基于12G SDI技术的超高清电视播出系统设计研究

夏旭

摘要：随着《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》的发布与实施，为进一步实施“4K先行、兼顾8K”的行业发展战略，提升超高清电视播出系统的建设运行效率，有必要对12G SDI技术进行深入探究。文章基于12G SDI技术设计了超高清电视播出系统架构，分析了系统功能配置及实现情况，并从信号源接入转换、视频播放存储、播出控制、延时播出、高标清同播等方面展开了论述，希望能够为超高清电视播出系统的设计开发提供一些借鉴。

关键词：12G SDI技术；超高清；电视播出系统

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.007

中图分类号：TN 949.17          文献标志码：A           文章编码：1672-7274（2024）03-00-03

近年来我国经济快速发展，产业格局升级迭代趋势明朗，各种先进的技术手段不断涌现，为各行业领域的发展注入了活力。电视视频行业受到滋养和驱动，同样步入了高质量发展新阶段，如何优化电视视频画质，实现12G SDI技术的融合应用，成为诸多电视视频制作者关注的焦点。

1   基于12G SDI技术的超高清电视播出

系统架构

4K超高清电视播出系统建设之初，采用4线3G SDI接口传输信号，虽然能够保证画质的优化提升，但是容易造成设备系统冗余问题，12G SDI就是在这种背景下产生的。与传统技术相比，12G SDI接线方式更简单，可以将4根线缆整合为1根，系统部署更加简洁，传输速率更高。为满足新时期用户对电视播出画质的高要求，需要借助12G SDI技术进行新播出系统的搭建。本文中设计的系统架构主要包含3个层级，即资源层、服务层和应用层。其中，资源层包含各种网络物理设备、存储物理设备、数据库物理设备等，是整个系统的物理基础；服务层主要负责管理各功能算法，提供时钟服务、日志服务等，系统设计人员可以在此编写各功能板块规则，实现功能的针对化设计应用；应用层主要包含人机接口，工作人员可以通过该板块进行SDI远程播出控制，实现信号的接入转换、视频的播放存储、节目单的修改等。当系统正式运行时，总编室可通过平台获取备播节目信息，开展节目单编排工作，关联好所有的节目文件，然后通过12G SDI接口向数据库提交编排好的节目单，整合素材信息、节目单通过审核后完成节目的播放。值班人员可手动加载和追加节目单，并根据播出情况调整服务器参数，完成基于12G SDI的超高清电视节目播出。下面详细介绍超高清播出系统的关键功能模块。

2   基于12G SDI技术的超高清电视播出

系统功能配置

2.1 信号源接入及转换功能

该功能主要负责接收演播室直播信号、VTR视频信号等，经由CPU控制板识别处理后，传输给视频播放及存储模块，实现超高清电视节目的播出。该板块设计的关键问题在于物理设施的配置和视频链路的设计。在物理设施配置方面，主要采用模块化机箱，内部的CPU控制板、电源等支持在线热插拔，能够在12G SDI串行控制接口的辅助下，完成数据信息的传输和处理。机箱对接4块面板，2块AUX母线面板[1]，可以用于播出和矩阵信号的调度监看。视频链路设计采用“分控矩阵+ALL IN ONE”的方式，多个频道共用主备分控矩阵。各传输链路相对独立，自适应线缆均衡，能够满足光纤接口和帧同步需求，线缆输入长度在100 m以上，输出信号还支持时钟再生。总控对接的设备全部经过优化评估，采用全高清配置标准，且支持远程遥控、监控和12G SDI串行通信。另外配备了3×1切换器，能够在电视播出过程中完成信号的应急倒换，配合前置矩阵等完成热备通道的切换和启用。

2.2 视频播放及存储功能

视频播放模块需要完成6个超高清频道的播出任务，因此采用了基于12G SDI的主备双SAN架构，可以将所有频道集中在一套SAN架构中，实现集中存储和资源共享，方便审核人员集成审片，节约时间。遇到延时播、应急上载播出的情况，可以另外调用单机服务器进行播出控制。视频服务器配置了2 GB以太网接口，能够在FTP、CIFS等协议的支持下完成播控信息的传输。普通视频文件符合MXF OPla标准；超高清视频本身占用的资源较多，因此采用MPEG-2编码压缩管理方式，压缩后传输效率可以达到50 Mbps。系统可以根据需求进行4∶2∶2或4∶2∶0数字视频采样。音频采用嵌入方式，单路视频可以嵌入多路数字音频信号，满足超高清电视的差异化播出需求，后台还可以实时更换帧精准度，方便节目集间插播广告。此外，视频服务器运行环节还需要考虑频道内容的存储问题，12G SDI超高清电视播出系统共对接3个演播室、6个频道，每天可保持6小时左右的生产量，且素材存储时间要至少满1个月，因此存储空间计算结果为25.3 TB。在此基础上考虑了超高清播出系统的缓冲需求，按照20%的缓冲空间计算，将整个平台的有效存储空间定为31.6 TB，分析后发现能够满足视频存储需求。

2.3 播出控制功能

12G SDI超高清电视播出系统物理层对接的设备类型是非常多样的，控制管理不到位很容易出现异常问题，因此系统中还专门开通了人工播出控制功能，可以协调控制视频服务器、切换设备、键混设备等，保证各频道节目的正常播出，以及台标、字幕等的正常叠加。为保证系统运行安全性，各个频道均采用了主备播出站模式，可以分别控制主备播出解码通道，人工后台操作信号倒换装置可完成设备的远程控制。超高清电视播出系统运行环节，各频道播出工作站的信息会汇聚到主播出工作站中，在站内集成控制所有设备，并向下级工作站传递节目单信息，共享控制信息和设备状态信息。一旦出现故障问题，备播出工作站、热备播出工作站便会被启用，进而及时接管运行中的播放设备，完成系统的热备份与热切換，避免故障引发的电视播出中断问题。该部分的控制主要依赖于内置422控制卡，能够将人工指令转化为422信号[2]，供各设备识别和接收，主备转换部分同样配置422自动倒换开关，可以完成播控机的自动或手动切换。部分情况下频道会出现节目单紧急变更的情况，工作人员还可以通过桌面KVM进行切换，将桌面集中监看界面转换为单界面，通过单界面快速修改节目单，增强应急响应能力。若多个频道出现节目单紧急修改需求，还可以将播控界面分发到不同显示器中，方便播出主管、主岗、副岗同时操作修改。

2.4 延时播出功能

延时播出是电视直播节目制作过程中极为重要的技术手段，主要用于突发事件处理、技术故障处理、节目编排剪辑等，工作人员可以利用延时时间删减舞台意外情况，剪除导演切换失误、传输信号中断等不完美画面，进而保证电视节目的播出效果。在本文中的12G SDI超高清电视播出系统设计过程中，同样配备了延时播出功能，内部配备两套延时播出设备，采用矩阵自环布置方式，一备一用，能够实现信号AFD的信息透传和超高清画面的延时播出。在实际播出过程中，工作人员可以通过系统平台进行手动素材录制或自动素材录制，为重播节目的剪辑制作提供支持，还可以手动或自动调整延时量，提高播出控制的灵活性。在延时播出模块的人机交互界面中，会实时显示系统时间、播放时间，以及录制时间和审片时码等，能够更好地帮助工作人员进行播出管控，动态延时量也会不断更新和显示，提供双时码轨，可以同时显示录制时码和播出时码，使播控情况一目了然。延时时间段内可执行的操作也是非常多样的，如素材删除、插入、覆盖或者素材定位、插播等[3]，所有的编辑都是支持撤销的，增强了后台播控的可操作性。考虑到部分直播画面总用时较长，系统内还开放了标记点功能和保护区功能，工作人员可以快速标记和定位关键画面，浏览待播素材，有助于降低播出事故发生风险。

2.5 高标清同播功能

高标清同播模块集成了12G SDI技术和AFD技术，能够对节目采编、播出进行全流程把控。AFD技术全称为活动图像格式描述，主要用于描述视频编码帧中人们感兴趣的图像的幅型比。虽然旧有体系中已经实现了对AFD技术的应用，但整体的灵活度不足，无法实现高效率转化，高标清同播效果较差。12G SDI技术的出现加快了数据处理效率，简化了后台设备结构，给AFD的灵活运用创造了更多可能。本文中系统平台主要开通了编单系统，可以在ADF技术支持下调整节目幅型，将原有节目转换为xml格式，并传送到播出系统中，实现高标清同播。面对的素材类型不同，系统采用的控制策略也是存在差异的：对于文件素材，可以直接在制作端加入AFD信息；对于直播信号，则可以启动AFD嵌入器，通过基带信号的调整配置信息。工作人员在后台播控时，借助“下变换器”就能够直观读取AFD信息，提高了高标清同播控制的精确性。此外，工作人员还可以直接操作后台按钮，完成高清、标清画质之间的切换，根据需求在不同环节增加AFD信息，使得高标清同播更加灵活。节目审看模块还能够呈现实际上载素材的ADF信息，将其与节目元数据进行对比分析以发现异常，降低AFD加载错误风险[4]。

2.6 播出系统监听监看功能

监听监看子系统主要用于观察超高清电视节目播出情况。本文中设计环节，在该模块设置了矩阵式画面分割器，可以对6个超高清频道进行分区显示，实现集成监听监看，提高工作效率。模块开通了监看信号的调度功能，工作人员可以结合实际需求调整12G SDI信号相位，增强监听监看的灵活性，避免出现卡顿、延迟等情况。借助总控矩阵式画面，对分割器端口进行管控，可以及时整合多余端口，以便在紧急状态下调用替补，保证播出监看的稳定性。此外还可以根据电视节目类型、特征等设置监听单元，对节目中产生的音频信号进行汇聚整合，完成选择性监听或者轮询监听。监听监看投放环境是非常多样的，既支持大屏监看，也支持音频单独监听、桌面监看。为保证异常问题出现时现场工作人员能快速响应和调整播出策略，本文中的监听监看模块设计还配备了报警功能，可以进行节目播出报警、待播节目报警、节目单报警等，有助于快速定位故障点，保障超高清电视播出效果。

2.7 系统安全备份功能

针对超高清电视播出系统运行环节可能出现的设备故障损坏、系统宕机停运问题，本文中还基于12G SDI完善了安全备份功能，搭建起了集通道备份、文件备份、系统备份的三级安全备份体系。其中通道备份主要解决12G SDI通道故障问题，采用主备+热备的冗余设计思路[5]，当主备通道出现信号扰动或信号中断情况时，可以进行自动或手动的备份通道切换，保证超高清电视节目的顺利播出。文件级备份主要解决12G SDI超高清电视播出系统故障，节目单、电视素材丢失损坏的问题，系统会自动监测SAN视频服务器状态，其中的存储器与单机播出服务器直连，一旦发现异常、故障问题，可以直接通过光缆传输和迁移文件，实现依托于单机视频服务器的紧急播出。最后是系统级备份，主要采用IP系统备份方式，当SDI系统出现重大故障，比如单机服务器及主备、热备均损坏时，可以启用IP系统，将IP播出信号解码、转化后，通过12G SDI播出。备份功能的启用有较为明确的流程规范，当生产网络存储故障时，要求工作人员及时停用节点并开启应急备播流程，由非编工作站接收文件推送任务，当发生二级存储故障时，则启用应急迁移链路，通过12G SDI接口导出到本地存储装置中，另一条链路将素材迁移到服务器，通过IP系统播放。当播出控制模块故障时，可以根据需求启用备数据库、备用工控机等，保证播出质量的优化提升。

3   结束语

综上所述，12G SDI技术综合性能优良，可应用于超高清电视播出系统建设中，能够有效提高视频帧率和基带码流，在简化系统架构的同时为电视观众提供更高水平的画质。在实践中务必要给予充分重视，要结合超高清电视播出系统设计开发需求明确12G SDI技术应用思路，从资源层、服务层、应用层三个方面出发改进细化，配齐配全系统的信号源接入及转换功能、播出控制功能、高标清同播功能等，满足电视视频的差异化播出要求，为电视视频产业的优化发展助力。

参考文献

[1] 赵晓忠．多种连接方式对12G-SDI信号传输的影响[J]．现代电视技术，2022（1）：136-139.

[2] 邵剑锋．4K超高清电视播出系統研究[J]．西部广播电视，2023（10）：238-240.

[3] 王伟．4K超高清和高清电视同播系统的下变换技术探讨[J]．电视技术，2023（1）：221-224， 228.

[4] 盛轶骏．12G SDI技术在超高清电视播出系统中的应用[J]．广播电视信息，2023（4）：54-57.

[5] 汪环忠．4K超高清转播车音频系统设计及应用研究[J]．电声技术，2023（3）：53-56.