)的NAS頭服務(wù)器組成。所謂NAS頭服務(wù)器實際上是一個獨立服務(wù)器系統(tǒng)。這種服務(wù)器系統(tǒng)去掉了通用服務(wù)器原有的大多數(shù)計算功能，只提供I/O存儲處理和管理、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)分發(fā)（提供NFS和CIFS共享服務(wù)）等專有功能。NAS系統(tǒng)用基于IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)文件協(xié)議向多種客戶端提供文件級I/O服務(wù)，使用NAS存儲空間的其他主機不需要維護文件系統(tǒng)。通過群集技術(shù)將多個NAS設(shè)備整合使用，可以解決獨立的NAS設(shè)備難以滿足大規(guī)模非編網(wǎng)絡(luò)的存儲容量、實時編輯讀寫帶寬和系統(tǒng)擴展性的問題，就如同一臺NAS設(shè)備一樣。采用多個NAS機頭組成的NAS群集架構(gòu)如圖3所示，前端可以提供很好的負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)帶寬保障，后端可以直接連接或通過SAN光纖通道連接后端的存儲系統(tǒng)上。為規(guī)劃存儲增長帶來最大的靈活性，大幅提升了存儲系統(tǒng)的利用率，充分體現(xiàn)了存儲系統(tǒng)和存儲管理軟件的實用價值，從而大大降低了運營成本，如圖3所示。

第三，第二代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)管理與業(yè)務(wù)管理等方面比上一代網(wǎng)絡(luò)有較大的提高，網(wǎng)絡(luò)管理軟件可對用戶賬號、權(quán)限、欄目、節(jié)目文件信息、磁盤空間、設(shè)備使用情況等進行全方位管理，可控制各欄目對系統(tǒng)資源的使用。通過引入“賬號”管理來設(shè)定使用者的修改權(quán)限，從而避免了對素材的誤操作。任何目錄對于不具有讀寫權(quán)限的用戶是不可見的。系統(tǒng)提供的靈巧實用的素材管理工具解決了編輯人員最擔(dān)心的素材刪除與整理問題。

4 變革型的第三代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)

前兩代的非線性編輯系統(tǒng)都是基于專業(yè)視音頻板卡的系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能主要依賴于硬件板卡，這類系統(tǒng)在視頻處理方面基本不占用計算機資源，然而硬件板卡所能處理的視頻格式、特技和實時性都是固定的，難以支持多格式混合編輯，而且大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的專用芯片使其發(fā)熱量大、不夠穩(wěn)定、故障率高。另外，專業(yè)的視音頻板卡絕大多數(shù)是國外公司生產(chǎn)的，核心硬件上被壟斷；非線性編輯系統(tǒng)很大一部分利潤被國外廠商占有，非線性編輯系統(tǒng)的國產(chǎn)化程度不高。新一代的非線性編輯系統(tǒng)采用CPU+GPU+I/O的架構(gòu)，系統(tǒng)完全擺脫了對硬件板卡的依賴，軟件技術(shù)成為最核心的技術(shù)，而且國內(nèi)大洋、索貝等廠家都能夠生產(chǎn)I/O卡，因此非線性編輯系統(tǒng)國產(chǎn)化程度大大提高。在以太網(wǎng)技術(shù)上由于主干萬兆、桌面千兆的出現(xiàn)并逐漸普及，純以太的大規(guī)模非線性編輯系統(tǒng)組網(wǎng)成為現(xiàn)實，所以說第三代非線性編輯網(wǎng)絡(luò)是具有變革意義的。

首先，第三代非線性編輯系統(tǒng)硬件、軟件特點。在現(xiàn)今CPU和GPU性能得到大幅提升的平臺環(huán)境下，基于CPU+GPU+I/O架構(gòu)的新一代非線性編輯系統(tǒng)應(yīng)運而生，工作原理如圖4所示。

圖4 CPU+GPU的非線性編輯系統(tǒng)工作原理

這一代的非線性編輯系統(tǒng)一般都配置了1394卡，支持1394采集，I/O板卡采集視頻和音頻信號，可以達到10 bit高質(zhì)量視頻、24 bit音頻。視頻接口支持SDI、模擬分量、模擬復(fù)合、Y/C、IEEE1394、S-Video 等；音頻接口支持 ANALOG，SDI，AES/EBU 等。

CPU+GPU+I/O構(gòu)架系統(tǒng)完全擺脫了對硬件板卡的依賴，軟件技術(shù)成為核心，實現(xiàn)了基于標(biāo)清節(jié)目制作、平滑向高清升級、多種格式素材混編，對P2、藍光等存儲媒質(zhì)更好的支持。

軟件方面，非線性編輯系統(tǒng)軟件都采用了科學(xué)、人性化圖形界面，嵌入文稿模塊及媒資檢索模塊，方便協(xié)同工作，實現(xiàn)全臺共享及提高制作效率。能夠?qū)崿F(xiàn)3層50 M bit/s碼流、4軌音頻和4層字幕的實時編輯制作，對不能實時的部分提供了智能打包功能；特技具有開放性，支持第三方特技插件；系統(tǒng)大多內(nèi)嵌字幕模塊來實現(xiàn)常規(guī)字幕、唱詞等功能，所有字幕可以在軌上基于時間線操作，可實現(xiàn)8軌以上的實時字幕，每軌字幕都可以實現(xiàn)不同的特技；模板化的資源管理方式，所有字幕文件可在資源管理器中實現(xiàn)統(tǒng)一管理，無論字幕鏡頭、物件、唱詞、滾屏，甚至物件屬性（字體、顏色、特技、大小等）都可當(dāng)作模板保存；支持同時多個故事板文件的編輯，故事板間隨意切換，可方便地進行故事板間的塊操作，如復(fù)制、粘貼等，以實現(xiàn)不同故事板資源的靈活交互，高級的備份和恢復(fù)機制:提供多步恢復(fù)列表，能在意外退出軟件后仍然保留故事板的所有歷史操作記錄，以供恢復(fù)使用；對音頻處理方面功能也更為強大，除了常規(guī)的音頻調(diào)整還支持音頻特技、特效制作。

其次，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及共享存儲技術(shù)?；贑PU+GPU+I/O架構(gòu)的新一代非編比基于視頻板卡的非編具有了更大的緩存調(diào)用機制，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的約束，使得千兆以太網(wǎng)能夠承載大數(shù)據(jù)量、高碼流的視音頻文件，并提供實時的讀寫帶寬。千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)成本比FC網(wǎng)要低很多，且具備完善的網(wǎng)絡(luò)管理能力，正逐步成為非線性編輯網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)。前面已經(jīng)談了NAS技術(shù)，這里說說基于iSCSI協(xié)議的IP－SAN技術(shù)。

iSCSI（internet SCSI）是 IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)小組）制定并于2003年2月正式發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可理解成SCSI over IP，即網(wǎng)絡(luò)上的SCSI，它實際是將SCSI命令封裝到IP包中，從而使數(shù)據(jù)塊在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。iSCSI融合了SAN和NAS的優(yōu)勢，它基于IP協(xié)議，卻擁有SAN大容量集中開放式存儲的優(yōu)點。相對于以往的網(wǎng)絡(luò)接入存儲，iSCSI的出現(xiàn)解決了開放性、容量、傳輸速度、兼容性、安全性等問題。表1是NAS，SAN和iSCSI的對比。

表1 NAS，SAN和 iSCSI的對比

IP-SAN采用的是千兆以太網(wǎng)，繼承了SAN的優(yōu)點，而在性能上接近FC-SAN，成本卻低很多。圖5為采用了二級分布式存儲的IP-SAN非編網(wǎng)，它有效地分配了存儲陣列的I/O帶寬，均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，保證子網(wǎng)中每個非編站點能夠?qū)崟r編輯視頻。

第三，第三代非編網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺和業(yè)務(wù)運行的全面監(jiān)控和管理。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)管理包括具體的工作站，服務(wù)器、交換機等IT設(shè)備的運行等情況，一般采用SNMP協(xié)議采集實時數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)運行管理包括在PC、服務(wù)器上運行的軟件模塊的運行情況；完成某個流程應(yīng)用所需要的資源的準(zhǔn)備情況。

5 總結(jié)