SDN集中管理控制系统在国庆70周年直播中的应用
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作者:柴路
[摘要]基于中华人民共和国成立70周年庆祝活动电视4K超高清、高动态范围全流程制作、直播的需求，总切换系统进行了以IP切换台为核心架构的系统适配改造，并采SDN集中管理控制系统，解决直播的集中管理控制、操作方式及应用形式。
[关键词]电视直播;4K超高清;IP系统;SDN集中管理控制;虚拟矩阵;源名TALLY
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.003
2019年10月1日，庆祝中华人民共和国成立70周年大会、阅兵式、群众游行和联欢活动（以下简称庆祝活动）在北京天安门广场举行。中央广播电视总台圆满完成了此次庆祝活动的电视实况直播工作。这也是目前全世界范围内规模最大的4K HDR（高动态范围）全流程制作、播出的一次成功实践。
中央广播电视总台复兴路制作区第八演播室（以下简称“第八演播室”），作为台里第一批建成使用的4K超高清IP演播室，承担了这次庆祝活动的公共信号直播工作。阅兵式的直播信号由新闻中心负责切换，联欢活动的直播信号是由大型活动中心负责切换。因两个导演团队无论从外来信号源与切换台输入源的内容，导监墙、切换台的布局排列等方面的需求并不相同，导致在两档节目的转换过程中需要对外来信号通路的源名、TALLY、监视墙布局、切换台输入源及面板位置等信息进行快速变更。这在传统基带系统下将是一项很繁重耗时的工作，但在IP系统中，使用演播室集中控制系统则做到了短时间内完成演播室场景的转变工作，使得整个演播室可以在很短的时间内由“阅兵”状态切换到“联欢”状态。
作为实际操作者，下面详细介绍IP演播室SDN集中控制系统中直播系统适配改造、SDN（Software DefinedNetwork，软件定义网络）系统、技术难点及解决方案。
1第八演播室4K超高清视频系统概况
第八演播室4K超高清视频系统，采用主备通用交换机加IP切换台作为核心的系统架构。以交换机作为數据交互汇聚核心，切换台作为制作中心，交换机目的切换作为制作的备用切换通路。4K信号使用LLVC编码格式NMI协议进行传输，符合SMPTE2022-7IP信号的冗余标准，通过SDN管理系统对信号进行控制、调度及管理。
系统包含两组叶脊结构交换机作为主备交换机系统，每组交换机都是由1台华为CE8850-64CQ-EI交换机为脊，1台华为CE6865-48S8CQ-EI交换机为叶组成。
切换台使用的是SONY XVS-8000切换台，支持40路4K超高清IP信号输入，12路4K超高清IP信号及4路4K超高清SDI信号输出。8台SONY HDC4300/L 4K摄像机，2台EVS XS4K 4通道4K记录播放服务器，3台新奥特的Graphite-G石墨4K字幕包装机，2路VGA及2路上变换通路。另有6路接收由总控送来的外来4K通路，4路送总控的4K通路，与总控的通路采用TICO基带方式交接。
导监墙监看系统仍然采用SDI基带监看方式，由1台EVERTZ XENO支持64路输入64路输出的监看矩阵，加7台EVERTZ 3067VIPl61路3G输入、2路4K输出的画面分割器组成。
视频导监墙采用12台SONY X550大屏组成，其中，10台大屏通过画面分割器以多分屏方式监看，2台大屏用单画面方式作为PGM、PVW的4K监看。音频导监墙采用3台SONY A8F大屏以多分屏方式显示，1台SONYX550大屏用单画面方式作为PGM的4IqR看。其中，多分屏内的画面采用2SI的一路3G信号进行监看。
系统主路输出由切换台切换输出，备路输出由交换机目的端切换输出。SONYNtSM系统作为IP制作域的SDN对交换机及所有视频流进行管理、调度。格非的“Magi SDN集中管理控制系统作为演播室顶层SDN及主TALLY系统。
2第八演播室4K超高清视频系统针对庆祝活动直播的适配改造
第八演播室作为此次庆祝活动直播的总系统，为了满足此次直播的需求，对第八演播室数据交互系统、监看监听系统等作了针对性的适配改造，扩展第八演播室现有4K系统数据交互处理能力、信号处理能力以及信号监看规模。
2.1数据交互系统适配改造
总控送来的外来通路由原有6路增至32路，用以接收前方A、B、c、D、E、F系统和各单点机位的回传信号。为方便改造及后期的使用、管理、恢复，全部通过新增加的2台华为CE6865-48S8CQ-EI交换机连入核心系统，将原来一脊一叶的核心交换机系统扩展为一脊两叶的结构，如图1所示，以保证交换机系统符合SMPTE2022-7的主备标准。
总控送来TICO信号经TICO解码器转为4×3G信号进入解嵌器，解嵌器有2组4×3G的4K输出。其中，第一组输出经IP卡连接交换机进入IP制作系统;另一组输出的4路3G信号以2SI格式用作监看使用，其中第一路3G信号接入监看矩阵进行调度，第二路信号接入跳线盘，用作监视墙大屏的B路备份监看，第三路信号接入接口板作为画分输入的直连使用。
2.2监看系统的适配改造
监看系统也做了相应的改造，新增加4快SONY A8F大屏，其中，2块用于补充音频导监墙，2块用于补充视频导监墙（见图2），因矩阵规模的限制，无法做到所有画分的输入全部连接矩阵进行调度。
在视频导监墙布局方面，占用了4台画面分割器和10块监看大屏，以4分屏的方式显示前方回传的节目信号，每台画面分割器的前八路输入接入矩阵。另用1台画面分割器和2块监看大屏，显示系统末端输出信号、录制内容等系统信号，此台画面分割器的前12路输入连接矩阵。新增加的2块监看大屏以单画面方式显示切换台内置的2路MV信号。
音频导监墙使用了2台画面分割器和4块监看大屏，以9分屏的方式显示所有信号，每台画面分割器的前9路输入接入矩阵，后5路输入则直接连接外来信号。所有画面分割器的最后2路输入都是接的切换台内置的2路MV的信号，用以作为应急显示使用。 2.3演播室工位调整
应直播需求，增加了2台6通道EVS作为精彩编辑系统。同时，为了更好地保证4K超高清HDR信号和高清SDR信号的图像质量和色彩效果，特设立了独立的监看工位，对4K/HDR与HD/sDR信号进行全程技术对比监看。
3SDN集中管理控制系统的应用和调试
3.1集中管理控制系统介绍
第八演播室超高清4K视频系统，采用的格非Magi SDN集中管理控制系統负责全系统的管理、控制、监测，位于系统的最顶层。从结构上来说，Magi SDN集中管理控制系统分为代理层、服务层和用户交互层，见图3。
代理层是将不同厂家、不同协议的设备的参数进行封装从而为服务层提供统一的Restful接口，见图4。服务层则处理用户交互层发送的命令请求，进行处理后转发给代理层，同时接收代理层的命令反馈后通知用户交互层。而用户交互层则为实际使用界面，是系统管理、控制、调度、监测、网管等部分的用户交互接口。同时，系统配置了多种类型的可编程硬件面板，在SDN中编辑好面板模板后可以在瞬间下发至硬件面板进行操作。演播室内包括应急切换面板在内的众多面板，都是采用此种方式对交换机、SDI矩阵、画面分割器等设备进行切换调度的。格非SDN还具有独立的TALLY及源名处理模块，用于系统内TALLY及源名策略的制定与应用。
3.2集中管理控制系统的具体应用
下面就本次直播前、系统调试时通过SDN集中管理控制系统解决的部分技术难点进行详细解析。
第一个难点就是信号源数量超出了切换台的输入路数的问题。在阅兵式的直播中，需要用到32路外来信号、2路视频播放信号，共34路信号。对联欢活动的直播，需要用到28路外来信号、4路视频播放信号、2路精彩编辑信号、3路字幕包装信号，每路字幕包装信号包括字幕包装机输出的视频信号和键信号2路信号。虽然每个时段所需的信号数量都控制在40路输入的范围内，但2次直播所需信号的总和却达到了44路，已经超出了切换台最大40路信号输入的接入范围，无法全部接入切换台。这在基带系统下，若是不对信号进行删减，几乎是不可能解决的;而在IP系统下，通过灵活的调度做到不删减信号数量，可以在直播的间隙变更切换台的输入信号，满足直播需求。
接下来还有一系列与源名及TALLY相关的问题。具体情况是，阅兵式的直播与联欢活动的直播对前方信号的需求不同，致使外来信号大多存在通路复用，同路不同源的情况。例如演播室与总控的第20路外来通路“EXT20”，在阅兵式的直播时，内容为拍摄飞机的一个机位“Y1”;而在联欢活动的直播时，则变更为拍摄焰火的一个机位“E12”。无论是信号内容还是所需的源名都不相同，带来非常复杂的局面，在阅兵式直播时可能是切换台上的第23个按键、导监墙上第1块大屏左下角的一个分屏，而在联欢活动直播中就变成切换台上的第15个按键、导监墙上第3块大屏右下角的一个分屏。这样复用的信号通路共有16个，即使内容和源名都没有变动的通路，也因导演的切换习惯、应用场景的不同，在导监墙及切换台上的位置及源名也会不尽相同，有的信号还需要在导监墙上做位置标注（见图5），使得同一信号源在一天之内需要多组源名同时显示在不同设备上，并且随着每次演练，根据导演需求还要不停调整位置、顺序等。
为保证调度过程中的正确性、安全性，最终决定所有源名需要统一来源，全部设备都采用动态源名显示，随着信号的各种调度，源名自动变更、跟随。
首先，确定源名的统一来源，因第八演播室使用的是SONY的LSM系统作为IP生产域的管理系统，负责信号流的调度、管理、控制等工作，是所有信号源最根本的基础。所以，在LSMR！面定义基础源名，LSM定义的源名为第八演播室与总控的外来通道的名称，不管信号内容如何变更，通道顺序、名称都不会改变。比如总控送来的32路外来通路定义为EXT1至EXT32，一经确定后不会再做任何更改。这些通路信息经过LSM命名后，添加到系统的IP矩阵内，提供给格非Magi SDN集中管理控制系统，作为集控系统的基础矩阵使用。
然后，与总控共同确定每条通路内在不同时段具体传输的内容信号。具体实现就是，分别为阅兵式和与联欢活动直播做了对照表，明确32路外来通路中具体传输的信号内容;后续如有变更，也只对信号内容进行调整。根据不同时段外来通路传输的内容在Magi SDN集中管理控制系统内以别名的形式与LSM的系统IP矩阵一一对应，即基础源名和两组内容名称，使得每一路信号有三组名称;再根据需要分别添加一组带位置信息的名称，和一组包含所有信息的名称。例如：物理名为EXT20，源名为Y1/E12-EXT20，别名1为Y1，别名2为E12，别名3为Y1/位置信息，别名4为E12/位置信息。所有信号的命名都设置完成后，即可实现同一信号在不同设备显示不同的名称。
确定源名后，规划信号的具体路由，建立关联关系。由于第八演播室采用的是基带SDI监看，造成监看系统无法直接通过交换机调度来实现关联，需要通过监看矩阵进行调度，以保证源名及TALLY信息能从IP流到SDI信号的统一。在Magi SDN集中管理控制系统中，依据SDI矩阵的物理端口映射出一个虚拟的监看矩阵，再把这个虚拟监看矩阵的输入端与LSM中的相应的视频流进行对照绑定。比如SDI矩阵的输入1口，连接的是外来信号1的监看，也就是前面提到的，经总控送来的TICO信号，经TICO解码器转成4×3G信号进入解嵌器，解嵌器第一组输出经IP网关卡进入交换机，也就是进入LSM系统，另一组输出取一路3G信号以2SI方式接入SDI矩阵，如图6所示。
所以，在Magi SDN系统中，需要把SDI虚拟矩阵的输入通道与LSM系统中的同一信号进行绑定，比如SDI矩阵输入1与LSM中EXTl进行绑定，这样SDI矩阵通过MagisDN系统就得到了所对应的IP流的源名及TALLY等信息。然后，把SDI矩阵的输出口，与画面分割器的输入口进行一一绑定，使得源名及TALLY等信息可以通过画面分割器在监看大屏上呈现。 同时，在Magi SDN系统中，还建立了切换台和画分MV-Server的虚拟矩阵。切换台的虚拟矩阵是为了方便更改切换台输入信号及推送对应的源名，得到切换台的交叉点信息，作为系统的主TALLY的来源;而Mg-Server的矩阵是为了对画面分割器的LAYOUT进行调度使用。
做好了虚拟矩阵的搭建与关联后，整个演播室内的各种信号调度就可以统一、直观地在Magi SDN软件界面内进行操作了。还以EXT20信号为例，源名“Y1/E12-EXT20”作为完整信息的命名，用于演播室内所有的面板按键使用，包括VE工位、录制工位、立柜机房等需要进行选源、切换的面板，统一使用这组全信息名称，方便信号调度，避免多次更改、下发面板。SDI监看矩阵使用别名3“Y1/位置信息”和别名4“E12/位置信息”，根据直播的需求切换使用，作为导监墙上的源名显示;而别名1“Y1”和别名2“E12”供切换台在不同时段来显示使用。
建立好所有的关联关系后，就可以使用Magi SDN集中管理控制系统，调用不同源名分别下发到切换台、画面分割器、硬件面板等设备进行操控，通过切换IP核心矩阵变更切换台输入源，切换SDI矩阵变更导监墙监看信号源，调用LAYOUT调整导监墙画面分布布局，做到在直播间隙、不断电、不重启设备的情况下变更演播室内的整体状态。
但这一系列操作还是略感繁琐，变更切换台输入源需要调整40个交叉点，切换SDI矩阵需要调整近60个交叉点，调整导监墙LAYOUT也需要调整十几个交叉点，还要对切换台、应急切换面板、SDI矩阵、画面分割器等设备分别下发源名，总体工作量还是比较大的。在紧张的直播间隙进行这些操作，很容易忙中出错，任何一个环节一旦出现操作失误都可能酿成重大事故。
为了保证所有工作都能安全、准确、快速地进行，使用了Magi SDN集中管理控制系統中命令集的功能。命令集可完成多个矩阵的路由群切功能。首先，按照直播的需求将演播室调整到阅兵式的直播状态，确认所有设置正确无误后，在Magi SDN系统中将所有虚拟矩阵进行“快照”操作，建立一个命令集并起名保存。然后，再将全系统调整到联欢活动的直播状态，同样建立一个命令集。这样，所有的操作就可以通过运行单个命令集，使整个演播室做到瞬间在不同状态下进行倒换。
虽然通过Magi SDN系统可以将命令集下发到硬件面板进行一键操作，但出于安全考虑，最终并没有采用这种方式，还是需要登入Magi SDN集中管理控制系统，手动运行命令集，以避免直播过程中被误操作而切换演播室状态。
4结语
这次直播活动中遇到的上述技术难点通过SDN系统予以解决，顺利完成了直播任务。通过这次直播，切身体验到IP系统的灵活性与扩展性，以往基带系统无法实现，或很难实现的很多功能与用法在IP系统架构下变为可能;IP系统顶层的SDN控制系统更是锦上添花，可以通过统一的界面，对不同的设备进行集中管理控制，并衍生出的很多操作方式及应用形式。
系统的其他调整不一一赘述，如通过跳线使监视大屏的B路信号与画分信号一致作为备份，主、预监大屏未经过画分，通过临近画分显示切换台当前PGM及PVw的实时动态源名，前方回传的各系统主备路及系统间信号的延时问题等。
4K超高清加HDR的画面效果给人以耳目一新的视觉感受，更高的清晰度，更大的亮度、对比度，更宽的色彩范围，使得画面的还原度越来越接近人眼的视觉感受，人们可以在电视画面上体验到国庆70周年庆祝大会、阅兵式、群众游行的激动与震撼，更真实地感受到联欢活动的精彩与壮观。随着社会的发展、国家的强盛、科技的进步，8K、16K、5G等新新科技的到来，广播电视事业的发展与祖国一同欣欣向荣，同步跨入新的时代。
作者简介：
柴路，就职于中央电视台技术矗技术制作中心。自1997年起一直从事数字电编后期合成、演播室视频技术等广播电视节目的制作工作。曾先后参与过中央电视台十八、十九电编机房数字化改造，第六、第七演播室数字化改造与高清改造，中联部制作区电编机房的系统搭建与调试，第八演播室4IK超高清IP系统改造等工程。
（编辑：杜青）
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