高清电视转播车视频系统的设计与实践

摘　要：高清电视转播车带动电视台制作向高清时代的转型。笔者结合城市台的工作特点对高清转播车视频系统的总体设计理念、具体实施以及实际应用等进行研讨。

关键词：高清车； 视频系统； S-BUS控制系统； 无溃点设计

近几年随着高清电视及高清节目的普及，央视及各省市电视台都相继推出高清频道，高标清同播在全国推广，高清时代已经悄然到来。2011年福州广电集团决定引进一部10+2讯道数字高清电视转播车，从而带动全台制作向高清时代的转型。笔者谨对转播车视频系统的总体设计以及具体实践（特别是体育赛事的转播）进行阐述和探讨。本系统设计为纯高清内核，采用上下变换满足标清制作的需要，同时还充分考虑大小车级联。以主高清切换面板为主节目制作核心，卫星切换面板作第二套节目制作或现场大屏切换（亦可作为应急备份切换面板），以矩阵的应急母线作为应急输出通道。采用多格式数字矩阵作为调度矩阵，用于应急、录像、慢动作、车后面板等信号调配、切换和转换；切换现场导演电视墙的监看信号。
整车配置10路标准摄像机讯道，2路无线微波讯道和12路外来信号，设计容量为24路讯道。包括高清摄像机，无线高清摄像机，VGA/DVI转换，外来高标清及模拟信号。视频主要核心设备为SONY MVS-6000大型数字切换台和SONY IXS-6700多格式数字矩阵；录制设备有2台4通道EVS硬盘慢动服务器，2台高清录像机，2台标清录像机；电视墙采用16个24吋液晶监视器通过分屏显示可以监看31路信号；技术区采用17吋液晶监视器四分割作讯道监看，并结合联动Joystick的全屏显示功能；技术监审采用17吋BVM级液晶监视器；VTR区采用17吋液晶监视器。整车采用SONY S-BUS网络控制系统将摄像机、切换台、视音频矩阵、网络型调音台等设备结合成一个整体，实现多个设备之间的联动，实现TALLY控制、源名跟随、多面板联动以及其他系统的平滑嵌入等功能。
作为城市级电视台，在引进高清转播车时，应结合自身的实力和特点，考虑本地的制作环境，打造一辆最适合自己的转播车。设计上整车应具有一定的先进性和通用性，也应具有一定的独特之处。以下就对这些特点进行简单阐述。
1 视频系统设计上的特点
高清电视转播车的视频系统应该具备高度的灵活性，信号调度灵活多变；扩展升级的冗余性，各工位具备一定的可扩展性；搭构无溃点视频系统，保证直播的安全性，在操作性上注意到了整车制作环境的舒适，布局合理。
1.1 多讯道 多信号源
现在的现场转播中，仅由摄像机讯道提供信号源显然是不够的，由于不同现场情况，不同活动内容导演需求，必定有其他信号源形式进行补充，才可以完成整场的转播任务。因此我们设计了多样化的信号源作为摄像机讯道的必要补充。除了多讯道的摄像机组单元（10路标准讯道及2路微波讯道）外，还包括2路的高清录像机（VTR）信号，2台的硬盘慢动作录像机（EVS）信号，2路字幕机（CG）信号，2路VGA信号，提供12路的高标清数字及模拟外来（EXT）信号，并且配置了30多路的VIDEO TIE LINE供信号调配，使其在现场通过跳线盘接口系统，配合矩阵的调度，可以方便快捷完成信号调度及双车级联等功能。
多机位慢动作作为回放是现场直播（特别是体育赛事）转播车录像系统的重要特点，在大型体育赛事的转播中要求多机位、高质量的，慢动作回放是其突出的标志。硬盘慢动作录像机（EVS）在实时记录的同时可编辑制作并播放硬盘保存的资料及正在录制的内容，这对于高标准的体育赛事转播是必不可少的。在这方面我们提供了双EVS XT-NANO(5×300G)4通道高清硬盘服务器，各含一个遥控操作面板，通道配置为3IN1OUT，6路输入均可自由调取来自矩阵的信号，双机的好处不仅在于信号源的增加，同时可以在一台进行慢动回放的时候，另一台对硬盘已存或实时录制的资料进行编辑制作。同时双机联网可以实时调用对方的素材资料，以便实现素材资源的共享。系统连接如下简图：

上图中，MTPC网络用于检测及识别各服务器及存储器状态，并传送素材剪辑列表进行备份；HCTX是G级网络，专门用于传送素材文件。
1.2 高标清兼容视音频多格式数字矩阵及高清视频切换台
整车视频系统为纯高清内核，通过下变换实现高/标清的同步播出。我们在视频核心设计采用了切换台和矩阵为同一品牌的方式，主要是基于核心设备控制系统和协议互通共享；两者交叉点可实现互控，随动；源名协议互通，源名共享；TALLY协议互通；实现软件的集中控制和监看，实现智能化管理等的考量。矩阵作为系统的信号调度设备，主要承担高清记录信号指派、硬盘录像机（慢动作）源信号选择、节目输出以及技术监测等多种任务。其输入的信号主要有CAM、VTR、EVS、PGM、AUX、CLEAN等。其输出的信号主要有送到车外的信号，节目输出信号，给录像机的录制信号，技术监看信号，电视墙监视系统用信号。在现有多信源、多格式的高清车视频系统里，由于功能需求增加了很多，特别是灵活性方面需要加强，矩阵是系统灵活性和安全性的关键。采用 SONY IXS-6700高标清兼容视音频多格式数字矩阵是基于IXS-6700可以在一部机箱里同时处理HD/SD视频信号，也可以处理音频信号，视频支持HD/SD SDI格式，码率从143Mb/s到1.485Gb/s；音频支持AES/EBU格式。这样在视音频层联动和视音频层分离等复杂系统应用中就非常方便，同时可节省空间和投入成本。矩阵规模视频系统为64×85、音频系统为32×34，输入输出都预留冗余可方便扩展升级。IXS-6700视音频矩阵支持S-BUS控制系统和以太网控制系统，通过S-BUS矩阵与MVS-6000切换台构成一个虚拟的大矩阵，两者之间可实现联动。切换台和矩阵间母线可以联动，从而在控制层面上做到一种深层次的有机联动，给现场实际操作带来极大的便利性。MVS-6000高清视频切换台同样支持S-BUS和以太网控制系统，分别来完成切换台的控制和数据互传；主/备切换面板均带有源名跟随显示功能，支持并行、串行和S-BUS等多种TALLY方式；具有独立的M/E结构，每级M/E配有24个直切键，4个独立并且可指定的键类型的键控器，这些键控器可以完全区别于主转换而独立进行；帧存系统拥有8路同时输出的信号；设备采用Linux操作系统，具有很高的安全性、可靠性和稳定性。
下图为矩阵和切换台的联合控制示意图：矩阵和切换台通过S-BUS 主站联系后，可互相传输交叉点信息，源名信息，控制信息，如矩阵面板可 控制切换台交叉点输出，切换台的DCU可传输矩阵的TALLY输出。

1.3 SONY S-BUS网络控制系统
随着EFP制作从标清发展到高清，规模不断扩大，具有IT特点的设备增加，制作系统要适应现场环境和制作人员的需求不断改变制作规模和导演的工作界面。如何有效地提高制作系统的应变能力，以前我们讨论一个系统核心是视频系统，那么现在我们最核心的系统反而变成了控制系统。控制系统和视频系统的关系就好比人的大脑和身体的关系。现场制作因节目形式不同、导演习惯不同、规模大小不同，都对视频系统提出各种灵活的要求，而这些要求是临时的、多变的。如果只考虑视频系统，那么整个系统就会受到视频系统的局限，受到硬件的局限。但控制系统将各个系统统筹考虑，并且用网络化的形式进行软件系统的设置，可以做到因需而动。因此从设计的角度审视系统，就不能单单只看到视频层，还要看到控制层，监测层等。如下图
 
而其中控制层占据着重中之重的位置，它是中枢，指挥视频层实现各种不同的要求。因此我们提出了控制系统优先的控制层概念。SONY S-BUS控制技术改变了传统视频为核心的设计概念，提出全新的系统控制概念。以前很少谈及的 TALLY、源名系统、智能监控、MONITOR WALL调配等等, 新的非硬件可以满足的需求已经逐渐成为新系统的必须配置。SONY公司在高清技术方面有着很强的系统产品系列。通过它自行开发的S-BUS协议，很多专为系统开发的产品能够实现互联。本车选择SONY的矩阵（IXS-6700）和切换台(MVS-6000)，即是考虑到支持S-BUS控制系统这一重点。通过S-BUS协议，它们之间能够很好地联动。利用该协议，矩阵通过一根同轴电缆，就可传送给切换台包括TALLY及素材源名在内的全部控制信号，实现视频信号的切换跟随，源名跟随，以及TALLY自动跟随。在整车视频系统中，其它各设备单元的控制要也要能够互联。如摄像机、TALLY系统、应急开关等不应为分离的设备，而是能互相发生联系的系统设备之一。在物理上各单元有互相联通的控制电缆，在协议方面通过S-BUS彼此互相支持，将各单元联系起来，这样就可通过S-BUS网络拓扑结构将切换台、视音频矩阵、摄像机、TALLY系统、应急开关等设备形成一个控制整体，来满足多个设备之间的联动，以满足系统信号源分配和调度的灵活性要求。
下图为S-BUS控制系统连接图，可以看到在S-BUS网络中连接有各类系统产品，包括矩阵，切换台，控制面板，摄像机系统，UMD，第三方产品等。

1.4 视频系统的无溃点设计
系统的安全及应急备份是设计中必须考虑的重点，我们在视频系统设计了一套可靠的无溃点方案。（1）输出通道：采用矩阵作为视频切换台的应急。切换台和矩阵分别输出PGM信号，互为备份。输入包括切换台各级M/E和PGM输出，及矩阵应急的信号。输入信号的增多可以使信号可选择性增多。为了提高备份系统的可靠性和简易性，采用双2选1开关选择输出两路最后PGM信号，主备双通道互为镜像，以并行输出的方式输出高标清、模拟PGM（经加嵌带音频）信号。这样无论矩阵、切换台或2选1哪个环节出故障，都能保证系统主备通道之间至少有一路正常输出。如下简图：

（2）切换台面板：MVS-6000的P/P级面板和1级M/E面板可互为备份，卫星面板也可作为主面板的应急备份；矩阵面板可作用于切换台，调动切换台内部交叉点。（3）TALLY系统：由于矩阵，切换台都处于S-BUS控制系统中，所以TALLY信号是作为内部S-BUS的一个信号，这几个设备联动，不会导致TALLY的丢失。矩阵配置了GPI接口，用于在应急时刻给静态TALLY单元，输出TALLY信号。（4）交叉变换器：系统配置了4台9500交叉变换器，总共提供了8IN8OUT的上下变换环路，基本满足现在各种转播任务对信号格式变换的需求，做到充分的冗余备份。（5）控制系统：S-BUS控制系统主站设备为双CPU,双电源；网络结构为星型结构，这种结构可以保证其中一个节点出问题时都不会影响其他的节点。
2 具体实践和应用及改进
高清车2011年4月交付使用以来，整车为2011年国际女排（泉州）大奖赛、央视“心连心”艺术团厦门特区的慰问演出和CCTV-5首届中华龙舟（漳州）大赛提供了技术支持。下面以CCTV-5首届中华龙舟（漳州）大赛的比赛的来简述一下转播车视频系统的具体应用。
本次大赛在500米的赛道上布置了15个讯道摄像机，其中10个标准讯道沿赛道均匀架设，在水面快艇布置了4个微波讯道，跨赛道上空布置有1个飞猫讯道。由于整车为12讯道，需增加的2个微波讯道及一个飞猫讯道为标清设备，经EXT3-5进入系统由FA-9500交叉变换器上变换为高清信号后提供给矩阵和切换台，供现场导演调用。下图为现场机位示意简图

根据现场导演的习惯和要求，使其能够直观地调度赛道各位置的摄像机，就必须通过S-BUS控制系统对源名进行调整，呈现给导演的源名只能有CAM、EVS、CG等，而不能出现EXT这样非直观的源名。通过调整TALLY服务器中的相关的配置软件，修改S-BUS上这几路连接扩展微波讯道的EXT对应于矩阵和切换台的输出源名为相对应的摄像机CAM源名，具体将EXT3、4、5修改为CAM13、14、15。
在电视直播中，特别是大型活动或赛事，保持声音和画面的一致是确保获得真实现场效果的重要技术环节，要求音频部分的调音台具有音频跟随视频（Audio follow Video）的功能。即调音台推子通道可与多个摄像机信号源实行绑定联动，利用视频系统给出的GPI信号实现推子通道的联动。当切换台选定指定摄像机信号，绑定的一个或多个调音台音频通道将自动打开；当视频信号改变时，音频通道将根据事先的设置进行相应的更改。在本系统中切换台通过DCU输出GPI信号到调音台实现AFV功能。这些都有调音台自动完成，无需调音师现场操作。调音师只要提前绑定好这几组的音频和视频信号，设定好推子电平，均衡、动态等音频参数即可。本次赛事我们就利用了调音台的AFV功能，这样调音师在现场时就可以将主要精力集中于现场解说、音效和卫星信号传送方面，将大部分相对机械的控制功能交给调音台自动完成。
直播信号在高标清混播的情况下，我们提供3种模式4组主备通道的视频信号供主办方使用。①挤压（SQ）模式下变换成标清信号送现场卫星车完成信号从现场到央视演播室间传输，同步录制标清节目做资料备份；②同步录制现场高清节目作为高清资料备份；③切边（SC）模式下变换标清信号经车后板输出给漳州电视台。经一年多具体实践 ，我们的视频系统在各种复杂的环境下安全、稳定、高效使用，基本上达到了我们设计的初衷。面对着2015年第14届城市运动会的转播任务，鉴于与央视几次联手直播的经验，对视频系统进行适当的升级改进。增加2路的高清无线微波讯道，新增的微波讯道接收单元采用飞行箱设计模式，不集成到车内，这样现场使用时就可以根据实地把接收基站放置于相对理想的位置，方便微波信号的接收，减少干扰。微波接收机接收到的视频信号通过视频线接入车后板，经帧存或交叉变换器进入系统供矩阵和切换台调用。
基于这种设计思路，还可以有效提高微波讯道的使用率。在需要时微波讯道也可以给台里的卫星转播车使用，以实现性价比的最大化。目前国际体育赛事转播标清记录格式采用Digital Betacam。新增一台SONY MSW-M2000P，配合已有的HDW-1800和MSW-A2000P，基本可以兼容现在所有从标清到高清的SONY磁带格式。以上升级改造方案已经逐步实施，部分设备也已安装调试到位，经测试及实际使用，效果良好，将为以后福州及周边地区的综艺及体育赛事的转播录制提供完美的服务。

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